[发明专利]一种基于神经网络和激光吸收光谱的路径温度直方图测量系统与方法

说明书

本发明提出一种基于神经网络和激光吸收光谱的路径温度直方图测量系统与方法，测量系统包括可调谐二极管激光器、激光器控制器、光纤分束器、准直镜、光电探测器、标准具、数据采集卡和计算机等。测量方法包括以下步骤：利用数据库计算随机温度分布下的理论激光吸收谱；用不同温度下吸收谱的两两组合对理论激光吸收谱进行最佳平方逼近；以逼近结果为输入，对应的温度分布为输出，训练神经网络；测量吸收路径上的激光吸收光谱，用待求温度下激光吸收光谱的两两组合进行逼近，将逼近结果代入训练得到的神经网络，求出温度分布直方图。该方法提高了温度分布直方图测量的准确性与适应性，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于神经网络和激光吸收光谱的路径温度直方图测量系统与方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域。该方法用仿真数据训练神经网络，用于实现吸收路径上温度分布直方图的测量。

背景技术

激光吸收光谱测量技术的气体参数方法得益于其高速、非侵入和测量精确的特点而成为燃烧气体温度测量的重要方法。直接吸收法(Direct absorption spectroscopy，DAS)能够直接测得激光吸收光谱的全貌，是最常用的实现方法。2010年Bolshov M.A.等人发表在《应用物理B》(Applied Physics B)100卷2期，第397-407页的论文《用可调谐二极管激光吸收谱技术测定高温区内温度与水蒸气浓度》(Measurem ents of the temperatureand water vapor concentration in a hot zone by tunable diode laser absorptionspectrometry)中叙述了直接吸收法的典型过程，激光器输出波长在一个周期内连续变化，扫描过整个波段，从而得到吸收谱。

从吸收光谱中获取吸收路径上的温度直方图，需要建立温度分布与吸收面积之间的方程组进行求解。2001年Sanders S.T.等人发表在《应用光学》(Applied Optics)40卷24期，第4404-4415页上的论文《测量单光路上气体温度分布的二极管激光吸收传感器》(Diode-Laser Absorption Sensor for Line-of-Sight Gas TemperatureDistributions)在200-700K的范围内，建立了16条氧气谱线的吸收面积与温度概率分布的方程，从而求解吸收路径上的温度直方图。中国发明专利“基于单光路多光谱的气体温度概率密度分布拟合重建方法”(专利号：201710469033.4)根据多条吸收谱线强度和对应吸收率积分测量数据构建积分方程组求解温度分布直方图。

基于吸收面积测量的方程组可以求解温度分布直方图，但是这样的方程组在温度分布较为复杂，未知数较多时有一定的病态性，难以得到可靠的结果。2007年Liu X.等人发表在《美国航空与航天协会期刊》(AIAA Journal)，45卷2期，第411-419页的论文《用单光路吸收光谱测量非均匀温度分布》(Measurement of Non-Uniform TemperatureDistributions Using Line-of-Sight Absorption Spectroscopy)提出了温度离散化和温度分布拟合方法，以降低温度比例作为未知数的数量。但是前者对温度的划分比较粗略，所得结果不能完全反映吸收路径上温度分布的情况，仅在双温度吸收路径上验证了有效性；后者需要预先知道吸收路径上温度分布的形式，这在实际情况中很难做到。另一种降低方程病态性的方法是增加谱线的数量，如文章《测量单光路上气体温度分布的二极管激光吸收传感器》(Diode-Laser Absorption Sensor for Line-of-Sight Gas TemperatureDistributions)即采用16条谱线进行计算。这种方法能提供更多的方程数量，但是显著增加了测量系统与算法的复杂性。