基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的方法

摘要

本发明基于调制光谱技术，提供了一种实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的方法，该方法包括波长调制光谱测量步骤、波长调制光谱拟合步骤、非均匀流场中气体参数计算步骤。其具体内容是选择在被测温度范围内线强度随温度线性变化的吸收谱线；通过实验测得透射光强信号，获得实验测得的谐波信号；以积分吸光度、高斯线宽和洛伦兹线宽为自由变量，基于最小二乘方法拟合谱线的谐波信号；计算非均匀燃烧场中的气体参数。

说明书

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，是针对非均匀燃烧场气体参数定量测量开发的一种方法。

背景技术

针对燃烧场开始研究时，大部分的燃烧场都是非均匀的，非均匀流场中气体参数的定量测量对于分析燃烧效率以及研究燃烧过程具有十分重要的意义。热电偶、压力传感器等常用的测量手段具有明显的局限性，如侵入式测量干扰流场、容易产生激波、测量精度有限等。本发明涉及的波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy,WMS)技术属于光谱测量技术，能够在不干扰流场的情况下实现流场内气体参数的快速测量，在燃烧场诊断等领域具有广阔的应用前景。

WMS技术是利用吸收光谱信号实现气体参数的测量，在瞬态、强震动等恶劣环境中优势十分明显。利用WMS实现均匀燃烧场内气体参数的定量测量问题已经得到解决，但由于吸收光谱的光线积分效应，如何实现非均匀燃烧场内气体参数的定量测量成为了一个难题。

下述的文献也涉及到了燃烧场气体参数测量实现方法的相关内容。

1、美国斯坦福大学L.S.Chang,C.L.Strand等人(“Supersonic Mass-Flux Measurements via Tunable Diode Laser Absorption and Nonuniform Flow Modeling”，AIAA Journal,Vol.49,No.12,2011,pp.2783-2791.),发现了采用波长调制光谱测量时，边界层对测量结果影响很大，选择对边界层不敏感的谱线对，能够有效减少边界层的影响。

2、美国斯坦福大学Liu X，J.B.Jeffries等人(“Measurement of Non-uniform Temperature Distributions Using Line-of-Sight Absorption Spectroscopy”，AIAA Journal,Vol.45,No.2,2007,pp.411-419.),提出了采用多波长方法实现非均匀燃烧场气体参数的测量，研究了吸收谱线数目和温度区间长度对测量结果的影响。然而多波长方法的缺点十分明显，多波长方法主要有形状拟合法和温度分区法，形状拟合法需要根据经验预先给出流场内温度和组分浓度的分布形状，在实际中的应用十分有限而温度分区法只能获得温度和组分浓度沿光路的概率密度函数，无法获得在光路上的具体分布。

3、英国剑桥大学的Cai W和C.F.Kaminski等人(“Multiplexed absorption tomography with calibration-free wavelength modulation spectroscopy”，Applied Physics Letters,No.104,2014,pp.154106.),提出了基于波长调制光谱方法实现非均匀流场区域的二维重建研究。该方法将吸收光谱技术与图像重建技术相结合，能够实现气体的温度和组分浓度的二维分布测量。这种方法需要大量的探测和接收装置，才能保证重建结果质量，对测量系统的硬件设备要求较高。另外该方法以基于搜索的重建算法为核心，通过大量的数值仿真过程，才能获得较好的重建结果，具有空间分辨率低、计算周期长等显著缺点。

4、清华大学车璐等人(“Calibration-Free Wavelength Modulation For Gas Sensing In Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy”，Applied Physical B,No.117,2014,pp.1211–1219.)提出了基于免标定波长调制光谱方法的气体参数测量。分析了流场中气体压强和吸收分子组分浓度的定量测量过程。然而该方法只适用于均匀流场中，无法定量测量非均匀流场中气体参数。

本发明实现了非均匀燃烧场中气体参数的定量测量，突破了理论和技术上的难题，形成了一套切实可行的方法。

发明内容

本发明的目的是解决非均匀燃烧场中气体参数的定量测量问题，提出了一种基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的方法。从理论上分析了实现非均匀流场气体参数定量测量存在的问题及解决的方法并通过数值仿真验证了该方法的可能性。基于该方法能够实现非均匀燃烧场中气体参数的非侵入式定量测量，对于研究燃烧过程、提高燃烧效率以及减少污染物排放等意义重大。尤其在发动机流场诊断领域，利用该技术能够实现发动机内部流场的温度等参数的定量测量，为发动机的故障诊断提供可靠的依据。

本发明提供了一种基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的方法，包括：

步骤一、波长调制光谱测量步骤；

步骤二、波长调制光谱拟合步骤；

步骤三、非均匀流场中气体参数计算步骤；

其特征在于：

步骤一的波长调制光谱测量步骤包括：(1)预估非均匀流场中气体温度的变化范围，选择具有合适低跃迁态能级的两条谱线，使得所选谱线的线强度在该温度范围内具有随温度近似线性变化的特性；(2)通过实验测量所选谱线穿过非均匀流场后的透射光强信号随时间的变化；(3)创建数值锁相放大器，解调实验测得的透射光强信号，得到两条谱线的谐波信号；

步骤二的波长调制光谱拟合步骤包括：(1)计算非均匀流场中吸收谱线的积分吸光度A，高斯线宽Δv_D和洛伦兹线宽Δv_C的变化范围；(2)以积分吸光度A，高斯线宽Δv_D和洛伦兹线宽Δv_C为自变量，仿真所选谱线的透射光强信号随时间的变化；(3)创建数值锁相放大器，解调仿真的透射光强信号，得到仿真的谐波信号；(4)基于最小二乘方法拟合实验测得的谐波信号，获得两条谱线穿过非均匀流场后的积分吸光度A，高斯线宽Δv_D和洛伦兹线宽Δv_C；

