一种重建高温气体温度浓度场分布的方法技术

本发明专利技术提供了一种重建高温气体温度浓度场分布的方法，激光快速扫描待测高温区域，采用双谱线固定点波长调制时分复用法测温度浓度，通过数字锁相低通滤波技术提取各次谐波信号，然后对其进行扣除背景一次谐波归一化处理，通过峰值与温度浓度成比例关系特点获得单线温度浓度值，为区域温度场、浓度场的重建提供投影数据。获得投影数据后，将待测区域网格离散化，利用重建迭代算法实现对温度场、气体浓度场的反演。与传统的算法相比，本发明专利技术在重建图像的质量上有很大的提高，有效的改善了传统迭代法产生的边缘效应，使得重建精度大大提高，并可以很好地应用于非对称场的少数投影重建。建。建。

【技术实现步骤摘要】
一种重建高温气体温度浓度场分布的方法


[0001]本专利技术涉及光学诊断流场
，特别是一种重建高温气体温度浓度场分布的方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天技术的不断发展和国防建设需求的日益增长，发动机燃烧流场诊断和性能评估受到越来越多的关注。高效的燃烧流场测量手段，可以为提升发动机的燃烧效率提供重要参考。传统的流场测量主要采用接触式测量手段，如气动式速度探针、气体取样探针、热电偶温度探针等。接触式测量存在维护成本高、故障率高、响应速度慢、不便于携带和安装等不足，而且侵入式的探针会破坏被测流场，产生激波，对气流干扰严重，影响测量的准确性。因此，发展先进的非接触测量手段势在必行。
[0003]非接触式测量手段主要是利用各类光学诊断流场技术。光学诊断流场技术能够满足非侵入、实时和长效测量的要求，并且测量信息丰富，可以得到在线瞬态流场的温度、压力、流速、组分浓度等信息。
[0004]目前，基于(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术的非均匀参数测量已开展了初步研究，但是光谱测量结果受到流场多参数共同作用的影响，影响规律尚不明确，需要建立有效的模型和算法从理论上进行分析。在燃烧流场二维测量中，由于实验系统的复杂性和空间可用性的限制，安装大规模探测设备，以提高二维测量结果质量变得非常困难，需要建立有效的二维重建方法，分析光线分布对测量结果的影响规律，实现在投影数目较少条件下的流场二维重建。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种重建高温气体温度浓度场分布的方法，采用全新的迭代重建算法，与传统的算法相比，改善了边缘效应，在重建图像的质量上有很大的提高，并可以很好地应用于非对称场的少数投影重建。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种重建高温气体温度浓度场分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0008]步骤一，利用多个激光发生模块分别输出特定波长和光强的调制光；
[0009]步骤二，将步骤一的多束调制光进行耦合，经过信号处理模块处理得到光强信号；
[0010]步骤三，通过光学标准具，分别获得多个所述激光发生模块对应的标准具信号I
υ
(t)，得到时间频率响应特性υ(t)；
[0011]步骤四，经过数字锁相、低通滤波过程处理测量的背景光强I0、透射光强I
t
，提取扣除背景归一化的二次谐波，依据Beer
‑
Lambert定律，通过归一化二次谐波及步骤三所得时间频率响应特性υ(t)，利用最小二乘算法拟合出投影积分吸收面积A，根据双波长线强比值法测出温度，进一步计算出浓度值；
[0012]步骤五，对二维瞬态温度场、浓度场求解，利用迭代重建算法重建图像，所述迭代
重建算法在计算时，引入单个波长下每个离散网格内的气体吸收系数改善边缘效应，并且增加修正项对投影修正值y
i(k)
进行修正，从而使重建图像的噪声得到抑制。
[0013]所述步骤二中，将步骤一的多束调制光进行耦合，经光纤分束器分为多束，每一束由激光发射接收装置发射到反射镜，反射镜转动，使光路扫过待测区域，经中空回射器平行返回，再通过发射接收装置接收并转换为电信号，得到光强信号。
[0014]所述步骤四中，首先使用数字锁相技术处理背景光强I0(i)和实际测量的透射光强I
t
(i)，分别得到信号第i束激光n次谐波的x分量和y分量展开式；其次，经低通滤波器提取各信号的谐波分量；最后，对得到的第i束激光谐波信号，进行扣除背景的一次谐波归一化处理。
[0015]所述步骤五具体包括如下步骤：将重建区域离散化，第i条激光射线经过测量区域后，得到每个离散网格内的有效光程长度为l
i，j
