[发明专利]一种基于低带宽光电探测器的激光吸收光谱温度测量方法

说明书

本发明提出一种基于低带宽光电探测器的激光吸收光谱温度测量系统与方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域，用于均匀温度场的快速测量，该方法利用神经网络可对任意函数进行逼近的优点，通过构建低带宽光电探测器测量信息与高带宽光电探测器测量、解算获得的光谱吸收面积之间的神经网络，完成训练后，仅通过低带宽光电探测器即可实现温度的快速测量。该方法降低了对探测器、数据采集装置的要求，并且具有较低计算复杂度，解算过程利于硬件实现，具有高实时性、高抗噪声能力、低资源占用等优势，在温度测量领域有较好的应用前景。

(一)技术领域

本发明提出一种基于低带宽光电探测器的激光吸收光谱温度测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域，该方法用于激光吸收光谱法对均匀温度场的快速测量。

(二)背景技术

非接触式温度测量技术被广泛应用于工业生产、科学研究、国防军事等领域，实现温度的精确监测对于优化燃烧器设计、提高燃烧效率、降低燃烧过程污染排放等方面具有重要的意义，而非接触式测量技术具有测温上限高、不破坏流场等优点，较传统接触式测量技术具有更广的应用前景；为了实现温度场非接触式精确监测，科研人员提出了一系列测量方法，以光学测量方法为主，主要包括自发拉曼散射法、相干反斯托克斯拉曼散射法、激光诱导荧光法、激光吸收光谱法等。

自发拉曼散射法利用拉曼效应，即激光从光源出射后照射被测区域，被照射的分子的振动能级和转动能级发生变化，从初始态跃迁到中间态，并最后跃迁到终态并发射出光子，发射光子与光源频率不同，发生的频移称为拉曼频移。2014年，张振荣等人发表于《强激光与粒子束》26卷08期93-96页(High Power Laser and Particle Beams)的论文《煤油燃烧场主要组分浓度测量》(Measurement of major species concentration inkerosene combustion)中，对不同燃烧条件下的煤油燃烧场进行了诊断,获得了贫油条件下煤油燃烧场主要组分(N₂,O₂,H₂O,CO₂等)的拉曼光谱,计算了组分摩尔分数及其随燃烧时间的变化规律。然而由于自发拉曼散射信号较弱，需要设计复杂的微弱信号探测系统，导致成本较高，且信号抗干扰能力较差；相干反斯托克斯拉曼散射法同样基于拉曼效应，由于其属于高阶极化效应，散射光方向性较好，因此信号强度较高，不易受到环境扰动的影响，抗干扰能力相较自发拉曼散射较强。1974年，Begley等人发表在《应用物理快报》第25卷7期387-390页(Applied Physics Letters)的论文《相干反斯托克斯拉曼光谱》(Coherentanti-Stokes Raman spectroscopy)中，证明了对于低浓度，由于与强溶剂拉曼模式或三阶背景信号的相干混合，密度平方信号的相关性变为线性。然而目前该技术利用到了皮秒激光器、纳秒激光器等高性能激光器，带来较为高昂的造价，限制了其应用前景；激光诱导荧光法利用特定频率的光源激发基团或特定分子，该基团或分子由基态跃迁至激发态，并最终跃迁到终态并发射光子，称为激光诱导荧光。2012年，Worth N A等人发表于《燃烧与火焰》第159卷3期1109-1126页(Combust and Flame)的论文《带有声强迫和不带声强迫的两个相互作用湍流预混火焰的摄影OH-PLIF测量》(Cinematographic OH-PLIF Measurementsof Two Interacting Turbulent Premixed Flames with and without AcousticForcing)中，验证了与单个轴对称火焰相比，射流合并的发生和相邻火焰之间的大规模相互作用导致驱动热声响应的物理机制有所不同。激光诱导荧光需要利用高灵敏度面阵探测器进行探测，因此该技术同样造价昂贵，并且在压力较高时还可能出现猝熄效应影响测量；激光吸收光谱法基于比尔-朗伯特定律，始于二十世纪七十年代科研人员利用可调谐二极管激光器对激光吸收光谱开展的测量，激光吸收光谱法是通过测量光源透射被测区域之后的光强衰减获取被测组分温度信息，相较上述其他方法，其原理简单，信号处理难度小，光强较强，对探测装置性能要求相对较低，光源较为廉价，光学结构简单，具有良好的工程适应性，同时，具有精度高、实时性好等优点。1973年，K.G.P.Sulzmann等人发表在《燃烧与火焰》第20卷2期177-191页(Combust and Flame)的论文《使用可调谐激光器的线心吸收和导数光谱估计燃烧中间体和产物的可能检测极限》(Estimates of possible detectionlimits for combustion intermediates and products with line-center absorptionand derivative spectroscopy using tunable lasers)中，通过激光吸收光谱法测量了多种燃烧中间体和产物的可能检测极限。