一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法

摘要

本发明公开了一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时检测的方法，属于激光吸收光谱技术领域。该方法通过在待测高温区域布置激光阵列，对待测区域进行超光谱扫描，利用水蒸气特征谱线的光谱吸收来进行区域温度场和水蒸气浓度场的测量，同时利用其他气体的特征光谱吸收，来进行气体浓度场分布的测量。测量中对待测区域进行网格离散化，通过在网格各行、各列分别布置激光束，对待测气体的特征谱线进行宽光谱扫描，利用扫描得到的光谱吸收率借助智能寻优算法实现对温度场、气体组分浓度场的反演。

主权项

一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时检测的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：步骤一、根据气体组分浓度和温度的空间分辨率要求，对待测二维区域进行网格离散化，划分成M×N的网格，每个网格分别对应一个温度和浓度待测值，总的待测值数目为2×M×N；步骤二、根据上述待测值的数目，从HITRAN数据库中选择I条相应气体的特征吸收谱线，其中并提取各谱线的中心波长λ₀、参考温度下线强度S(T₀)、跃迁低态能级E″、分子配分函数Q(T)的系数[a,b,c,d]；步骤三、由主时钟控制函数发生器产生周期性的高频驱动信号，加载到由傅里叶域锁模激光器组成的激光器系统上，以调制激光器的输出频率，激光器系统产生的激光束通过单模光纤传输，经复用器输出M+N+2个信道的激光束，其中M条激光束实现对待测区域每行进行扫描，N条激光束对待测区域每列进行扫描，经气体吸收后由光电探测器可得到相应的M个行透射光强，记为I_i,r和N个列投射光强，记为I_j,r，从复用器发出的另外两条激光束，其中一条激光束直接进入光电探测器用来记录参考光强I₀，另一条激光束耦合到马赫‑曾德尔干涉仪来监视波长扫描；步骤四、将采集得到的行透射光强I_i,r和列透射光强I_j,r(r＝1,2…,I)代入下式：$p_{i,r}=-ln\frac{I_{i,r}}{I_0}i=1,2,...,M;r=1,2,...,I---\left(1\right)$$p_{j,r}=-ln\frac{I_{j,r}}{I_0}j=1,2...,N;r=1,2,...,I---\left(2\right)$其中，I₀为参考光强，p_i,r为第r条谱线下，第i行的吸收率；p_j,r为第r条谱线下，第j列的吸收率；步骤五、建立待测区域的温度场T、气体浓度场X的M×N×2个方程：$\begin{array}{cc}{A}_{i,r}=P\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{I}{\Sigma }}S(T_{i,j},{\lambda }_r)·X_{i,j}·\phi ({\lambda }_k-{\lambda }_r)·\Delta l& i=1,2...,M;r=1,2...,I\end{array}---\left(3\right)$$\begin{array}{cc}{A}_{j,r}=P\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{I}{\Sigma }}S(T_{i,j},{\lambda }_r)·X_{i,j}·\phi ({\lambda }_k-{\lambda }_r)·\Delta d& j=1,2...,N;r=1,2...,I\end{array}---\left(4\right)$其中，A_i,r为第r条谱线下第i行的吸收率计算值；A_j,r为第r条谱线下第j列的吸收率计算值，P为气体压力，S(T_i,j,λ_r)为线强在波长为λ_r、温度为T_i,j时的值，X_i,j为气体摩尔分数，φ(λ_k‑λ_r)为第r条谱线的线型函数在波长λ_k处的值，Δl、Δd分别为网格的行间距和列间距；步骤六、利用智能寻优算法以下式(5)表示的相对误差函数为目标函数进行寻优计算：设定一精度值，当目标函数值小于该精度值时计算收敛，即可求得待测区域温度场T、浓度场X的分布：$D(T^{rec},X^{rec})=\underset{k=1}{\overset{I}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{{(A_{i,r}-p_{i,r})}^2}{{A_{i,r}}^2}+\underset{k=1}{\overset{I}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{(A_{j,r}-p_{j,r})}^2}{{A_{j,r}}^2}---\left(5\right)$其中，T^rec、X^rec为算法重建出的温度场、浓度场，D(T^rec,T^rec)表示由温度场、浓度场计算值得到吸收率值和实际测量值之间的相对误差。