[发明专利]一种同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法

摘要

本发明公开了一种结合超光谱与波长调制来同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法，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，获得水蒸气吸收谱线信息，并使用数字锁相技术解调得到其各次谐波信号，然后对其进行扣除背景的一次谐波归一化处理，提取信号的最大幅值，来进行区域温度场和水蒸气浓度场的测量，测量过程中，需要对待测区域进行网格离散化处理，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波长调制方式下的宽光谱扫描，借助智能寻优算法实现对温度场、气体浓度场的反演。本发明的测量方法结合了超光谱与波长调制光谱技术，特别适用于在恶劣的工业现场实现高温气体二维温度场和浓度场的监测。

主权项

1.一种同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法，其特征在于，包括如下操作步骤：步骤一，测量信号的采集：首先，待测二维区域的形状为L×D的矩形区域，根据待测二维区域的形状和大小，同时结合温度、气体组分浓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；其次，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，其中并提取各谱线在参考温度下线强度S(T₀)、跃迁低态能级E″、分子配分函数Q(T)的系数[a，b，c，d]，第r条特征吸收谱线的中心波长记为λ_r；其中，r取值为1～I中的整数；然后，由主时钟控制函数发生器产生周期性的低频扫描信号，同时叠加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；最后，使用激光穿过用氮气吹扫的待测区域，得到M个行背景光强，记为I₀(i)，得到N个列背景光强，记为I₀(j)，然后将调制后的激光穿过待测高温区域，经气体吸收后的激光由光电探测器检测到相应的M个行透射光强，记为I_t(i)，N个列透射光强，记为I_t(j)，数据采集卡对光电探测器输出信号进行采集，并将实验数据保存在计算机以便进行后期处理；其中，i取值为1～M中的整数，j取值为1～N中的整数；步骤二，测量信号处理，获取测量信号峰值：经过数字锁相、低通滤波过程处理测量的背景光强、透射光强，并对其进行扣除背景的一次谐波归一化处理，提取测量谐波信号在第r条特征吸收谱线处的峰值，记为p_i，r、p_j，r；步骤三，仿真信号处理，获取仿真信号峰值：假设待测区域初始温度场、浓度场分布，计算得到仿真的透射光强，并对仿真透射光强进行参数设置相同的数字锁相、低通滤波过程，得到仿真的扣除背景后经一次谐波归一化的二次谐波信号，提取仿真谐波信号在第r条特征吸收谱线处的峰值，记为K_i，r、K_j，r；步骤四，二维瞬态温度场、浓度场的求解：使用测量信号峰值p_i，r、p_j，r与仿真信号峰值K_i，r、K_j，r之间的相对偏差作为目标函数进行迭代寻优计算，迭代直至目标函数收敛为止，其目标函数如下：式中，X、T为迭代计算出的浓度场、温度场，D(X，T)为实际测量信号峰值p_i，r、p_j，r与仿真信号峰值K_i，r、K_j，r之间的偏差；其中，所述步骤二的具体处理步骤为：首先使用数字锁相技术处理背景光强I₀(i)、I₀(j)和实际测量的透射光强I_t(i)、I_t(j)，分别得到信号第i行、第j列处n次谐波的x分量和y分量展开式，展开式如式(2)所示，其中，n取值为1或2：其次，经低通滤波器提取各信号的谐波分量，如式(3)所示：得到的第i行、第j列处背景光强信号和透射光强信号的幅值，可以分别表示为式(4)：最后，对得到的第i行和第j列谐波信号，分别进行扣除背景的一次谐波归一化处理，得到：记S_2f/1f(i)、S_2f/1f(j)在第r条特征吸收谱线处的信号分别为S_2f/1f(i，λ_r)、S_2f/1f(j，λ_r)，其中，r取值为1～I中的整数，然后分别提取各条谱线扣除背景的一次谐波归一化的二次谐波信号的峰值，记为p_i，r、p_j，r：其中，所述步骤三的具体处理步骤为：首先，采用各行、各列网格的待测温度、气体浓度离散值，结合Beer‑Lambert定律，对于第r条激光，其中，r取值为1～I中的整数，穿过待测区域得到的气体吸光度为：式中，α(i，r)是第r条谱线下第i行的吸光度，α(j，r)是第r条谱线下第j列的吸光度，P为气体压力，X_i，j为第i行第j列单元格内的水蒸气组分浓度，S(T_i，j，λ_r)为线强在波长为λ_r、温度为T_i，j时的值，φ(λ_k‑λ_r)为谱线λ_r所对应的线型函数在波长λ_k处的值，根据测量环境中的温度、压力条件从Gauss线型、Lorentz线型和Voigt线型中选择其中一种，Δd＝D/M、Δl＝L/N分别为行间距和列间距；其次，结合气体吸光度与无吸收条件下实际测量的背景光强获取各行各列的仿真行透射光强^sI_t(i)、列透射光强^sI_t(j)：再使用数字锁相技术处理仿真透射光强^sI_t(i)、^sI_t(j)，得到该信号在第i行、第j列处n次谐波的x分量和y分量展开式，n取值为1或2：然后，经低通滤波器提取各信号的谐波分量：第i行、第j列处仿真透射光强信号的幅值可以表示为式(14)：式中，f_m是调制频率，^sR_nf(i)是第i行透射谐波信号、^sR_nf(j)是第j列透射谐波信号；最后，对仿真得到的谐波信号进行扣除背景的一次谐波归一化处理，得到下式：记^sS_2f/1f(i)、^sS_2f/1f(j)在第r条特征吸收谱线处的信号为^sS_2f/1f(i，λ_r)、^sS_2f/1f(j，λ_r)，其中，r取值为1～I中的整数，然后分别提取各条谱线扣除背景的一次谐波归一化二次谐波信号的峰值，记为K_i，r、K_j，r：