一种适用于双线激光吸收谱测温的谱线优化选取方法技术

本发明专利技术提出一种适用于双线激光吸收谱测温的谱线优化选取方法，构建了谱线组合测温误差模型。将可覆盖的谱线分组并每组选出一个代表谱线，计算所有代表谱线两两组合的测温误差，确定误差最小的组合对应的两个分组；遍历两个分组的所有谱线组合的测温误差，确定误差最小的组合为初步结果。从其他分组中构造测试集，若测试集所有组合的测温误差均大于初步结果，则测试通过；若存在谱线组合，其测温误差小于初步结果，则将该组合加入代表谱线集合，补充计算集合中新增谱线组合的测温误差，重新执行谱线选择和测试程序，直到选出的谱线组合能通过测试，即确定为谱线选择结果。该方法可以用较小的计算量，指导吸收光谱双线法测温的最优谱线选取。优谱线选取。优谱线选取。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于双线激光吸收谱测温的谱线优化选取方法


[0001]本专利技术提出一种适用于双线激光吸收谱测温的谱线优化选取方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)领域。本法可以为可调谐二极管激光吸收光谱技术选出温度测量的最优谱线组合。

技术介绍

[0002]气体参数测量是一个重要的科学问题，在工业过程监测、化学反应分析、发动机燃烧诊断等领域都有重要的地位。气体的参数包括气体的温度、压力、流速、组分浓度等多个方面，其中温度的测量直接反映了气体能量的分布和变化趋势，有着非常重要的意义。针对气体温度的测量，目前有多种技术，主要分为接触式测温方法和非接触式测温方法。前者以热电偶、热电阻等技术为代表，后者包括相干反斯托克拉曼光谱法、可调谐二极管激光吸收光谱法等基于光谱学的测温方法。
[0003]接触式测温技术，例如采用热电偶、热电阻等，需要将传感器放到所测气体中，并等待气体与传感器热平衡。Yingfeng Zhou等人发表在《航空制造技术》(Aeronautical Manufacturing Technology)第63卷6 期，82
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102页的论文《航空发动机高温薄膜热电偶研究概况》(Review on High Temperature Thin FilmThermocouple for Aero
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Engine)论述了测量航空发动机燃气温度的热电偶的研究进展。文章指出高温热电偶的保护层会延长热电偶的响应时间，要获得灵敏度高且响应快的热电偶有待材料技术的进一步发展。ZeLi等人发表在《空间控制技术与运用》(Aerospace Control And Application)第37卷第2期，33
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59页的论文《基于热敏电阻的气体温度测量误差分析》(Error Analysis for Gas Temperature Measurement Based onthe Thermistor)指出单个热电阻只能测量传感器附近气体的温度，测量温度分布需要建立传感器网络。但是，接触式测温技术存在干扰气体流动、需要等待传感器热平衡、测温范围小的问题。
[0004]建立在激光光谱学上的温度测量方法包括相干反斯托克拉曼光谱法、激光诱导荧光光谱法和激光吸收光谱法等。Roy Sukesh等人发表在《能源与燃烧科学》(Progress in Energy and Combustion Science)第36 卷第2期上的论文《相干反斯托克拉曼光谱法的新进展：基础发展与在反应气流中的应用》(Recent advancesin coherent anti
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Stokes Raman scattering spectroscopy:Fundamental developments and applications in reactingflows)描述了相干反斯托克拉曼光谱法的应用特点，这一方法数据量大，对采集系统要求很高。此外，这一方法的信号依赖于气体碰撞环境，测量湍流气体时有效信号较小。激光诱导荧光光谱法是用激光照射目标分子，使之上升到更高能级并在跃迁回低能级的过程中发射荧光的技术。Schulz Christof等人发表在《能源与燃烧科学》(Progress in Energy and Combustion Science)第31卷第1期上的论文《示踪激光诱导荧光诊断：燃料浓度、温度和当量比在实际火焰系统中的定量测量》(Tracer
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LIF diagnostics:quantitativemeasurement of fuel concentration,temperature and fuel/air ratio in practical combustion systems)中指出对于燃气等复杂系统，由于荧光来源的复杂
性，激光诱导荧光系统进行定量测量是困难的，通常要添加示踪分子。此外，由于高压气体的猝熄效应明显，激光诱导荧光技术也不适用于高压气体测量。上述的光谱学测温技术普遍存在适用范围有限，测量系统或测量过程复杂，定量困难等问题，因此激光吸收光谱技术在气体温度定量测量中被广泛运用。
[0005]可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)具有简单可靠、响应快速、测量温度范围大、可以测量温度分布的优点。TDLAS技术利用可调谐激光器，输出波长变化的激光。不同波长的激光经过气体后，会产生大小不同的光强吸收。吸收率相对波长的变化即为该气体的吸收光谱。气体的吸收光谱与温度有关，因此可以用于温度测量。Bolshov等人在2015年发表于《光谱化学学报B：原子光谱学》106卷45
