航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物, 常常被作为反应燃烧效率的标志物, 燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、 减少污染物排放具有重要意义。 离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收, 实现对该物质分析和测量的技术, 具有非接触、 稳定和高灵敏度等优点。 针对燃烧场CO浓度低, 背景信号干扰强等特点, 采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统, 通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。 利用仿真模拟的方法, 在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出, 高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。 通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程; 通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差, 得到最佳波长扫描频率; 通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。 探究了不同燃烧情况下CH4/Air预混平焰炉上CO的产生情况, 根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。 当量比为1.0时, 在10 ms的测量时间分辨率下, 噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1, 系统测量误差小于4.5%, 燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。 改变当量比从0.8到1.2时, 得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K, CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。 研究发现随着当量比的提高, 燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。 实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、 检测灵敏度高等优点, 可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。
离轴积分腔输出光谱 浓度测量 一氧化碳测量 燃烧流场 Off-axis integrating cavity output spectroscopy Concentration measurement Carbon monoxide measurement Combustion flow field 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3678
航天工程大学, 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101407
发动机是飞行器动力系统的核心组件, 发动机流场的动态监测可以掌握发动机内部流场的燃烧情况, 对于飞行器状态监测和性能评估具有重要意义。 拥有先进的诊断技术是发展发动机技术的基础, 也是研制新型航空航天飞行器的必要条件之一。 激光吸收光谱技术可以实现燃烧场气体参数的测量, 在发动机严苛的流场环境中, 吸收光谱波长调制技术(WMS)可以提高信噪比。 但基于WMS解算积分吸光度和温度、 浓度二维分布的方法都是以模拟退火算法(SA)为核心, 因此存在执行时间较长的问题。 根据随时间演化的流场光谱参数、 光线分布为固定信息这一内在关联性, 以及已有的WMS方法可以计算积分吸光度值, 采用机器学习方法建立谐波信号(S2f/1f)与积分吸光度(A)的模型, 选择极限学习机算法(ELM), 其训练时间短, 预测结果快。 利用神经网络可以逼近真值的特性, 仿真确定光线布局下不同流场模型的S2f/1f和A, 构造数据集对神经网络开展模型训练。 在数值仿真验证中, 共仿真2 000组数据集, 随机选取1 800组作为训练集训练模型, 其余200组作为预测集, 统计测试集的预测积分吸光度平均相对误差为1.058%, 决定系数平均值为0.999, 验证了训练模型的可靠性。 为进一步探究模型的抗噪声性, 采用的方法是在测试集S2f/1f数据集中分别加入3%, 5%和10%的随机噪声, 统计预测积分吸光度平均相对误差分别为3.1%, 4.6%和8.1%, 这一结果可以表明ELM具有较好的抗噪声性。 基于该方法, 在直连式超燃冲压发动机上开展验证实验, 实验有效时长为5 s, 采集数据约10 GB, 分别采用ELM和WMS两种方法解算积分吸光度, 对比发现: 结果基本一致, 且相比执行时间数小时的WMS方法, ELM预测积分吸光度耗时仅为15 s左右, 实现了发动机流场积分吸光度的快速测量。
激光吸收光谱技术 波长调制 机器学习 极限学习机 Laser absorption spectroscopy Wavelength modulation Machine learning Extreme learning machine 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1346
