一种激光定量纹影成像灵敏度提升方法、系统、介质及电子设备与流程

本发明涉及激光成像，并且更具体地，涉及一种激光定量纹影成像灵敏度提升方法、系统、介质及电子设备。

背景技术：

1、定量纹影技术作为一种非介入式测量方法，被广泛用于长空气间隙等离子体放电、航空航天风洞、燃烧流场等极端环境下的折射率、密度和温度场的高频动态诊断。为了精准获取如先导放电起始阶段通道内剧烈的瞬态演化过程，系统必须具备极高的时间分辨率和空间分辨率。在现有的定量纹影参数反演研究与工程实践中，背景光的光源技术主要包括采用led光源与采用激光光源两大路线。采用包括恒定功率或脉冲电流源驱动的led光源的好处是，其空间相干性较低，不易产生散斑干涉噪声，且系统搭建相对简单。然而，led光源技术在实现高时空分辨率的实际推广中面临着难以逾越的瓶颈。根据定量纹影系统的光学原理，系统测量的相对灵敏度与光通量累积效应密切相关，系统灵敏度与背景光光强正相关。为了捕捉等离子体通道在百纳秒量级内的快速飙升，相机曝光时间必须极度压缩至亚微秒级别，同时为保证极小流注通道的采样点，空间分辨率也必须足够小，这导致系统灵敏度呈指数级断崖式下降。其次，led光源在空间准直性和单点芯片的最大极限光通量上存在严重的物理上限。即使采用脉冲驱动，其光强也无法弥补极短曝光时间带来的进光量衰减，导致纹影图像信噪比大幅降低，最终引发极大的温度场反演误差，无法支撑大视场、高精度的微米级光学诊断。

2、为了克服led光源光强与准直性不足的缺陷，学术界与工业界开发了基于高功率短脉冲激光作为诊断光源的纹影测量技术。激光光源的最大优势在于其极高的峰值亮度和空间准直性，理论上能够支撑纳秒级曝光和微米级分辨的极端瞬态探测需求。但目前，绝大多数商业化或工程化的激光纹影系统，仅仅停留在直接引入未经整形或仅作简单扩束的基模高斯（tem00）激光束。这种直接照明方法不仅完全忽略了高斯光束截面能量分布不均特性；更重要的是，在定量纹影理论框架下，光线偏折角的提取严格依赖于图像的相对灰度变化率，当直接使用高斯激光作为无扰动背景光时，在光斑中外围区域的数值会迅速趋近于零。这不仅会导致计算机在进行偏折角求解时频繁出现“除以零”的数学发散；由于实际采集的信号中不可避免地混入环境本底的散粒噪声和系统读出噪声，极小的分母会将这些噪声进行数万倍的非线性放大，导致传统反演极易陷入崩溃。这种高斯光场固有的物理缺陷，导致传统激光定量纹影系统在视场边缘的信噪比极度恶化，有效的高保真观测视野被严重收窄，无法实现全视场、高精度的多物理场参数重构。

3、综上所述，现有的led光源测量法受限于发光强度与准直性的物理上限带来的低信噪比与低灵敏度，而现有的激光光源探测法又受限于高斯能量分布带来的边缘计算发散与噪声剧烈放大的理论瓶颈。

技术实现思路

1、本发明提出一种激光定量纹影成像灵敏度提升方法及系统，以解决如何实现流体密度场与瞬态温度场的多物理场三维反演重构，提升成像灵敏度的问题。

2、为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种激光定量纹影成像灵敏度提升方法，其特征在于，所述方法包括：