步骤三的非均匀流场中气体参数计算步骤包括：(1)利用线性函数拟合气体温度变化范围内所选谱线的线强度随温度的变化；(2)利用两条谱线的积分吸光度A计算非均匀流场内的气体温度和吸收分子的分压。

本发明基于调制光谱方法，在简化数据处理的同时实现了非均匀燃烧场气体参数的定量测量，优点如下：

(1)解决了非均匀燃烧场气体参数定量测量问题；选择在温度变化范围内具有近似线性变化特性的线强度的吸收谱线开展测量，简化了谱线的线强度随温度的变化趋势，结合实验和仿真的谐波信号，通过光谱拟合法实现了气体参数的定量测量。

(2)开发了基于最小二乘方法实现谐波信号拟合的方法；以积分吸光度A，高斯线宽Δv_D和洛伦兹线宽Δv_C为自变量，实现了基于最小二乘方法实现谐波信号拟合的方法。

附图说明

图1为本发明的基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的流程图；

图2为本发明的实验测得的透射光强信号随时间的变化；

图3为本发明的基于最小二乘方法的拟合谐波信号流程图；

图4为本发明的仿真和实验测得的谐波信号对比图；

图5为本发明的所选谱线的线强度随温度线性变化的示意图；

具体实施方案

结合附图和实施案例对本发明的基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的实现方法作进一步详细描述。图1给出了本发明的基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的流程图。

本发明的实现方案如下：本发明方法分三个步骤，即波长调制光谱测量步骤、波长调制光谱拟合步骤、非均匀流场中气体参数计算步骤；

本发明基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的实现方法，实施步骤如下：

步骤一、波长调制光谱测量步骤

基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的实施方法第一步，是波长调制光谱测量步骤，共分为3个任务，实施方案如下：

①、选择合适的吸收谱线

预估被测流场的气体温度变化范围，根据谱线的低跃迁态能级选择两条在该温度变化范围内具有线性变化特性的谱线。

②、采集波长调制光谱测量信号

调节激光器的电流和温度，使得激光波长在所选两条谱线附近。激光器输出的光经合束器后变成一束光。激光穿过非均匀流场后由探测器接收，而后读取探测到的光电信号。该信号是经过非均匀燃烧场的透射光强信号，在吸收谱线中心频率附近产生了吸收，可作为了实验测得的调制光谱信号。实验测得的透射光强信号随时间的变化如图2所示。

③、解调调制光谱信号

利用锁相放大技术解调实验测得的透射光强信号，获得所选谱线谐波信号。两条谱线的调制频率不同，锁相放大时通过调制频率区别两条谱线的谐波信号。

步骤二、波长调制光谱拟合步骤

①、计算谱线积分吸光度的变化范围

根据预估的燃烧场气体温度、压强和吸收分子组分浓度的变化范围，计算所选谱线的积分吸光度A的变化范围，计算公式为

A＝PXS(T)L(1)

式中，P为气体压强，X为吸收分子的组分浓度，S(T)为吸收谱线的线强度，L为吸收光程。

②、计算谱线高斯线宽和洛伦兹线宽的变化范围

根据流场内气体参数(温度、气体压力和吸收分子组分浓度)变化范围，计算所选谱线高斯线宽Δv_D和洛伦兹线宽Δv_C的变化范围，计算公式为

式中，v₀是谱线的中心频率，M是吸收分子的摩尔质量，γ_i(T₀)是谱线的展宽系数，T₀是参考温度，n_i是相应的温度指数。

③、最小二乘方法拟合谐波信号

谱线的谐波信号是关于谱线积分吸光度A，高斯线宽Δv_D和洛伦兹线宽Δv_C的函数，以实验测得的谱线的谐波信号为基准，采用最小二乘方法拟合实验测得的谐波信号，获得所选谱线的积分吸光度A，高斯线宽Δv_D和洛伦兹线宽Δv_C。

最小二乘拟合步骤为：将积分吸光度A，高斯线宽Δv_D和洛伦兹线宽Δv_C的变化范围离散成若干个点，以这三个变量变化范围内的离散点为自由变量，仿真基于不同离散点的所选谱线的所有谐波信号，计算所有谐波信号与实验测得的谐波信号所有点的平方差之和(SSE)，判断是否满足条件(SSE≤ε，ε为很小的数，可设为0.01)，满足，拟合结束，获得A，Δv_D和Δv_C，不满足，更新A，Δv_D和Δv_C，重新拟合直至满足收敛条件。基于最小二乘方法的拟合谐波信号流程见图3。仿真和实验测得的谐波信号对比图见图4。

步骤三、非均匀流场中气体参数计算步骤；

①拟合温度变化范围内所选谱线的线强度随温度的变化

所选谱线的线强度在温度变化范围内具有随温度线性变化的特性，所选谱线的线强度随温度线性变化的示意图见图5。利用线性函数拟合谱线的线强度在该温度范围内的变化特性，拟合公式为

S₁(T)＝m₁T+b₁，S₂(T)＝m₂T+b₂(3)

式中，S₁(T)和S₂(T)分别为拟合后两条谱线的线强度，m₁、b₁、m₂和b₂分别为常数，可通过线性拟合获得。

②、计算计算非均匀流场内的气体温度和吸收分子的分压。

利用最小二乘方法获得的两条谱线穿过非均匀流场的积分吸光度(A₁和A₂)计算非均匀流场内的气体温度，计算公式为

式中，温度T的物理含义是吸收分子分压权重的温度积分平均值，其表达式为

利用计算获得的气体温度T，可计算吸收分子的分压，计算公式为

式中，分压P_L的物理含义是光路上吸收分子分压的平均值。