3.3 光学诊断技术的分类

光学诊断技术根据分类标准的不同可以分为多种类别，比如根据测量结果的准确度可以分为定性测试技术和定量测试技术；根据测试结果维度可以分为零维、一维、二维、三维等技术；也可根据测试目标的不同划分光学技术，比如测试油气混合蒸发过程的（米散射、瑞利散射、激光诱导荧光、纹影法等），测量着火延迟的（化学发光、纹影法等），测量排放物的（双色法、消光法、PLIF等）。还有一种分类标准是根据是否应用外部光源分类，下面对这种分类标准做详细介绍。

按照有无外部光源将光学诊断技术分为三类：基于燃烧自然发光的技术（火焰成像法，化学发光，双色法等），需要传统外部光源（非激光）的技术（米散射成像法，纹影法，消光法等），基于激光的技术（LIF、LII、PIV、PDPA等）。下面对这三类技术做进一步介绍。

3.3.1 基于火焰自然发光的技术

在燃烧过程中，火焰会发出紫外光、可见光和红外光等不同波段的光谱辐射。这些辐射又分为两类：其中一类为连续光谱辐射，比如颗粒物的热辐射和分子的电离和重聚过程发生的辐射；还有一类为带状光谱辐射，这些辐射来自不同能量级的分子转换，比如化学发光。所谓化学发光是指处于非激发态的分子，由于发生化学反应转变为激发态的电子状态再回落基态过程而辐射出的光谱，例如OH基化学荧光光谱在310nm左右[1]。图3.3所示为乙烯和空气的预混火焰，从左到右逐渐增加燃料的浓度，火焰形态和辐射的波长也会跟着发生变化，碳烟（Soot）的图像为连续的光谱辐射，CH*，CO₂*，和C₂*为化学发光辐射。

图3.3 乙烯和空气的预混火焰

3.3.2 应用传统外部光源的技术

此类光学诊断技术所用光源为非激光的光源设备，比如LED、氙弧灯。此类技术是通过所测目标物对光源形成的光路进行干扰（散射、吸收、偏转等）而成像。其中比较典型的光学技术有米散射成像法和纹影法。图3.4所示为纹影法测量喷雾形态光路布置示意图，此处的点光源即为氙弧灯，通过抛物面镜形成平行光，当光路通过喷雾时，由于密度梯度而发生偏转，使得喷雾部分呈现“阴影”状态。后续章节会对纹影法做进一步详细介绍。

图3.4 纹影法光路布置和所测结果示意图［2］

3.3.3 基于激光的技术

基于激光的诊断技术按照原理的不同也可以分为两类。一类是根据激光与被测物质相互影响而产生的光路变化或者光强改变，而得到不同图片的技术。此类技术与上述传统光源技术有些类似，不同之处就是激光的波长一般较为单一，能量极高且高度平行。比如说，激光瑞利散射和激光米散射是根据粒子大小不同发生不同散射的原理，再比如，激光诱导炽光是用激光将粒子加热而产生热辐射。还有一类基于激光的技术是通过量子力学解释的现象进行测量，比如激光诱导荧光、拉曼光谱法等。