[发明专利]一种光谱吸收率分布获取方法及系统

说明书

本发明属于激光吸收光谱技术领域，公开了一种光谱吸收率分布获取方法及系统，所述光谱吸收率分布获取方法包括：利用基于自适应步长的光线追迹优化算法获取多路激光在强偏折场中的真实传输轨迹及偏折路径和偏折角在内的偏折特征参数；基于偏折特征参数对光谱吸收率投影矩阵及路径矩阵进行重排和修正，从而建立偏折路径下的光谱吸收率分布重建方程组；利用改进的同步迭代重建算法对所述重建方程组进行稳定优化求解，最终实现对强偏折燃烧场中光谱吸收率分布的高精度获取。本发明能够在保证求解精度的同时，降低计算复杂度，实现对强偏折燃烧场中光谱吸收率分布的高精度获取，在强偏折燃烧场精细化诊断中具有很好的应用潜力。

技术领域

本发明属于激光吸收光谱技术领域，尤其涉及一种光谱吸收率分布获取方法及系统。

背景技术

目前，发动机在我国的能源动力领域具有重要的战略地位，其研制水平直接体现了我国的国防实力和综合国力。发动机燃烧室在研制过程中会遇到一系列难题，其中热声耦合所引起的振荡燃烧问题是其中需要解决的关键性难题。对振荡燃烧中关键参数的精细化、低成本化诊断有助于深入探究振荡燃烧机理，进而有效控制振荡燃烧问题，降低发动机的研制成本并提高其安全可靠性。激光吸收光谱技术是测量燃烧过程参数的主要手段之一，它具有无需预处理、测量响应速度快、可多参数同时检测、不受微小颗粒影响、环境适应性强、系统简单以及成本低等优点，因此在燃烧诊断中获得了广泛的应用。通过将激光吸收光谱技术与层析成像技术相结合可以实现对被测区域内温度、组分浓度等参数的分布重建。因此，激光吸收光谱层析成像技术在振荡燃烧场精细化诊断中具有很好的发展潜力。

在激光吸收光谱层析成像技术中，光谱吸收率的分布重建是后续反演流场参数分布的必要前提。因此，如何基于多角度、多光路投影数据，实现流场内光谱吸收率分布的高精度重建是该技术研究中的关键问题。现有的吸收光谱层析成像技术研究中，主要采用的图像重建算法包括以Randon变换为基础的解析重建算法和以解方程为主的迭代重建算法。在上述重建算法中，无论是解析重建算法的推导，还是迭代重建算法中的投影信息转化，均使用了光线直进的假设，即投影的积分路径为直线。然而，在湍流燃烧过程中，气体膨胀比及湍流密度梯度的变化会引起燃烧场中折射率分布梯度的剧烈变化。在梯度折射率介质下，激光束将不再沿直线传输，而是发生随机偏折而沿曲线路径传输。在大多数湍流燃烧环境中，光线的偏折效应比较小，此时使用光路直进的假设是合理的，即重建过程中可以使用直线积分来代替曲线路径积分。前期很多的研究结果也充分证明，在该假设下进行的层析重建可以满足燃烧场诊断的精度要求。然而与发动机中常规的稳态燃烧状态相比，振荡燃烧过程中伴随着大幅度的压力、热量振荡以及极高的燃烧、传热速率，其火焰结构变化显著，流动及耦合机制更为复杂。因此，振荡燃烧状态下的随机湍动强度更大、非均匀性更强，同时还存在复杂的波传播过程。这使得振荡燃烧场中的折射率分布存在更为明显的梯度，最终引起随机强偏折效应。在强偏折效应下，光路直进的数学前提被物理强偏折效应破坏，重建过程中继续采用光路直进的近似会带来显著的重建误差。

目前激光吸收光谱技术中对光线偏折效应的研究主要集中于在激光接收端采取相应措施消除偏折所引起的光强畸变，却无法抑制光线偏折传输过程对层析成像的影响。有少数关于激光干涉层析成像及光偏折层析成像技术的研究中涉及到了强偏折环境下的层析成像修正问题，可为本项目的研究提供借鉴思路，但由于测量原理的差异，具体到激光吸收光谱层析重建时，还存在很多关键性技术难题。为了实现对振荡燃烧过程参数的可靠监测，有必要发展一种强偏折燃烧场中的高精度光谱吸收率分布重建方法，克服以往重建方法中光路直进假设在强偏折燃烧场中的重建误差，为振荡燃烧的精细化诊断提供技术支撑。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)在湍流燃烧过程中，气体膨胀比及湍流密度梯度的变化会引起燃烧场中折射率分布梯度的剧烈变化；在梯度折射率介质下，激光束将不再沿直线传输，而是发生随机偏折而沿曲线路径传输。

(2)与发动机中常规的稳态燃烧状态相比，振荡燃烧过程中伴随着大幅度的压力、热量振荡以及极高的燃烧、传热速率，其火焰结构变化显著，流动及耦合机制更为复杂。