一种基于归一化二次谐波线性模型的温度和浓度重建方法技术

本发明专利技术提出一种基于归一化二次谐波线性模型的温度和浓度重建方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域，用于二维温度和浓度场重建。重建系统包括激光控制与发生模块、光纤分束器、传感器、马赫曾德干涉仪、光电探测器、数据采集系统和计算机。重建方法包括：激光经过分束后，一路接入马赫曾德干涉仪被光电探测器接收，其余路经过扩束后穿过待测区域被光电探测板接收，获得各光路上透射光强的归一化二次谐波谱；根据离散温度浓度对计算归一化二次谐波基矩阵；根据传感器光路排布建立线性重建模型，使用迭代算法获得二维温度和浓度分布。本发明专利技术有效利用了归一化二次谐波谱，增加了独立方程数目，提高了二维温度和浓度分布重建的速度和精度。速度和精度。速度和精度。

【技术实现步骤摘要】
wavelength modulation spectroscopy for practical gas sensing using tunable diode lasers)提出一种分析波长扫描WMS的新方法，使用实测激光强度模拟发射激光强度，并且利用数字锁相和低通滤波得到谐波信号，避免了WMS经典模型中傅里叶展开的需要。2014年Christopher S.Goldenstein等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第53卷第3期356
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367页的论文《用于确定气体性质和吸收线型的免标定扫描波长调制光谱拟合》(Fitting of calibration
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free scanned
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wavelength
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modulation spectroscopy spectra for determination of gas properties and absorption lineshapes)在此基础上通过模拟的扫描谐波光谱与测量的扫描谐波光谱的最小二乘拟合来推断气体温度、浓度等参数。然而基于单光路测量只能得到路径上平均的温度和浓度，实际的燃烧场通常是不均匀分布的。
[0005]通过布置多条测量光路并结合计算机成像(Computer Tomography,CT)技术，TDLAS技术能够有效实现对二维燃烧场气体参数分布的测量。广泛得到使用的是DAS方法与CT技术的结合，因为DAS方法中的吸收谱是沿光路可积分。2020年，申请人的授权专利技术专利《一种基于直方图信息的二维温度和浓度重建系统与方法》(ZL 201910782513.5)借助路径温度浓度直方图，实现了基于DAS方法的二维温度和浓度重建，但是DAS方法难以在低信噪比的实际测量中实现高精度成像。WMS方法虽然在复杂环境中更有优势，但WMS中没有合适的可积分参数，限制了WMS成像的应用。2014年WeiWei Cai等人发表在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)第104卷第15期的论文《基于免标定波长调制光谱的多路吸收层析成像》(Multiplexed absorption tomography with calibration
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free wavelength modulation spectroscopy)提出了将非线性层析成像技术与免标定WMS技术结合，使用模拟退火算法求解模拟与实测的归一化二次谐波信号最相近时的燃烧场温度和浓度分布，成功实现了基于WMS方法的二维成像，但是复杂而大量的计算使得该方法的耗时过长。2020年Wenshuai Zhao等人发表在《IEEE传感器杂志》(IEEE Sensors Journal)第20卷第8期4179
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4188页的论文《基于WMS的动态火焰中气体浓度和温度分布反演TDLAS层析成像系统》(AWMS Based TDLAS Tomographic System for Distribution Retrievals of Both Gas Concentration and Temperature in Dynamic Flames)指出在弱吸收时，归一化二次谐波峰值是可沿路径积分的参数，进而结合CT技术实现二维温度和气体浓度分布重建，与非线性模型相比有效减少了计算，但是单光路上只有归一化二次谐波的峰值作为投影数据应用于重建，重建问题的欠定性较严重。
[0006]基于以上背景，本文专利技术了一种基于归一化二次谐波线性模型的温度和浓度重建方法。借助事先离散的温度浓度对建立单光路上归一化二次谐波的线性计算模型，与CT技术有机融合，实现二维燃烧场温度和气体分子浓度分布成像。本方法有如下优点：继承了WMS方法的抗干扰优点，更适合于恶劣环境的测量。有效利用了归一化二次谐波谱的形状信息，增加了独立方程数目，可有效减弱重建问题的欠定性，提高了温度和浓度分布的重建质量，建立的归一化二次谐波线性模型计算量少，重建速度快。

