[发明专利]一种基于激光吸收光谱层析成像技术的气流三维速度分布测量方法

摘要

本发明提供一种基于激光吸收光谱层析成像技术的气流三维速度分布测量方法，分为以下步骤：1.获取多个不同角度的激光吸收光谱投影数据；2.将所述被测区域离散化并计算层析成像的灵敏度矩阵；3.根据激光吸收光谱多普勒频移原理及所述不同角度的激光吸收光谱投影数据建立方程组；4.求解所述非线性方程组获得三维速度分布。本发明提出的方法可以通过非接触的方式测量和重建气流的三维速度分布，适用性强、可靠性高，有非常广泛的应用前景。

主权项

1.一种基于激光吸收光谱层析成像技术的气流三维速度分布测量方法：步骤1，获取多个不同角度的激光吸收光谱投影数据：选择气流当中一种已知气体分子的一条吸收谱线，利用与所述气体分子吸收谱线相对应且频率为ν的激光束，从不同的角度分别穿过所述气流流过的三维被测区域，所述气体分子与所述激光束相互作用产生了所述气体分子吸收谱线对应的激光吸收光谱投影数据，假设所述不同角度的激光束共有M条，并以标号m区别所述不同角度的激光束，将所述第m条激光束产生的投影数据记为τm(ν)；步骤2，将所述被测区域离散化并计算层析成像的灵敏度矩阵：根据层析成像的分辨率要求，将所述三维被测区域离散地划分为N个不同网格，并以标号n区分所述不同网格，根据所述不同角度激光束与所述网格的几何关系，可以计算所述第m条激光束穿过所述第n个网格的光程lmn，根据所述网格中所述气流的温度Tn、压力Pn、组分浓度Xn等状态参数并结合所述光程，可计算所述第m条激光束穿过所述第n个网格对应的灵敏度矩阵分量Amn，计算公式为：Amn＝lmn×Pn×Xn×S(Tn),  (1)其中，S(T)是所述气体分子吸收谱线对应的线强度函数，将所述灵敏度矩阵分量按照标号m、n依次排列，可获得层析成像的灵敏度矩阵：A＝[Amn]M×N；  (2)步骤3，根据激光吸收光谱多普勒频移原理及所述不同角度的激光吸收光谱投影数据建立方程组：在所述三维被测区域所在的平面上建立空间直角坐标系O‑xyz，所述第m条激光束的方向向量可以表示为：假设所述气流在所述第n个网格中对应于所述平面直角坐标系的x、y、z方向速度分量分别是和则所述气流在所述第n个网格中使所述第m条激光束产生的激光吸收光谱多普勒频移为：其中，νC是所述气体分子吸收谱线的中心频率，c是光速；假设所述第n个网格中由其他因素引起的频移为Δνn，所述吸收谱线因所述第m条激光束穿过所述第n个网格而产生的线型函数为：其中，σ_n、γ_n是所述线型函数的两个未知参数，所述线型函数的数学形式为：假设在实际测量中有J个不同频率的测量点，并以标号j区别所述不同频率的测量点，那么所述吸收谱线因所述第m条激光束穿过所述第n个网格而产生的线型函数在第j个频率测量点νj上的线型函数值为：根据激光吸收光谱技术的基本原理，所述吸收谱线因所述第m条激光束在所述第j个频率测量点νj上的投影值为：以Δν_n、σ_n、γ_n为未知数，利用(8)式所述的定量关系，可建立如下形式的非线性方程组：步骤4，求解所述非线性方程组获得三维速度分布：所述非线性方程组(9)有J×M个非线性方程，可以利用数值方法求解，将所述非线性方程组(9)化为如下等价的非线性最优化问题求解：其中，是在求解所述非线性最优化问题(10)迭代过程中得到的所述第m条激光束穿过所述第n个网格而产生的线型函数在第j个频率测量点ν_j上线型函数值的计算值，如果采用全局最优化算法，用于计算的未知变量将逐步收敛到所述非线性方程组(9)的解，其中包括所述速度分布的三个分量将所述速度分量合成为矢量，即可得到所述气流在所述三维速度分布。