[发明专利]使用多模传输光纤的光信号噪声的减轻

说明书

技术领域

本发明针对燃烧过程的监测，尤其是针对一种设备和方法，用于减轻从与燃烧过程关联的可调谐二极管激光器吸收谱测量所产生的模式或斑点图样噪声。

背景技术

期望和需要精确地测量或控制燃烧性质，诸如组成的气体浓度和因各种碳氢化合物燃烧所产生的温度，在种种用于确保最佳燃烧条件的不同领域中日益显得重要。可调谐二极管激光器吸收谱（“TDLAS”）用于燃烧监测和控制，对烧煤锅炉和喷气发动机已经有大量专利申请描述，包含2004年10月21日公布的标题为“Method and Apparatus for the Monitoring and Control of Combustion”的WO 2004/090496、2005年11月3日公布的标题为“Optical Mode Noise Averaging Device”的WO 2005/103781、2009年5月14日公布的标题为“In Situ Optical Probe and Method”的WO 2009/061586、以及2007年8月2日公布的标题为“Method and Apparatus for Spectroscopic Measurements in the Combustion Zone of a Gas Turbine Engine”的WO 2007/087081，本文全文引用这些专利申请每一个中公开的所有主题的内容。各个被公开的燃烧监测设备和方法，描写通过或接近燃烧区或相关气体区的激光的传输和接收特征。激光光谱允许用户对测量区中的燃烧性质进行测量。TDLAS技术能够在现场实施并有许多优点，包含：适合用于动态过程控制的高速反馈和对周围环境的耐久性。

TDLAS通常用操作在近红外和中红外光谱区域的可调谐二极管激光器实施。TDLAS监测技术是基于激光被传输通过所关心的区域，并在表征燃烧产生的气体种类的特征的特定光谱带中被吸收之后被检测器接收的激光的定量和性质之间的预定关系。被检测器接收的吸收谱可以用于确定待分析的气体种类的量，外加有关的燃烧参数，诸如温度。然而，存在与TDLAS有关的技术困难。其中之一是，必需减轻由激光的传输和接收所产生的模式和斑点噪声。

一个关注的特定领域是喷气航空发动机中燃烧参数的测量。WO2007/087081描述发射和接收激光器信号以允许用户测量气体涡轮发动机中燃烧区下游温度的系统和方法。为了使必要的光学接入最小，从而使发动机壳体中孔的数量最小，也为了使光学探测器尽可能耐久，探测器的基础结构，要求从探测器发射的激光被反射离开测量区中的表面并返回探测器。在某些应用中，为使未对准的风险最小，该反射表面被处理以提供朗伯反射。这样的表面本文称为“朗伯表面”。例如，在那些探测器把光反射离开内部发动机表面，诸如内壳体、涡轮叶片或涡轮轴的例子中，该内部发动机表面可以用相对粗糙的、提供朗伯反射的热障涂层涂覆。朗伯反射在反射时使光散射。虽然朗伯反射能够大大降低可供检测的信号电平，但它也降低对准的灵敏度，因为光或多或少均等地被散射进∏立体弧度的半球。

除了降低信号电平之外，从朗伯表面的反射引起另外的关于测量的信噪比的困难。出现在反射/散射信号中的激光斑点噪声，导致从该激光接收的波长谱中的时变脉动波(time-dependent undulating wave)。结果使吸收谱与信号的适合非常困难并发生误差。在从朗伯（粗糙化）表面接收反射的情形中，该斑点噪声是种干涉现象，基本上与多模光纤内产生的模式噪声的因果关系相似。从朗伯表面反射的光，为了到达接收光学装置，要传播不同的距离。当第一路径上的光波与其他路径的那些光波干涉时，它引起高和低强度的起伏区域，在光谱中产生时变脉动波。这些波造成难以把由被监测气体关心的波长吸收从与斑点噪声关联的损耗区分开来。

本文公开的各个实施例意在克服上面讨论的一个或多个问题，或在TDLAS检测设备和方法中的其他模式噪声问题。

发明内容

第一个实施例包括一种设备，用于测量在气体涡轮发动机的测量区中的燃烧参数。该测量区被定义为在外壳体和该外壳体内部的有反射表面的发动机部件之间。该设备包括产生选定波长的传输光束的激光器和在光学上与该激光器耦合的多模传输光纤。一种传输光学装置光学上与用于把该光束传输进该测量区的多模光纤耦合。该反射表面被配置成提供朗伯反射。一种接收光学装置被定位用于接收该朗伯反射。操作上与该多模传输光纤关联的装置被提供，用于平均该多模传输光纤内传播的光的信号电平变化诱发的模式噪声。