Structured Laser Illumination Planar Imaging SLIPI Applications for Spray Diagnostics

Abstract:
Laser sheet imaging, also known as planar laser imaging, is one of the most versatile optical imaging techniques known and is frequently applied in several different domains. It furthermore constitutes the basis for a variety of other 2D methods, in turn allowing visualization of e.g. velocity, particle size, species concentration and temperature. However, when applied on turbid, light scattering media, the accuracy of laser sheet imaging (and techniques based thereon) is significantly reduced. The inaccuracy can be attributed to three phenomena known as laser extinction, signal attenuation and multiple light scattering. The work presented in this thesis is motivated by these challenges, with the overall aim of making laser sheet imaging applicable for studies of optically dense media. High-pressure, liquid atomizing spray systems, used for combustion purposes, are typical examples of such media. Here sprays are used to disintegrate liquid fuel into fine droplets, which evaporate and burn, an approach which is essential to generate the mechanical power needed for all combustion-based vehicles, such as cars and trucks. Accurate characterization of these multiphase, dense, turbulent spray systems is key in order to reduce pollutions and to improve combustion efficiency.



To enable the utilization of laser sheet imaging in optically dense environments a novel 2D imaging technique named Structured Laser Illumination Planar Imaging (SLIPI) has been developed. The method is based on planar laser imaging but uses a sophisticated illumination scheme - spatial intensity modulation - to differentiate between the intensity contribution arising from directly- and multiply scattered light. By recording three images, between which this encoding is altered in a way only noticeable for the directly scattered light, the approach enables the suppression of the undesired diffuse light intensity contribution. This thesis presents convincing experimental evidence that SLIPI leads to improved and enhanced visualization up to an optical depth of ~6, thus improving the range of applicability by a factor of ~150 (in terms of light transmission). Also presented herein are solutions to acquire instantaneous SLIPI images of rapidly moving samples, a key feature in order to study dynamic transient spray behavior. It is imperative for accurate instantaneous imaging of turbulent flows that the sample remains static during the time of acquisition, which is experimentally challenging since the SLIPI technique requires three realizations.



Based on the SLIPI method, several quantitative imaging techniques have also been developed within the framework of this thesis, all designed to measure the extinction coefficient. This optical property contains information related to both particle size and number density and is thus of great importance for spray characterization. Moreover, since the extinction coefficient is the origin for both laser extinction and signal attenuation, accurate readings of this parameter by means of SLIPI makes the methods almost completely unaffected by the three previously mentioned sources of error associated with laser sheet imaging.



The SLIPI technique is relatively inexpensive - the cost does not exceed an ordinary laser sheet arrangement noticeably - and can be combined with several other linear imaging techniques. These characteristics can be of great benefit for the spray community, in particular by providing accurate and reliable input data for spray modelers.

Popular Abstract in Swedish

Människors sätt att visualisera objekt bygger på en del underliggande principer som man kanske inte alltid reflekterar över. Det faktum att vi har just två ögon gör det till exempel möjligt för oss att avgöra på vilket avstånd ett objekt befinner sig. Detta kallas för parallaxeffekten. Kameror, som bara har ett "öga", saknar denna förmåga, vilket försvårar avbildande mätningar i många forskningssammanhang. För att kringgå detta kan man eliminera behovet av djupseende, genom att belysa sitt prov på ett smart sätt med hjälp av den s.k. laserarksmetoden.



Ett laserark är en lövtunn ljusspalt och när den interagerar med det provmaterial man önskar undersöka, uppstår en ljussignal endast på ett förutbestämt avstånd. Fördelen är att kameran då inte behöver ha något djupseende. Detta är en av de mest beprövade mätmetoderna inom många olika forskningsfält och fungerar utmärkt så länge provet man ska studera inte är grumligt. Ett sådant ljusspridande prov skapar nämligen signaler som kan komma från andra avstånd än det förutbestämda. Detta fenomen kallas multipelspridning och innebär helt enkelt att en del av de fotoner (ljuspartiklar) som detekteras har interagerat upprepade gånger med provmaterialet. Problemet är att vår kamera, som saknar djupseende, tolkar det som att alla fotoner kommer från det plan som belyses av laserarket. Resultatet av det hela blir en bild med en del skarpa och en del suddiga konturer. Ibland, beroende på hur grumligt provet är, skapas även nonsenssignaler. Dessa felkällor gör att laserarksmetoden inte är särskilt applicerbar inom alla områden och för dessa områden saknas dessvärre liknande metoder som samtidigt uppvisar laserarksmetodens beskrivna fördelar.



