[發明專利]一種基于雙光梳光譜的溫度場和濃度場測量系統和方法

在審

• 申請號: 202010045166.0
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111077110A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 徐立軍;張宏宇;曹章;蔡兆雨;陸方皞
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01;G01D21/02
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本發明提出一種基于雙光梳光譜的溫度場和濃度場測量系統和方法，系統包括同步模塊、兩個光學頻率梳、2×1光纖耦合器、光學帶通濾波器、1×8光開關、光電探測器、信號采集與處理模塊、激光發射裝置、探測器陣列；同步模塊提供工作時鐘；兩個光學頻率梳產生的飛秒脈沖經2×1光纖耦合器耦合，光學帶通濾波器濾波，由1×8光開關切換連接到光電探測器和激光發射裝置，光電探測器和探測器陣列上產生的雙光梳干涉信號由信號采集與處理模塊采集后提取吸收譜信息，計算不同譜線的積分吸收率，結合迭代重建算法獲得局部積分吸收率，計算得到溫度分布和濃度分布。本發明利用光頻梳的精密光譜分辨能力實現溫度場和濃度場的測量，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種基于雙光梳光譜的溫度場和濃度場測量系統和方法，屬于激光診斷技術領域，該系統用于待測區域內溫度、特定分子濃度的二維分布測量。

背景技術

作為一種響應快速、靈敏度高、抗干擾的非接觸式測量方法，基于激光吸收光譜的氣體參數測量技術近些年來得到了快速發展，被廣泛應用于燃燒診斷、大氣監測、工業現場等領域。

傳統的激光吸收光譜技術主要使用可調諧二極管激光吸收光譜技術(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)。TDLAS技術中使用的可調諧二極管激光器的波長掃描范圍有限，一般只能覆蓋一種待測氣體的一到兩個特征吸收峰。為了使用比色法對溫度進行準確的測量，一般依據測試溫度范圍選擇不少于兩個特征吸收峰，且其低能級能量應有較大的差異，在實際使用中一般使用多個激光器對多個吸收譜線進行掃描。比如，2011年李飛等人發表在《應用光學》(Applied Optics)第50卷第36期6697-6707頁的論文《使用可調諧二極管激光傳感器對超燃沖壓發動機多流動參數進行同時測量》(Simultaneous measurements of multiple flow parameters for scramjetcharacterization using tunable diode-laser sensors)中使用中心波數為7185cm^-1和7444cm^-1的兩個分布反饋式(Distributed Feedback，DFB)激光器測試了超燃沖壓發動機三個不同位置的氣流速度、溫度和H₂O濃度三個參數。為了測量多種組分的濃度，也需要選用多個二極管激光器。2009年，G.B.Rieker等人發表在《應用光學》(Applied Optics)第48卷第29期5546頁的論文《在惡劣的環境中使用無校準波長調制光譜測量氣體溫度和濃度》(Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy for measurements of gastemperature and concentration in harsh environments)在測試超燃沖壓發動機排氣口的溫度、CO₂、H₂O濃度的過程中使用了六個不同波段的DFB激光器，光柵分光后利用多個探測器接收不同波段的激光信號，增加了系統的復雜程度。除此之外，在利用TDLAS技術獲取吸收譜特征的過程中，一般需要使用標準具標定波長掃描/調制過程中的波長變化，標定吸收模型。為了獲得一定區域內溫度、組分濃度的分布，層析成像技術被引入激光吸收光譜技術領域，通過多角度多激光束的投影獲取氣體參數的二維分布。比如，2018年，C.Liu等人發表在《電器和電子工程師協會儀器與測量匯刊》(IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement)第67卷第6期第1338-1348頁的論文《基于TDLAS層析成像技術的旋流火焰橫截面在線監測》(Online Cross-Sectional Monitoring of a Swirling Flame UsingTDLAS Tomography)一文中使用H₂O的兩個特征譜線，利用五個角度60束激光的TDLAS層析成像系統，重建了旋轉火焰橫截面的溫度和H₂O濃度的二維分布，發現了呈現新月形的旋轉高溫區。