3.3 光學診斷技術的分類

光學診斷技術根據分類標準的不同可以分為多種類別，比如根據測量結果的準確度可以分為定性測試技術和定量測試技術；根據測試結果維度可以分為零維、一維、二維、三維等技術；也可根據測試目標的不同劃分光學技術，比如測試油氣混合蒸發過程的（米散射、瑞利散射、激光誘導熒光、紋影法等），測量著火延遲的（化學發光、紋影法等），測量排放物的（雙色法、消光法、PLIF等）。還有一種分類標準是根據是否應用外部光源分類，下面對這種分類標準做詳細介紹。

按照有無外部光源將光學診斷技術分為三類：基于燃燒自然發光的技術（火焰成像法，化學發光，雙色法等），需要傳統外部光源（非激光）的技術（米散射成像法，紋影法，消光法等），基于激光的技術（LIF、LII、PIV、PDPA等）。下面對這三類技術做進一步介紹。

3.3.1 基于火焰自然發光的技術

在燃燒過程中，火焰會發出紫外光、可見光和紅外光等不同波段的光譜輻射。這些輻射又分為兩類：其中一類為連續光譜輻射，比如顆粒物的熱輻射和分子的電離和重聚過程發生的輻射；還有一類為帶狀光譜輻射，這些輻射來自不同能量級的分子轉換，比如化學發光。所謂化學發光是指處于非激發態的分子，由于發生化學反應轉變為激發態的電子狀態再回落基態過程而輻射出的光譜，例如OH基化學熒光光譜在310nm左右[1]。圖3.3所示為乙烯和空氣的預混火焰，從左到右逐漸增加燃料的濃度，火焰形態和輻射的波長也會跟著發生變化，碳煙（Soot）的圖像為連續的光譜輻射，CH*，CO₂*，和C₂*為化學發光輻射。

圖3.3 乙烯和空氣的預混火焰

3.3.2 應用傳統外部光源的技術

此類光學診斷技術所用光源為非激光的光源設備，比如LED、氙弧燈。此類技術是通過所測目標物對光源形成的光路進行干擾（散射、吸收、偏轉等）而成像。其中比較典型的光學技術有米散射成像法和紋影法。圖3.4所示為紋影法測量噴霧形態光路布置示意圖，此處的點光源即為氙弧燈，通過拋物面鏡形成平行光，當光路通過噴霧時，由于密度梯度而發生偏轉，使得噴霧部分呈現“陰影”狀態。后續章節會對紋影法做進一步詳細介紹。

圖3.4 紋影法光路布置和所測結果示意圖［2］

3.3.3 基于激光的技術

基于激光的診斷技術按照原理的不同也可以分為兩類。一類是根據激光與被測物質相互影響而產生的光路變化或者光強改變，而得到不同圖片的技術。此類技術與上述傳統光源技術有些類似，不同之處就是激光的波長一般較為單一，能量極高且高度平行。比如說，激光瑞利散射和激光米散射是根據粒子大小不同發生不同散射的原理，再比如，激光誘導熾光是用激光將粒子加熱而產生熱輻射。還有一類基于激光的技術是通過量子力學解釋的現象進行測量，比如激光誘導熒光、拉曼光譜法等。