3、构建高斯光束至平顶光束转换的相位调制迭代设计物理模型，所述物理模型内置基于复振幅双重约束的改进型算法，用于求解适配的相位调制板的空间相位分布；

4、基于所述改进型算法，提取将入射高斯光束高效率转化为平顶均匀激光的相位调制板的最优空间相位解；

5、基于所述最优空间相位解加工相位调制板，搭建具有均匀平顶激光背景的定量纹影高时间分辨率诊断系统；

6、基于所述定量纹影高时间分辨率诊断系统生成均匀基准背景图与扰动纹影图，基于所述均匀基准背景图与所述扰动纹影图提取光线偏折角；

7、基于所述光线偏折角，进行流体密度场与瞬态温度场的高灵敏度多物理场三维反演重构，提升激光定量纹影成像的整体检测灵敏度。

8、优选地，所述构建高斯光束至平顶光束转换的相位调制迭代设计物理模型，包括：

9、明确预设光束转化目标，所述转化目标为将基模高斯脉冲激光高效率转化为平顶均匀激光,所述转化目标为复振幅双重约束的构建标准；

10、确定采用改进型gerchberg-saxton算法作为所述基于复振幅双重约束的改进型算法，用于迭代优化求解相位调制板的最优空间相位分布；

11、构建复振幅双重约束的入射端空间边界，定义入射高斯光束的复振幅分布，设定入射平面内入射光束的理想复振幅分布，所述理想复振幅分布满足基模高斯光束模型：

12、

13、其中，为高斯光束的束腰半径；为中心峰值振幅；假设初始波前为理想等相位面，初始相位；为入射高斯光束在入射平面处的振幅分布；为虚数单位；为入射平面内沿水平方向的空间坐标，表征该平面内水平方向的不同位置；为入射平面内沿垂直方向的空间坐标，表征该平面内垂直方向的不同位置；

14、构建复振幅双重约束的目标端空间边界，在目标观察平面上的目标平顶光束的理想复振幅分布，所述理想复振幅分布采用高阶超高斯函数来平滑目标光斑的边缘过渡区表示：

15、

16、其中，为目标平顶光束的宏观有效半径；为超高斯阶数，且以保证边缘的陡峭度；为目标观察平面内沿水平方向的空间坐标，表征该平面内水平方向的不同位置；为目标观察平面内沿垂直方向的空间坐标，表征该平面内垂直方向的不同位置；为平顶光束的稳定振幅；

17、叠加能量守恒物理约束，对复振幅双重约束进行限制，所述能量守恒约束严格遵循光学传播的能量守恒定律，表达式为：

18、

19、优选地，所述基于所述改进型算法，提取将入射高斯光束高效率转化为平顶均匀激光的相位调制板的最优空间相位解，具体包括通过非线性迭代寻优流程提取最优空间相位解，所述迭代寻优流程依次循环执行以下步骤：

20、初始状态与正向传播:设为当前迭代次数，相位调制板在空间中引入的附加延迟相位分布矩阵为；第次迭代开始时，基于入射高斯光束在入射平面处的振幅分布，当前迭代相位结合，构建调制板了射面的复振幅，表达式为：

21、

22、利用菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式，将光场从调制板平面正向自由空间传播至目标平面，计算得到目标平面的复振幅分布：

23、

24、其中，为菲涅尔-基尔霍夫衍射积分运算；为第次迭代时目标平面的振幅分布；为第次迭代时目标平面的相位波前；为目标观察平面内水平空间坐标，为目标观察平面内垂直空间坐标；

25、核心复振幅物理约束替换：保持正向传播到达目标平面的相位波前不变，将目标平面振幅按照预设的松弛因子与相位调制迭代设计物理模型中定义的理想超高斯目标振幅进行线性融合更新，得到线性融合更新后的复振幅：

26、

27、逆向传播与相位提取：对线性融合更新后的复振幅执行逆向传播,回溯至相位调制板所在的输入平面，得到输入平面的新复振幅分布：

28、

29、其中，为菲涅尔-基尔霍夫逆衍射积分运算，为第次迭代逆向传播后输入目标平面的相位分布；

30、提取新复振幅分布中的相位部分，作为第次迭代的相位输入，并与高斯入射振幅重新组合，以施加输入平面的振幅约束；

31、收敛判定：每次迭代过程遵循能量守恒物理约束；在目标平面计算光强均方根误差，以所述光束转化目标为收敛判断标准；当目标平面的输出光强均方根误差满足预设收敛阈值时，迭代终止，将当前的相位输入，作为最优空间相位解。

32、优选地，所述基于所述最优空间相位解加工相位调制板，搭建均匀平顶激光背景的定量纹影高时间分辨率诊断系统，包括相位调制板制备与系统光路搭建、均匀平顶激光基准背景构建，具体为：

33、基于所述最优空间相位解制备匹配的相位调制板，按照光束传播顺序依次布设脉冲激光器、扩束准直透镜组、相位调制板、第一纹影球面反射镜、待测量流场、第二纹影球面反射镜、刀口、窄带滤波片及相机，构成改进型z型定量纹影光路；