；当光路径上介质气体分布不均匀时，光线经过离散网格内介质气体的吸收，离开测量区域时强度减弱，离散得到的第i条光线中的两条谱线的吸收方程式，进而得到两条吸收谱线的具体离散方程组；针对所述离散方程组，建立所述迭代重建算法，算法公式如下：
[0016][0017]上式中，投影修正值
[0018]是通过重建迭代程序计算得到单个波长下每个离散网格内的气体吸收系数，m为激光总数，n为网格总数，λ为松弛因子，k代表总的迭代循环次数，A为投影积分吸收面积，l
ij
为投影系数矩阵；N
j
表示所有与体素j相邻的体素点，a、b均为修正参数。
[0019]利用粒子群算法获得λ、a和b的最优解。
[0020]本专利技术的有益效果如下：
[0021]本专利技术相对于现有高温气体二维瞬态温度场和浓度场的测量方法，采用一种全新的迭代重建算法，与传统的算法相比，改善了边缘效应，在重建图像的质量上有很大的提高，并可以很好地应用于非对称场的少数投影重建。同时，使重建图像的噪声得到了抑制，使得重建图像的结果变得更平滑。能够在抑制噪声的同时提高算法的收敛速度。特别适用于航空航天发动机燃烧室等复杂环境下高温气体二维温度场和浓度场的监测。
附图说明
[0022]图1为本专利技术方法的流程图。
[0023]图2为本专利技术方法一种实施方式中利用的测量装置的结构示意图。
[0024]图3为本专利技术方法一种实施方式中利用的测量装置中激光发射接收装置的结构示意图。
[0025]图中：1、函数发生器；2、激光控制器；3、分布反馈式激光器；4、光纤分束器；5、反射镜；6、高速步进电机；7、激光发射接收装置；701、准直器；702、楔形棱镜；703、光电探测器；704、固定架；8、中空回射器；9、信号采集系统；10、计算机。
具体实施方式
[0026]以下结合附图说明本专利技术的具体实施方式。
[0027]如图2和图3所示，本实施例的重建高温气体温度浓度场分布的方法，作为一种实施方式，所基于的测量装置包括激光发生模块、光纤分束器4、中空回射器8和信号处理组件，还包括反射镜5和激光发射接收装置7，反射镜5、高速步进电机6、激光发射接收装置7与光纤分束器4调制后的光束数目分别对应；
[0028]作为一种实施方式，激光发生模块包括函数发生器1、两个激光控制器2、两个分布反馈式激光器3。
[0029]作为一种实施方式，信号处理组件包括信号采集系统9和计算机10。
[0030]光纤分束器4将分布反馈式激光器3调制后的激光分成多束，每一束由对应的激光发射接收装置7发射到对应的反射镜5，反射镜5由高速步进电机驱动6旋转，分布于空间中，确保光路扫过整个待测区域，经中空回射器8平行返回，被激光发射接收装置7接收并转换为电信号，得到光强信号。
[0031]如图2所示，激光发射接收装置7的结构包括沿光路依次设置的对激光光束进行准直的准直器701、楔形棱镜702和光电探测器703；
[0032]具体地，激光发射接收装置7为实现同发同收功能的主要器件。准直器701本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重建高温气体温度浓度场分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，利用多个激光发生模块分别输出特定波长和光强的调制光；步骤二，将步骤一的多束调制光进行耦合，经过信号处理模块处理得到光强信号；步骤三，通过光学标准具，分别获得多个所述激光发生模块对应的标准具信号I
υ
，得到时间频率响应特性υ(t)；步骤四，经过数字锁相、低通滤波过程处理测量的背景光强I0、透射光强I
t
，提取扣除背景归一化的二次谐波，依据Beer
‑
Lambert定律，通过归一化二次谐波及步骤三所得时间频率响应特性υ(t)，利用最小二乘算法拟合出投影积分吸收面积A，根据双波长线强比值法测出温度，进一步计算出浓度值；步骤五，对二维瞬态温度场、浓度场求解，利用迭代重建算法重建图像，所述迭代重建算法在计算时，引入单个波长下每个离散网格内的气体吸收系数改善边缘效应，并且增加修正项对投影修正值进行修正，从而使重建图像的噪声得到抑制。2.根据权利要求1所述的重建高温气体温度浓度场分布的方法，其特征在于，所述步骤二中，将步骤一的多束调制光进行耦合，经光纤分束器(4)分为多束，每一束由激光发射接收装置(7)发射到反射镜(5)，反射镜(5)由驱动机构驱动转动，使光路扫过待测区域，经中空回射器(8)平行返回，再通过发射接收装置(7)接收并转换为电信号，得到光强信...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宾，赵荣，王一红，刘奇，戴明露，汪步斌，段拼搏，庄欠瑶，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：