[发明专利]一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法

说明书

本发明提出一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，系统包括同步模块、两个光学频率梳、2×1光纤耦合器、光学带通滤波器、1×8光开关、光电探测器、信号采集与处理模块、激光发射装置、探测器阵列；同步模块提供工作时钟；两个光学频率梳产生的飞秒脉冲经2×1光纤耦合器耦合，光学带通滤波器滤波，由1×8光开关切换连接到光电探测器和激光发射装置，光电探测器和探测器阵列上产生的双光梳干涉信号由信号采集与处理模块采集后提取吸收谱信息，计算不同谱线的积分吸收率，结合迭代重建算法获得局部积分吸收率，计算得到温度分布和浓度分布。本发明利用光频梳的精密光谱分辨能力实现温度场和浓度场的测量，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，属于激光诊断技术领域，该系统用于待测区域内温度、特定分子浓度的二维分布测量。

背景技术

作为一种响应快速、灵敏度高、抗干扰的非接触式测量方法，基于激光吸收光谱的气体参数测量技术近些年来得到了快速发展，被广泛应用于燃烧诊断、大气监测、工业现场等领域。

传统的激光吸收光谱技术主要使用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)。TDLAS技术中使用的可调谐二极管激光器的波长扫描范围有限，一般只能覆盖一种待测气体的一到两个特征吸收峰。为了使用比色法对温度进行准确的测量，一般依据测试温度范围选择不少于两个特征吸收峰，且其低能级能量应有较大的差异，在实际使用中一般使用多个激光器对多个吸收谱线进行扫描。比如，2011年李飞等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第50卷第36期6697-6707页的论文《使用可调谐二极管激光传感器对超燃冲压发动机多流动参数进行同时测量》(Simultaneous measurements of multiple flow parameters for scramjetcharacterization using tunable diode-laser sensors)中使用中心波数为7185cm^-1和7444cm^-1的两个分布反馈式(Distributed Feedback，DFB)激光器测试了超燃冲压发动机三个不同位置的气流速度、温度和H₂O浓度三个参数。为了测量多种组分的浓度，也需要选用多个二极管激光器。2009年，G.B.Rieker等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第48卷第29期5546页的论文《在恶劣的环境中使用无校准波长调制光谱测量气体温度和浓度》(Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy for measurements of gastemperature and concentration in harsh environments)在测试超燃冲压发动机排气口的温度、CO₂、H₂O浓度的过程中使用了六个不同波段的DFB激光器，光栅分光后利用多个探测器接收不同波段的激光信号，增加了系统的复杂程度。除此之外，在利用TDLAS技术获取吸收谱特征的过程中，一般需要使用标准具标定波长扫描/调制过程中的波长变化，标定吸收模型。为了获得一定区域内温度、组分浓度的分布，层析成像技术被引入激光吸收光谱技术领域，通过多角度多激光束的投影获取气体参数的二维分布。比如，2018年，C.Liu等人发表在《电器和电子工程师协会仪器与测量汇刊》(IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement)第67卷第6期第1338-1348页的论文《基于TDLAS层析成像技术的旋流火焰横截面在线监测》(Online Cross-Sectional Monitoring of a Swirling Flame UsingTDLAS Tomography)一文中使用H₂O的两个特征谱线，利用五个角度60束激光的TDLAS层析成像系统，重建了旋转火焰横截面的温度和H₂O浓度的二维分布，发现了呈现新月形的旋转高温区。