34、基于改进型z型定量纹影光路，通过相位调制板对入射高斯激光进行波前相位重构，将光束整形为横截面能量均匀的平顶平行光束，以均匀平顶激光作为成像基准背景，分别采集平顶背景图像与含流场扰动的纹影图像，以获取全局常数场背景光强，完成系统光路搭建、均匀平顶激光基准背景构建。

35、优选地，所述基于所述定量纹影高时间分辨率诊断系统生成均匀基准背景图与扰动纹影图，基于均匀基准背景图与扰动纹影图提取光线偏折角，包括：

36、基于所述改进型z型定量纹影光路，生成均匀基准背景图；基于引入的流场扰动，生成扰动纹影图；

37、对所述均匀基准背景图与所述扰动纹影图进行处理：将背景光强整形为全局常数场，确定探测图像的局部灰度变化仅由流场引起的偏折角以及机械刀口的有效切割量所决定；

38、基于处理后的所述均匀基准背景图与所述扰动纹影图，设流场中的光线沿z轴正向传播，机械刀口边缘平行于x轴，光线在y方向上的偏折角由介质的折射率梯度积分表示：

39、

40、其中，为环境未扰动气体的绝对参考折射率；积分路径为流场扰动区的光学厚度；为流场中介质在y方向上的折射率梯度；

41、在纹影系统线性响应区间内，偏折角与纹影图像的相对对比度与偏折角成正比，光线偏折角求解公式：

42、

43、其中，为有扰动时采集的纹影图像灰度值，为无扰动时平顶背景图像灰度值；为系统灵敏度系数。

44、优选地，所述基于所述光线偏折角，进行流体密度场与瞬态温度场的多物理场三维反演重构，包括：

45、获取全视场的偏折角矢量场，其中正交分量、分别为方向光线偏折角与方向光线偏折角；

46、基于流体力学光学层析理论，引入表征光程差的二维标量势函数，利用偏折角为光程差的空间梯度特性，建立基础关联等式；对所述基础关联等式两边求二维空间散度，构建表征光程差分布的二维泊松方程：

47、

48、采用有限差分法、多重网格法或共轭梯度算法中的任意一种，结合流场未扰动边界的诺伊曼边界条件，求解所述二维泊松方程，基于二维标量势函数确定积分投影折射率的绝对变化量；

49、引入gladstone-dale关系式：

50、

51、其中，为特定激光波长与混合气体组分下的gladstone-dale 常数；为气体介质的空间绝对密度分布；n为受扰动气体的绝对折射率；采用abel逆变换反投影算法，将二维还原为三维空间中每个点的真实折射率，将真实折射率代入gladstone-dale关系式解析出瞬态的三维流场密度分布场；

52、在假定放电膨胀过程局部满足理想气体状态方程的前提下，通过三维流场密度分布场反演出局部等离子体中性气体的瞬态演化温度场：

53、

54、其中，为组分气体的摩尔质量，为理想气体常数，为气体压强。7、本发明提供一种激光定量纹影成像灵敏度提升系统，所述系统包括：

55、物理模型构建单元，用于构建高斯光束至平顶光束转换的相位调制迭代设计物理模型，所述物理模型内置基于复振幅双重约束的改进型算法，用于求解适配的相位调制板的空间相位分布；