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66页上的综述文章《可调谐二极管激光吸收光谱技术在燃烧诊断方面的应用》(Tunable diode laser spectroscopy as a technique for combustion diagnostics)介绍了TDLAS测量技术的常见实现方式。按照吸收光谱获取方式的不同，实现方式分为直接吸收法(Direct absorptionspectroscopy,DAS)和波长调制法(Wavelength modulation spectroscopy,WMS)。在直接吸收法中，激光器输出的波长按照一定方式变化，用于扫描特定吸收光谱所在的波长，测量该波段的吸收数据。在波长调制法中，激光器的输出还要再叠加一个高频的调制信号，并在接收端进行解调以获得吸收光谱数据。按照测量的光路分类，TDLAS技术可以分为单光路测量和多光路成像测量。单光路测量采用一个激光光源和一个对应的探测器，通常测量光路上的平均温度，适用于温度较为均匀的气体。多光路成像测量是在空间中布置若干组光源和探测器，结合计算机层析成像算法，测量空间中的温度分布。但是，温度的测量一般通过测量谱线的吸收强度来实现。谱线的吸收强度随着温度变化，不同的谱线有不同的变化规律。如何选择适合的测温谱线是TDLAS技术中普遍存在的问题。此外，两条谱线强度的比值只与温度有关，用两条谱线进行温度测量是最常见的方案。
[0006]TDLAS技术文献中对于谱线组合的选择也有很多讨论，例如，从谱线的测温灵敏度、吸收强度、独立性等角度选取谱线。谱线组合的选取会影响温度测量的灵敏度，选择低态能量差别较大的谱线组合可以提高温度测量的灵敏度。例如Z.Wang等人2020年发表在《应用热学工程》(Applied Thermal Engineering) 第171卷115066页上的论文《可调谐半导体激光吸收光谱法测量煤粉燃烧场二维温度特性》(Twodimensional temperature measurement characteristics in pulverized coal combustion field by computedtomog本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于双线激光吸收谱测温的谱线优化选取方法，该方法构建了一种激光吸收光谱双线法测温技术的测温误差模型，该模型从谱线的测温过程出发，结合谱线的不确定性，可以计算给定的压力、气体浓度、信噪比等参数下谱线组合的测温误差；并给出了按照这一模型选择测温最优谱线组合的步骤，首先结合激光器覆盖波段与目标分子种类，仿真可选择谱线的吸收光谱；按照光谱的峰值、独立性、低态能量和不确定性，将谱线分组，在每组中选出一个代表谱线；计算代表谱线的所有双线组合的测温误差，选择误差最小的组合所代表的两个分组；计算两个分组的所有谱线组合的测温误差，选择误差最小的谱线组合为初步结果；对未入选的分组中的谱线进行分层抽样，形成测试集，计算测试集中谱线组合的测温误差；若测试集组合的误差均大于初步结果，则测试通过，确定为优化的谱线组合；若存在测试集组合，其误差小于初步结果，则将该组合加入代表谱线，补充计算代表谱线集合中新增组合的测温误差，重新执行谱线选择和测试程序，直到选出的谱线组合能通过测试，即确定为优化谱线选择结果。2.按照权利要求1所述的一种适用于双线激光吸收谱测温的谱线优化选取方法，其特征在于谱线的分组和每组代表的选择方法如下：谱线i＝1，
…
，n的分组按照对应吸收谱α
i
(ν)，i＝1，
…
，n的四种特征参数；首先是吸收率的最大值max(α
i
(v))，i＝1，
…
，n，这个参数反映了谱线的幅值，按幅值将谱线进行了分类；其次是低态能量E
″
i
，E
″
i
相似的谱线对温度的变化规律相似；第三是数据库的不确定性等级U
i
，从1％到20％不等。第四是独立性参数D
i
，计算方式为式中，α(v)表示所有谱线形成的吸收光谱；将这四个参数分成若干区间，相近的谱线被分为一组，组数应当大于以降低计算量；分组完成后，选择每组中各项参数最接近平均的谱线作为代表谱线。3.按照权利要求1所述的一种适用于双线激光吸收谱测温的谱线优化选取方法，其特征在于可以通过测温误差模型，计算谱线组合的测温误差，具体为：设谱线组合中两条谱线的吸收谱为α
j
(ν)，j＝1，2，若温度测量采用直接吸收法，设光源输出波长为ν(t)，光源发出的光强信号记作I0(t)，两者通常采用锯齿波形式；根据朗伯特定律，吸收光谱α
j
(v)对应的透射光强信号I
j
(t)为I
j
(t)＝I0(t)exp[
‑
α
j
(ν(t))]+N(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，N(t)是噪声信号，表示计算过程中对光强测量中噪声的模拟；则测量得到的吸收率β
j
(v)为在吸收光谱测量中，一般采用标准具获取v(t)，将其代入β
j
(t)可以得到仿真的吸收光谱β
j
(v)；对β
j
(v)进行积分，可以计算该光谱的吸收面积A
j
；对于直接吸收法计算中的任意两个吸收光谱，可用其面积比来计算温度；
式中，T
12
表示用两条谱线面积计算出的温度，S
j
(T0)是谱线在标准温度T0＝296K下的强度，E
″
j
是低态能量，常数h，c，k分别为普朗克常数、光速和玻尔兹曼常数；若该测量系统采用的是波长调制方法，则需要模拟波长调制的测量过程；波长调制法方中透射光强信号I
j
(t)为I
j
(t)＝I0(t)exp[
‑
α
j
(ν(t))]+N(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)不同的是，v(t)上叠加了一个高频调制信号，设调制频率为f
m
，输出的中心频率为则通过频谱分析，设I
j
(t)的一次谐波(频率为f
m
的谐波)为I
j
(f
m
，1)，二次谐波(频率为2f
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立军，郭宇东，曹章，李泓瑶，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：