技术实现思路

[0007]针对二维燃烧场的温度和浓度分布，本文专利技术了一种基于归一化二次谐波线性模型的温度和浓度重建方法，该方法建立了归一化二次谐波谱在非均匀分布下的线性模型，
实现二维温度和浓度分布的同时重建。
[0008]重建系统包括激光控制与发生模块、光纤分束器、传感器、马赫曾德干涉仪、光电探测器、数据采集系统和计算机；其中传感器由激光输入模块、鲍威尔棱镜和光电探测板构成。重建方法首先测量和计算传感器光路上的归一化二次谐波信号，然后根据被测温度和浓度场的重建范围数值计算归一化二次谐波基矩阵，最后使用线性重建模型实现二维温度和浓度场成像，具体包括以下步骤：
[0009]步骤一、获取传感器光路上激光透射光强的归一化二次谐波信号；激光控制和发生模块使用叠加高频正弦调制的低频扫描信号上作为注入电流驱动激光器，输出的激光经过光纤分束器，一路接入马赫曾德干涉仪后接入光电探测器，采集后计算得到激光输出波数v(t)随时间的变化
[0010][0011]其中，为激光中心波数，a为调制深度，ω＝2πf为调制角频率；
[0012]入射激光强度I0(t)的模型为
[0013][0014]其中，为波数处的激光强度，i0和i2分别为线性和非线性强度调制幅值，和为对应的强度调制与频率调制之间相移；
[0015]光纤分束器的其余光路接入传感器的各激光输入模块，由鲍威尔棱镜扩束展开，激光穿过目标气体后被传感器上的光电探测板接收；对于传感器的任意一条激光光路，入射激光穿过目标气体后，透射强度I
t
(t)衰减为
[0016][0017]其中，τ为透射系数，α为吸收率；
[0018]对于目标气体小吸收的情况，即α(v)<0.05，透射率可近似计算为
[0019][0020]透射系数τ[v(t)]由于具有周期性，可展开为傅里叶级数
[0021][0022]其中，傅里叶系数的计算公式为
[0023][0024][0025]利用数字锁相和低通滤波器从透射光强I
t
(t)中提取一次和二次谐波信号：将透射光强分别乘以参考信号cos(ωt)和sin(ωt)，然后通过低通滤波得到一次谐波信号1f的X分量X
1f
和Y分量Y
1f
，进而计算得到一次谐波信号幅值R
1f
；相似地，将透射光强分别乘以参考信号cos(2ωt)和sin(2ωt)，然后通过低通滤波得到二次谐波信号2f的X分量X
2f
和Y分量Y
2f
，计算得到二次谐波信号幅值R
2f
；对于相移为π的线性强度调制，即且i2＝0时，归一化二次谐波信号S
2f/1f
表示为
[0026][0027]步骤二、构造归一化二次谐波基矩阵；根据对目标气体温度和浓度范围的粗略估计，气体参数被离散成有限个温度和浓度对，例如，M个温度浓度对：{T1,X1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于归一化二次谐波线性模型的温度和浓度重建方法，依托的重建系统包括激光控制与发生模块、光纤分束器、传感器、马赫曾德干涉仪、光电探测器、数据采集系统和计算机；其中传感器由激光输入模块、鲍威尔棱镜和光电探测板构成；所述的重建方法首先测量和计算传感器光路上激光透射光强的归一化二次谐波信号，然后根据被测温度和浓度场的重建范围，构造归一化二次谐波基矩阵，最后使用线性重建模型实现二维温度和浓度场成像。2.按照权利要求1所述的一种基于归一化二次谐波线性模型的温度和浓度重建方法，其特征在于该重建方法包括以下步骤：步骤一、获取传感器光路上激光透射光强的归一化二次谐波信号；激光控制和发生模块使用叠加高频正弦调制的低频扫描信号上作为注入电流驱动激光器，输出的激光经过光纤分束器，一路接入马赫曾德干涉仪后接入光电探测器，采集后计算得到激光输出波数v(t)随时间的变化其中，为激光中心波数，a为调制深度，ω＝2πf为调制角频率；入射激光强度I0(t)的模型为其中，为波数处的激光强度，i0和i2分别为线性和非线性强度调制幅值，和为对应的强度调制与频率调制之间相移；光纤分束器的其余光路接入传感器的各激光输入模块，由鲍威尔棱镜扩束展开，激光穿过目标气体后被传感器上的光电探测板接收；对于传感器的任意一条激光光路，入射激光穿过目标气体后，透射强度I
t
(t)衰减为其中，τ为透射系数，α为吸收率；对于目标气体小吸收的情况，即α(v)<0.05，透射率可近似计算为透射系数τ[v(t)]由于具有周期性，可展开为傅里叶级数其中，傅里叶系数的计算公式为的计算公式为利用数字锁相和低通滤波器从透射光强I
t
(t)中提取一次和二次谐波信号：将透射光强分别乘以参考信号cos(ωt)和sin(ωt)，然后通过低通滤波得到一次谐波信号1f的X分量X
1f
和Y分量Y
1f
，进而计算得到一次谐波信号幅值R
1f
；相似地，将透射光强分别乘以参考信号cos(2ωt)和sin(2ωt)，然后通过低通滤波得到二次谐波信号2f的X分量X
2f
和Y分量Y
2f
，计算得到二次谐波信号幅值R
2f
；对于相移为π的线性强度调制，即且i2＝0时，归一化二次
谐波信号S
2f/1f
表示为步骤二、构造归一化二次谐波基矩阵；根据对目标气体温度和浓度范围的粗略估计，气体参数被离散成有限个温度和浓度对，例如，M个温度浓度对：{T1,X1},{T2,X2},
…
,{T
M
,X
M
}；数值计算出这M组气体参数在单位路径的吸收率β1(v),β2(v),
…
,β
M
(v)；沿激光路径的总吸收率可以表示为各状态气体吸收的和，其中，L1,L2,
…
,L
M
为M种气体状态分别占据的路径长度；由式(7)可以得到M种气体参数在单位长度吸收下的傅里叶系数根据式(9)可以得到路径总吸收的傅里叶系数满足根据测量得到的入射激光强度I0(t)和激光输出波数v(t)，使用式(3)分别得到M种气体参数单位长度吸收后的透射光强，然后使用步骤一中的数字锁相和低通滤波方法，得到归一化二次谐波信号，第i种气体参数对应的归一化二次谐波信号表示为R
2f/1f,i
；根据式(8)中的线性关系和式(10)，总路径上的归一化二次谐波信号与M种气体参数单位...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹章，邱爽，徐立军，张晓倩，温晋婷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：