[發明專利]一種基于神經網絡和激光吸收光譜的路徑溫度直方圖測量系統與方法

在審

• 申請號: 201811523212.2
• 申請日: 2018-12-13
• 公開（公告）號: CN109556731A
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 徐立軍;曹章;郭宇東;邱爽
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種基于神經網絡和激光吸收光譜的路徑溫度直方圖測量系統與方法，測量系統包括可調諧二極管激光器、激光器控制器、光纖分束器、準直鏡、光電探測器、標準具、數據采集卡和計算機等。測量方法包括以下步驟：利用數據庫計算隨機溫度分布下的理論激光吸收譜；用不同溫度下吸收譜的兩兩組合對理論激光吸收譜進行最佳平方逼近；以逼近結果為輸入，對應的溫度分布為輸出，訓練神經網絡；測量吸收路徑上的激光吸收光譜，用待求溫度下激光吸收光譜的兩兩組合進行逼近，將逼近結果代入訓練得到的神經網絡，求出溫度分布直方圖。該方法提高了溫度分布直方圖測量的準確性與適應性，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種基于神經網絡和激光吸收光譜的路徑溫度直方圖測量系統與方法，屬于可調諧二極管激光吸收光譜技術領域。該方法用仿真數據訓練神經網絡，用于實現吸收路徑上溫度分布直方圖的測量。

背景技術

激光吸收光譜測量技術的氣體參數方法得益于其高速、非侵入和測量精確的特點而成為燃燒氣體溫度測量的重要方法。直接吸收法(Direct absorption spectroscopy，DAS)能夠直接測得激光吸收光譜的全貌，是最常用的實現方法。2010年Bolshov M.A.等人發表在《應用物理B》(Applied Physics B)100卷2期，第397-407頁的論文《用可調諧二極管激光吸收譜技術測定高溫區內溫度與水蒸氣濃度》(Measurem ents of the temperatureand water vapor concentration in a hot zone by tunable diode laser absorptionspectrometry)中敘述了直接吸收法的典型過程，激光器輸出波長在一個周期內連續變化，掃描過整個波段，從而得到吸收譜。

從吸收光譜中獲取吸收路徑上的溫度直方圖，需要建立溫度分布與吸收面積之間的方程組進行求解。2001年Sanders S.T.等人發表在《應用光學》(Applied Optics)40卷24期，第4404-4415頁上的論文《測量單光路上氣體溫度分布的二極管激光吸收傳感器》(Diode-Laser Absorption Sensor for Line-of-Sight Gas TemperatureDistributions)在200-700K的范圍內，建立了16條氧氣譜線的吸收面積與溫度概率分布的方程，從而求解吸收路徑上的溫度直方圖。中國發明專利“基于單光路多光譜的氣體溫度概率密度分布擬合重建方法”(專利號：201710469033.4)根據多條吸收譜線強度和對應吸收率積分測量數據構建積分方程組求解溫度分布直方圖。

基于吸收面積測量的方程組可以求解溫度分布直方圖，但是這樣的方程組在溫度分布較為復雜，未知數較多時有一定的病態性，難以得到可靠的結果。2007年Liu X.等人發表在《美國航空與航天協會期刊》(AIAA Journal)，45卷2期，第411-419頁的論文《用單光路吸收光譜測量非均勻溫度分布》(Measurement of Non-Uniform TemperatureDistributions Using Line-of-Sight Absorption Spectroscopy)提出了溫度離散化和溫度分布擬合方法，以降低溫度比例作為未知數的數量。但是前者對溫度的劃分比較粗略，所得結果不能完全反映吸收路徑上溫度分布的情況，僅在雙溫度吸收路徑上驗證了有效性；后者需要預先知道吸收路徑上溫度分布的形式，這在實際情況中很難做到。另一種降低方程病態性的方法是增加譜線的數量，如文章《測量單光路上氣體溫度分布的二極管激光吸收傳感器》(Diode-Laser Absorption Sensor for Line-of-Sight Gas TemperatureDistributions)即采用16條譜線進行計算。這種方法能提供更多的方程數量，但是顯著增加了測量系統與算法的復雜性。