[发明专利]一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统

权利要求书

1.一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统，其特征在于，该系统包括激光光源模块、分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频及电路处理模块和信号采集与分析模块，所述激光光源模块包括两台脉冲激光器和两台连续激光器；燃烧场测量光路指待测燃烧场；干涉信号探测模块包括耦合器和光电探测器；光学拍频及电路处理模块包括数台光学耦合器、数台光学滤波器、数台光学探测器、数台电学滤波器、数台电学移频器、数台电学混频器、数台电学功分器及电学倍频器；信号采集与分析模块包括数据采集卡和计算机；其中：

所述两台脉冲激光器分别发射两束光脉冲，两束光脉冲的波段均覆盖至待测气体组分的分子吸收谱线范围；首先，一束光脉冲经过分束装置之后进入待测燃烧场，存在于待测燃烧场中的各气体组分将会吸收与其吸收光谱对应波段的激光脉冲；之后，这束光脉冲从所述燃烧场出来，与另一束光脉冲一起进入耦合器进行拍频，拍频之后进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号输出；连续激光器的输出光进入光学拍频及电路处理模块，在该模块内部与两个脉冲激光器的输出光进行分别拍频，形成电路拍频信号，最终输出一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号；将干涉信号探测模块输出的电信号与自适应补偿信号输入至混频器，通过混频消除两台脉冲激光器的相对载波包络相位偏移抖动以及相对重复频率抖动，然后送入信号采集与分析模块，信号采集与分析模块以异步采样时钟作为触发时钟，对混频后的信号进行采集，获得稳定的时域干涉图形，再通过快速傅里叶变换得到待测组分的吸收光谱信号，接着对吸收光谱信号分别进行基线拟合、背景扣除、峰值积分处理得到目标吸收谱线的积分吸光度，最后根据双线测温法计算得到燃烧气体的温度、利用单线吸光度进行反演得到燃烧气体组分浓度；

其中，当频率为v的激光穿过待测区域的气体组分后，会被均匀的气体组分分子吸收；设光路上的积分吸光度为A：

A_v为气体的吸光度；I和I_o分别是透过待测区域前后的激光光强度；P为气体的压强；X为气体吸收组分的摩尔分数；T为气体温度；L为激光在待测区域中的传输长度；S(T)表示在温度T时对应的吸收谱线强度，其计算公式如下：

T₀为参考温度，Q(T)表示目标吸收组分在温度T下的配分函数，h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常数；c为光速；E”为低态能级值；v_i是吸收谱线的中心频率；

在双线测温法中，选取同一吸收组分的两根吸收谱线，将两根吸收谱线的线强做比值，得到两根不同吸收谱线强度的比值R为：

A₁和A₂分别为两根吸收谱线对应的积分吸光度；E₁”和E₂”分别为两根吸收谱线对应的低态能级值；S₁(T)和S₂(T)分别为两根吸收谱线在温度T时对应的谱线强度；S₁(T₀)和S₂(T₀)分别为两根吸收谱线在参考温度T₀时对应的谱线强度；h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常数；c为光速；

则根据上式得到燃烧气体温度为得到温度T后，再利用任意一根谱线的积分吸光度反演得到燃烧气体组分浓度X，

所述燃烧气体浓度

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述两束光脉冲在进入耦合器拍频之前，分别对两台脉冲激光器的输出光谱进行展宽，使两脉冲激光器具有1-1.7μm超宽的光谱覆盖范围；两台脉冲激光器输出光谱的中心波长是1550nm；两台连续激光器输出光谱的中心波长分别是1550nm和1564nm。