[發(fā)明專利]一種基于低帶寬光電探測(cè)器的激光吸收光譜溫度測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011527319.1
• 申請(qǐng)日: 2020-12-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112729591B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐立軍;曹章;譚雨田;解恒;楊亞如
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01K11/00
• 分類號(hào): G01K11/00
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• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提出一種基于低帶寬光電探測(cè)器的激光吸收光譜溫度測(cè)量系統(tǒng)與方法，屬于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)領(lǐng)域，用于均勻溫度場(chǎng)的快速測(cè)量，該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)任意函數(shù)進(jìn)行逼近的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建低帶寬光電探測(cè)器測(cè)量信息與高帶寬光電探測(cè)器測(cè)量、解算獲得的光譜吸收面積之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成訓(xùn)練后，僅通過(guò)低帶寬光電探測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)溫度的快速測(cè)量。該方法降低了對(duì)探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集裝置的要求，并且具有較低計(jì)算復(fù)雜度，解算過(guò)程利于硬件實(shí)現(xiàn)，具有高實(shí)時(shí)性、高抗噪聲能力、低資源占用等優(yōu)勢(shì)，在溫度測(cè)量領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出一種基于低帶寬光電探測(cè)器的激光吸收光譜溫度測(cè)量方法，屬于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)領(lǐng)域，該方法用于激光吸收光譜法對(duì)均勻溫度場(chǎng)的快速測(cè)量。

(二)背景技術(shù)

非接觸式溫度測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國(guó)防軍事等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)溫度的精確監(jiān)測(cè)對(duì)于優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)、提高燃燒效率、降低燃燒過(guò)程污染排放等方面具有重要的意義，而非接觸式測(cè)量技術(shù)具有測(cè)溫上限高、不破壞流場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)接觸式測(cè)量技術(shù)具有更廣的應(yīng)用前景；為了實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)非接觸式精確監(jiān)測(cè)，科研人員提出了一系列測(cè)量方法，以光學(xué)測(cè)量方法為主，主要包括自發(fā)拉曼散射法、相干反斯托克斯拉曼散射法、激光誘導(dǎo)熒光法、激光吸收光譜法等。

自發(fā)拉曼散射法利用拉曼效應(yīng)，即激光從光源出射后照射被測(cè)區(qū)域，被照射的分子的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)發(fā)生變化，從初始態(tài)躍遷到中間態(tài)，并最后躍遷到終態(tài)并發(fā)射出光子，發(fā)射光子與光源頻率不同，發(fā)生的頻移稱為拉曼頻移。2014年，張振榮等人發(fā)表于《強(qiáng)激光與粒子束》26卷08期93-96頁(yè)(High Power Laser and Particle Beams)的論文《煤油燃燒場(chǎng)主要組分濃度測(cè)量》(Measurement of major species concentration inkerosene combustion)中，對(duì)不同燃燒條件下的煤油燃燒場(chǎng)進(jìn)行了診斷,獲得了貧油條件下煤油燃燒場(chǎng)主要組分(N₂,O₂,H₂O,CO₂等)的拉曼光譜,計(jì)算了組分摩爾分?jǐn)?shù)及其隨燃燒時(shí)間的變化規(guī)律。然而由于自發(fā)拉曼散射信號(hào)較弱，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的微弱信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，導(dǎo)致成本較高，且信號(hào)抗干擾能力較差；相干反斯托克斯拉曼散射法同樣基于拉曼效應(yīng)，由于其屬于高階極化效應(yīng)，散射光方向性較好，因此信號(hào)強(qiáng)度較高，不易受到環(huán)境擾動(dòng)的影響，抗干擾能力相較自發(fā)拉曼散射較強(qiáng)。1974年，Begley等人發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》第25卷7期387-390頁(yè)(Applied Physics Letters)的論文《相干反斯托克斯拉曼光譜》(Coherentanti-Stokes Raman spectroscopy)中，證明了對(duì)于低濃度，由于與強(qiáng)溶劑拉曼模式或三階背景信號(hào)的相干混合，密度平方信號(hào)的相關(guān)性變?yōu)榫€性。然而目前該技術(shù)利用到了皮秒激光器、納秒激光器等高性能激光器，帶來(lái)較為高昂的造價(jià)，限制了其應(yīng)用前景；激光誘導(dǎo)熒光法利用特定頻率的光源激發(fā)基團(tuán)或特定分子，該基團(tuán)或分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，并最終躍遷到終態(tài)并發(fā)射光子，稱為激光誘導(dǎo)熒光。2012年，Worth N A等人發(fā)表于《燃燒與火焰》第159卷3期1109-1126頁(yè)(Combust and Flame)的論文《帶有聲強(qiáng)迫和不帶聲強(qiáng)迫的兩個(gè)相互作用湍流預(yù)混火焰的攝影OH-PLIF測(cè)量》(Cinematographic OH-PLIF Measurementsof Two Interacting Turbulent Premixed Flames with and without AcousticForcing)中，驗(yàn)證了與單個(gè)軸對(duì)稱火焰相比，射流合并的發(fā)生和相鄰火焰之間的大規(guī)模相互作用導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)熱聲響應(yīng)的物理機(jī)制有所不同。激光誘導(dǎo)熒光需要利用高靈敏度面陣探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，因此該技術(shù)同樣造價(jià)昂貴，并且在壓力較高時(shí)還可能出現(xiàn)猝熄效應(yīng)影響測(cè)量；激光吸收光譜法基于比爾-朗伯特定律，始于二十世紀(jì)七十年代科研人員利用可調(diào)諧二極管激光器對(duì)激光吸收光譜開(kāi)展的測(cè)量，激光吸收光譜法是通過(guò)測(cè)量光源透射被測(cè)區(qū)域之后的光強(qiáng)衰減獲取被測(cè)組分溫度信息，相較上述其他方法，其原理簡(jiǎn)單，信號(hào)處理難度小，光強(qiáng)較強(qiáng)，對(duì)探測(cè)裝置性能要求相對(duì)較低，光源較為廉價(jià)，光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的工程適應(yīng)性，同時(shí)，具有精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。1973年，K.G.P.Sulzmann等人發(fā)表在《燃燒與火焰》第20卷2期177-191頁(yè)(Combust and Flame)的論文《使用可調(diào)諧激光器的線心吸收和導(dǎo)數(shù)光譜估計(jì)燃燒中間體和產(chǎn)物的可能檢測(cè)極限》(Estimates of possible detectionlimits for combustion intermediates and products with line-center absorptionand derivative spectroscopy using tunable lasers)中，通過(guò)激光吸收光譜法測(cè)量了多種燃燒中間體和產(chǎn)物的可能檢測(cè)極限。