红外与激光工程
2021, 50(10): 20210063
航天工程大学 宇航科学与技术系 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
可调谐半导体激光层析技术可以实现对燃烧流场温度和组分浓度的二维分布测量。提出了一种基于多条吸收谱线组合的燃烧场温度二维重建方法, 该方法利用每条吸收谱线对温度的敏感度不同, 采取优化组合的方式得到每组吸收谱线对最佳的重建温度区域。文中使用四条H2O吸收谱线, 模拟了温度在300~1 500 K范围时高斯分布和随机分布温度二维重建, 比较了采用双线法和多条吸收谱线组合方法的温度重建结果。结果表明: 采用吸收谱线组合方法和双线法的温度重建误差分别为0.039 6和0.095 2, 吸收谱线组合方法可以有效提高重建结果质量。在实际工程应用中, 当可以提前预估流场温度重建范围的情况, 采用文中提出的多条吸收谱线组合方法可以二维重建结果质量。
可调谐半导体激光吸收光谱 二维重建 吸收谱线 燃烧流场 温度 tunable diode laser absorption spectroscopy 2D reconstruction absorption lines combustion flow field temperature 红外与激光工程
2019, 48(3): 0306004
装备学院激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
可调谐半导体激光吸收光谱技术作为一种稳健的非接触测量技术，在燃烧和推进等恶劣流场的诊断中具有广泛的应用。开发了一种基于水吸收的可调谐半导体激光传感器，用于同时测量超声速地面测试设备的温度和速度，应用扫描波长吸收谱和免标定的波长调制谱可实现绝对测量。传感器在2.5 kg/s质量流量的直连式超燃试验台上开展了工程试验研究，试验马赫数为2.0，总压为5.3~5.7 atm(1 atm=1.01325×105 Pa)，总温为1100 K~1700 K，速度和温度的测量结果与模型预测值具有较好的一致性，验证了传感器设计的有效性，为工程应用提供了有力的技术支撑。
传感器 流场诊断 可调谐半导体激光吸收光谱技术 温度测量 速度测量 超声速测试设备
激光推进及其应用国家重点实验室, 装备学院, 北京101416
研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术实现非均匀温度/浓度分布测量。 通过扫描多条H2O吸收谱线, 利用最小二乘算法求解非线性方程, 数值模拟和实验得到沿光路方向上的两区温度和浓度分布。 计算结果表明采用10条H2O吸收谱线, 计算得到温度相对模型温度的最大偏差为8.3%, 浓度偏差为7.6%。 通过增加扫描吸收谱线数目和减少未知数个数可以提高计算结果精度。 实验测量得到高温区和低温区温度较热电偶读数偏差分别为13.8%和3.5%, 数值计算结果与实验结果基本吻合。
可调谐半导体激光吸收光谱 温度分布 浓度分布 最小二乘法 Tunable diode laser absorption spectroscopy Temperature distribution Concentration distribution Least-square fitting 光谱学与光谱分析
2013, 33(8): 2047
装备学院激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
基于激光吸收光谱技术和代数迭代算法，在非规则光线分布条件下，实现温度场二维重建。通过计算重建区域所有网格穿过光线数目的权重因子，得到优化的非规则光线分布方式，提高了温度场重建精度。数值仿真结果表明，采用优化的非规则光线分布温度场重建结果相对原始模型偏差在15%以内，优于未优化光线分布得到的结果；随着发射数目的增加，投影光线数目增多，不同离散网格数目下，重建质量均提高；在相同光线数目条件下，非规则光线分布重建结果优于平行投影重建结果。实验中采用时分复用技术，在1 kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线7205.25 cm-1和7416.05 cm-1，通过实验对比优化与非优化光线分布和多发射端重建结果，数值模拟结果与实验结果相一致，验证了光线分布优化方法的正确性。
光谱学 可调谐半导体激光器吸收光谱 代数迭代算法 温度场二维重建 光线分布优化
装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
利用可调谐半导体吸收光谱技术实现燃烧场温度二维分布重建。设计H2O模型温度分布范围为300~1300 K，高斯型分布，利用Radon变换模拟实验测量结果。采用滤波反投影算法重建了两条吸收谱线强度场，进而得到气体温度二维分布，重建结果与模型符合较好。研究了不同投影数目和随机噪声对重建结果的影响，结果表明：随着投影数目的减少和噪声幅值的增加，重建温度分布均方误差增大，图像重建效果变差。当投影数目减小到4个，重建温度场已不能完全反映原始温度场信息。
激光吸收光谱 气体温度二维重建 滤波反投影 谱线强度 投影数目 laser absorption spectroscopy two dimensional temperature reconstruction filtered back-projection spectral intensity projection number