56、最优空间相位解提取单元，用于基于所述改进型算法，提取将入射高斯光束高效率转化为平顶均匀激光的相位调制板的最优空间相位解；

57、诊断系统搭建单元，用于基于所述最优空间相位解加工相位调制板，搭建具有均匀平顶激光背景的定量纹影高时间分辨率诊断系统；

58、光线偏折角提取单元，用于基于所述定量纹影高时间分辨率诊断系统生成均匀基准背景图与扰动纹影图，基于所述均匀基准背景图与所述扰动纹影图提取光线偏折角；

59、三维反演重构单元，用于基于所述光线偏折角，进行流体密度场与瞬态温度场的高灵敏度多物理场三维反演重构，提升激光定量纹影成像的整体检测灵敏度。

60、优选地，所述物理模型构建单元，用于构建高斯光束至平顶光束转换的相位调制迭代设计物理模型，包括：

61、明确预设光束转化目标，所述转化目标为将基模高斯脉冲激光高效率转化为平顶均匀激光,所述转化目标为复振幅双重约束的构建标准；

62、确定采用改进型gerchberg-saxton算法作为所述基于复振幅双重约束的改进型算法，用于迭代优化求解相位调制板的最优空间相位分布；

63、构建复振幅双重约束的入射端空间边界，定义入射高斯光束的复振幅分布，设定入射平面内入射光束的理想复振幅分布，所述理想复振幅分布满足基模高斯光束模型：

64、

65、其中，为高斯光束的束腰半径；为中心峰值振幅；假设初始波前为理想等相位面，初始相位；为入射高斯光束在入射平面处的振幅分布；为虚数单位；为入射平面内沿水平方向的空间坐标，表征该平面内水平方向的不同位置；为入射平面内沿垂直方向的空间坐标，表征该平面内垂直方向的不同位置；

66、构建复振幅双重约束的目标端空间边界，在目标观察平面上的目标平顶光束的理想复振幅分布，所述理想复振幅分布采用高阶超高斯函数来平滑目标光斑的边缘过渡区表示：

67、

68、其中，为目标平顶光束的宏观有效半径；为超高斯阶数，且以保证边缘的陡峭度；为目标观察平面内沿水平方向的空间坐标，表征该平面内水平方向的不同位置；为目标观察平面内沿垂直方向的空间坐标，表征该平面内垂直方向的不同位置；为平顶光束的稳定振幅；

69、叠加能量守恒物理约束，对复振幅双重约束进行限制，所述能量守恒约束严格遵循光学传播的能量守恒定律，表达式为：

70、

71、优选地，所述最优空间相位解提取单元，用于基于所述改进型算法，提取将入射高斯光束高效率转化为平顶均匀激光的相位调制板的最优空间相位解，具体包括通过非线性迭代寻优流程提取最优空间相位解，所述迭代寻优流程依次循环执行以下步骤：

72、初始状态与正向传播:设为当前迭代次数，相位调制板在空间中引入的附加延迟相位分布矩阵为；第次迭代开始时，基于入射高斯光束在入射平面处的振幅分布，当前迭代相位结合，构建调制板了射面的复振幅，表达式为：

73、

74、利用菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式，将光场从调制板平面正向自由空间传播至目标平面，计算得到目标平面的复振幅分布：

75、

76、其中，为菲涅尔-基尔霍夫衍射积分运算；为第次迭代时目标平面的振幅分布；为第次迭代时目标平面的相位波前；为目标观察平面内水平空间坐标，为目标观察平面内垂直空间坐标；

77、核心复振幅物理约束替换：保持正向传播到达目标平面的相位波前不变，将目标平面振幅按照预设的松弛因子与相位调制迭代设计物理模型中定义的理想超高斯目标振幅进行线性融合更新，得到线性融合更新后的复振幅：

78、

79、逆向传播与相位提取：对线性融合更新后的复振幅执行逆向传播,回溯至相位调制板所在的输入平面，得到输入平面的新复振幅分布：

80、

81、其中，为菲涅尔-基尔霍夫逆衍射积分运算，为第次迭代逆向传播后输入目标平面的相位分布；

82、提取新复振幅分布中的相位部分，作为第次迭代的相位输入，并与高斯入射振幅重新组合，以施加输入平面的振幅约束；

83、收敛判定：每次迭代过程遵循能量守恒物理约束；在目标平面计算光强均方根误差，以所述光束转化目标为收敛判断标准；当目标平面的输出光强均方根误差满足预设收敛阈值时，迭代终止，将当前的相位输入，作为最优空间相位解。

84、优选地，所述诊断系统搭建单元，用于基于所述最优空间相位解，搭建均匀平顶激光背景的定量纹影高时间分辨率诊断系统，包括相位调制板制备与系统光路搭建、均匀平顶激光基准背景构建，具体为：

85、基于所述最优空间相位解制备匹配的相位调制板，按照光束传播顺序依次布设脉冲激光器、扩束准直透镜组、相位调制板、第一纹影球面反射镜、待测量流场、第二纹影球面反射镜、刀口、窄带滤波片及相机，构成改进型z型定量纹影光路；

86、基于改进型z型定量纹影光路，通过相位调制板对入射高斯激光进行波前相位重构，将光束整形为横截面能量均匀的平顶平行光束，以均匀平顶激光作为成像基准背景，分别采集平顶背景图像与含流场扰动的纹影图像，以获取全局常数场背景光强，完成系统光路搭建、均匀平顶激光基准背景构建。