Denna avhandling beskriver utvecklingen av en ny mätteknik som bygger på laserarksmetoden, men som gör det möjligt att undertrycka det oönskade multipelspridda ljuset. Minskandet av detta ljus, som orsakar både nonsenssignalerna och de suddiga konturerna, ger en ökad mätnoggrannhet. Metoden bygger på att ge laserarket en viss förutbestämd egenskap, som endast de direktspridda fotonerna kan bibehålla under sin färd genom mätobjektet. På så vis kan man med stor säkerhet avgöra vilka delar av bilden som innehåller relevant information.



Metoden, som kallas Structured Laser Illumination Planar Imaging (SLIPI), har huvudsakligen använts för att studera sprayer. Sprayer används inom många olika fält, men det kanske största användningsområdet är inom bil- och flygindustrin. Här används sprayer för att omvandla flytande bränsle till en brännbar gas. Denna process är ytterst komplicerad och ännu inte helt förstådd eftersom sprayer är svåra att undersöka. Anledningen till detta är att sprayer är optiskt grumliga, i och med att de utgörs av en icke-homogen samling droppar, som ger upphov till multipelspridning. Dessutom rör sig dessa olikstora droppar väldigt snabbt, vilket kräver att man belyser och detekterar det spridda ljuset under så kort tid som en miljondels sekund. Vanligtvis är detta inget problem eftersom standardlasersystem kan generera extremt korta laserpulser (i storleksordningen nanosekunder). Dock kräver SLIPI att man utför tre mätningar för att kunna undertrycka multipelspridningen, vilket försvårar situationen. I avhandlingsarbetet beskrivs bl.a. olika tillvägagångssätt för att lösa detta problem.



Ett annat vanligt problem som uppstår när man försöker mäta på ett grumligt medium är att ljusintensiteten snabbt avtar med avståndet p.g.a. spridning och/eller absorption. Detta gör att mediets alla delar inte belyses lika starkt. Föreställ dig exempelvis en spray som belyses med ett laserark, som består av 100 fotoner och som under sin färd genom sprayen interagerar med 100 identiska droppar. För enkelhetens skull säger vi att varje droppe sprider 1 % av den ljusintensitet som infaller mot den. Under dessa förhållanden kommer den första droppen således träffas av 100 fotoner, medan den sista droppen endast belyses med 37 fotoner. Med andra ord, trots att dropparna är identiska kommer signalen från dem skilja sig med en faktor 3, vilket kan medföra feltolkningar. Avhandlingen beskriver olika mätmetoder för att kompensera för denna förlust. Metoderna baseras i korta drag på att mäta mediets förmåga att dämpa ljus istället för dess förmåga att sprida ljus. Detta gör att varje enskild droppe i ovanstående exempel skulle få värdet 0.01, d.v.s. en procent. Härmed undviks feltolkningen som kan uppstå p.g.a. intensitetsförlusten.



Dessa metoder, inkluderande SLIPI, har tillämpats på ett flertal olika sprayer och resultaten har jämförts med laserarksmetoden. Resultaten är mycket lovande, både vad gäller mätnoggrannhet och reproducerbarhet. En stor fördel med SLIPI är även att tekniken kan kombineras med många andra sedan tidigare utvecklade mätmetoder.



SLIPI kan användas inom många olika områden men spraystudier är och kommer säkert förbli, den största tillämpningen för SLIPI. Med teknikens förmåga att undertrycka multipelspritt ljus, kan den användas för att undersöka tidigare outforskade delar av en spray och därmed bidra till ökad förståelse för hur sprayer fungerar. Utveckling av SLIPI är därför högst relevant för bil- och flygindustrin, där man ständigt strävar efter att förbättra och förfina sprayprocessen.