87、优选地，所述光线偏折角提取单元，用于基于所述定量纹影高时间分辨率诊断系统生成的横截面能量均匀的平顶平行光束，提取光线偏折角，包括：

88、基于所述改进型z型定量纹影光路，生成均匀基准背景图；基于引入的流场扰动，生成扰动纹影图；

89、对所述均匀基准背景图与所述扰动纹影图进行处理：将背景光强整形为全局常数场，确定探测图像的局部灰度变化仅由流场引起的偏折角以及机械刀口的有效切割量所决定；

90、基于处理后的所述均匀基准背景图与所述扰动纹影图，设流场中的光线沿z轴正向传播，机械刀口边缘平行于x轴，光线在y方向上的偏折角由介质的折射率梯度积分表示：

91、

92、其中，为环境未扰动气体的绝对参考折射率；积分路径为流场扰动区的光学厚度；为流场中介质在y方向上的折射率梯度；

93、在纹影系统线性响应区间内，偏折角与纹影图像的相对对比度与偏折角成正比，光线偏折角求解公式：

94、

95、其中，为有扰动时采集的纹影图像灰度值，为无扰动时平顶背景图像灰度值；为系统灵敏度系数。

96、优选地，所述三维反演重构单元，用于基于所述光线偏折角，进行流体密度场与瞬态温度场的多物理场三维反演重构，包括：

97、获取全视场的偏折角矢量场，其中正交分量、分别为方向光线偏折角与方向光线偏折角；

98、基于流体力学光学层析理论，引入表征光程差的二维标量势函数，利用偏折角为光程差的空间梯度特性，建立基础关联等式；对所述基础关联等式两边求二维空间散度，构建表征光程差分布的二维泊松方程：

99、

100、采用有限差分法、多重网格法或共轭梯度算法中的任意一种，结合流场未扰动边界的诺伊曼边界条件，求解所述二维泊松方程，基于二维标量势函数确定积分投影折射率的绝对变化量；

101、引入gladstone-dale关系式：

102、

103、其中，为特定激光波长与混合气体组分下的gladstone-dale 常数；为气体介质的空间绝对密度分布；n为受扰动气体的绝对折射率；采用abel逆变换反投影算法，将二维还原为三维空间中每个点的真实折射率，将真实折射率代入gladstone-dale关系式解析出瞬态的三维流场密度分布场；

104、在假定放电膨胀过程局部满足理想气体状态方程的前提下，通过三维流场密度分布场反演出局部等离子体中性气体的瞬态演化温度场：

105、

106、其中，为组分气体的摩尔质量，为理想气体常数，为气体压强。基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如一种相激光定量纹影成像灵敏度提升方法的步骤。

107、基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：

108、上述的计算机可读存储介质；以及

109、一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

110、本发明技术方案提供了一种激光定量纹影成像灵敏度提升方法及系统，方法包括：构建高斯光束至平顶光束转换的相位调制迭代设计物理模型，物理模型内置基于复振幅双重约束的改进型算法，用于求解适配的相位调制板的空间相位分布；基于改进型算法，提取将入射高斯光束高效率转化为平顶均匀激光的相位调制板的最优空间相位解；基于最优空间相位解加工相位调制板，搭建具有均匀平顶激光背景的定量纹影高时间分辨率诊断系统；基于定量纹影高时间分辨率诊断系统生成均匀基准背景图与扰动纹影图，基于均匀基准背景图与扰动纹影图提取光线偏折角；基于光线偏折角，进行流体密度场与瞬态温度场的高灵敏度多物理场三维反演重构，提升激光定量纹影成像的整体检测灵敏度。本发明技术方案通过引入基于混合复振幅约束的改进型算法设计一种衍射空间相位掩模，将基模高斯脉冲激光高效率、平滑地重构为横截面能量绝对均匀的平顶光束。本发明以此平顶均匀光场作为定量纹影的探测本底，从物理源头上彻底切断大视场边缘背景光强趋零所引发的除零奇异性和噪声非线性放大链条，将全物理视场范围内的光线偏折角提取信噪比拉升至理论极限，从而突破高时空分辨率条件下的灵敏度瓶颈，实现对极端瞬态物理场的高帧率、高精度、全视场三维反演重构。