1 太原理工大学电气与动力工程学院热能工程系， 山西 太原 030024
2 太原锅炉集团有限公司， 山西 太原 030024
基于可调谐激光吸收光谱的二维温度和浓度分布重建对于燃烧诊断具有重要意义， 而数值迭代算法在温度和组分浓度的重建中起着重要作用。 通过对比发现自适应迭代算法和最小二乘QR分解算法对于重建二维温度和气体浓度分布具有很好的优势。 研究表明， 波长7 154.35， 7 153.75， 7 185.60和7 444.36 cm-1四条H2O的吸收谱线， 非常适合测量高温预混火焰中的温度和水蒸气浓度分布。 与7 444.36, 7 185.60, 7 154.35和7 153.75 cm-1处的吸收谱线相比， CO2和CH4的光谱吸光非常微弱， 在该波段O2和CO基本没有吸收， 因此燃烧环境中CO2， CH4， O2和CO等气体对于H2O吸收谱线基本没有影响。 通过比较不同算法的最优松弛因子、 计算时间和重建误差等， 发现与最小二乘QR分解算法相比， 自适应迭代算法具有更好的重建质量和更短的计算时间。 在自适应迭代算法的基础上进一步比较了不同吸收线对(7 444.36和7 185.60， 7 154.35和7 153.75 cm-1)在射线束为16， 32， 48和64时的二维重建结果。 结果表明， 采用吸收谱线7 153.75和7 154.35 cm-1得到的重建结果优于吸收谱线7 185.60和7 444.36 cm-1的重建结果。 随着激光束的增加， 重建结果越来越接近模型假定的温度和浓度分布。 考虑到有限的测量空间和重建精度， 分析认为32束的光路布置更适合实际火焰的二维温度和浓度重建。 为了分析自适应迭代算法对不同温度和浓度分布的重建能力， 进一步模拟了双峰温度和浓度分布。 结果表明， 随着射线束的增加， 温度的重建误差总是大于浓度的重建误差， 表明射线数对温度的影响更为明显。 在双峰分布中， 投影射线束为16时的重建误差最大， 但此时的重建结果也能反映温度和浓度的分布趋势。
可调谐激光吸收光谱 重建算法 温度分布 浓度分布 Tunable diode laser absorption spectroscopy Reconstruction algorithm Temperature distribution Concentration distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1367
太原理工大学 电气与动力工程学院热能工程系, 山西 太原 030024
燃煤锅炉发电会产生大量的污染气体, 本文基于可调谐激光吸收光谱技术, 结合层析成像技术, 对预混火焰的温度和浓度进行重建, 通过这些参数来调节锅炉运行的工况, 以此来减少污染气体的排放和提高能源利用率。经过谱线分析, 文章选择在7148.8~7151cm-1附近选取2条适合高温重建H2O的吸收谱线(7149.058cm-1和7150.4716cm-1), 通过采取自适应迭代算法、BP-神经网络算法和卷积神经网络算法, 对不同的温度场和浓度场进行模拟重建。研究发现, 卷积神经网络算法在重建精度和稳定性方面都优于其他两种算法。为了探究误差对于重建结果的影响, 通过添加随机误差发现, 误差对于卷积神经网络算法影响较小, 温度和浓度重建精度高。为了验证卷积神经网络算法的可行性, 文章选取了不同的燃烧工况进行了重建对比。研究表明, 卷积神经网络算法重建图像趋于平缓, 与实际燃烧情况更加符合, 该研究也证明了卷积神经网络算法在燃烧场重建方面的优势和可行性。
激光吸收光谱 算法比较 重建算法 温度和浓度重建 Laser absorption spectroscopy Comparison of algorithms Reconstruction algorithms Temperature and concentration reconstruction
1 太原理工大学电气与动力工程学院热能工程系，山西 太原 030024
2 太原锅炉集团有限公司博士后工作站，山西 太原 030024
基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）的波长调制（WMS）技术是一种有效的痕量气体检测技术，具有高选择性、高精度、高灵敏度、实时在线监测等优点。现场测量过程中，背景噪音和光学条纹等的影响会严重降低系统的测量精度，影响浓度测量结果。为了有效消除这些噪音给测量带来的影响，提高系统信噪比（SNR），提出一种基于小波变换结合经验模态分解（EMD）的数字滤波降噪方法。对低质量浓度的NH3进行测量，分别采用小波变换滤波、经验模态分解滤波、小波变换结合经验模态分解滤波对获得的二次谐波信号进行降噪处理。实验结果表明，小波变换结合经验模态分解滤波相对于其他两种滤波方法效果最优，且对质量浓度为11.38 mg/m3的NH3，信噪比由28.4 dB提高至446 dB，大大提高了系统测量精度。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 小波变换 经验模态分解 降噪 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1830003
1 太原理工大学电气与动力工程学院热能工程系， 山西 太原 030024
2 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027
基于吸收光谱的波长调制技术在气体检测方面已被广泛应用。波长调制技术测量得到的二次谐波信号会受到背景噪声及光学条纹等的影响，导致浓度测量下限较高。为了降低噪声的干扰，提高系统的信噪比，本文选取2.25 μm处的吸收谱线对NH3进行理论分析和实验测量，采用小波变换和Gabor变换对二次谐波信号进行降噪处理。结果表明：Gabor变换和小波变换都能有效地去除二次谐波信号中多种噪声的影响，同时保留信号的真实性；对于主要含有白噪声和光学条纹的谐波信号，小波变换的降噪能力要优于Gabor变换，小波变换降噪后信号的信噪比明显提高，且曲线更加平滑；经过降噪后，低浓度NH3的测量下限由0.36 mg/m3降低至34.45×10-3 mg/m3。
光谱学 激光吸收光谱技术 小波变换 Gabor变换 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0730001
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
煤粉热解过程中产物及组分的不同会直接影响煤的燃烧特性, 为了进一步研究煤粉热解过程中产物浓度的变化, 采用1.65 μm附近的一组2v3的CH4气体吸收谱线, 在利用波长调制技术对原始激光强度修正的基础上, 实现了大同煤和准东煤热解过程中CH4气体浓度的在线测量。将直径约为8 mm、质量约为360 mg的单颗粒煤球通过金属丝悬挂于石英管中, 为使单颗粒煤球在热解过程中被迅速加热且受热均匀, 采用高功率CO2激光器与反射镜实现单颗粒煤球的均匀对称加热。可调谐激光光束在单颗粒煤球下方约10 mm处经3次反射穿过石英管, CH4气体浓度测量的过程从热解开始前一直持续到热解过程完全结束。在热解过程的开始阶段, CH4气体的浓度迅速增加, 之后逐渐下降, 直至最后降为0, 整个热解过程持续时间约为60 s。在气体释放速率最大处, 准东煤产生的CH4气体的体积分数约为大同煤的2倍；准东煤发生热解反应更加迅速, 且产生了较多的CH4气体。
光谱学 可调谐激光吸收光谱 煤粉热解 CH4气体浓度 在线测量 激光与光电子学进展
2017, 54(8): 083001
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Four tomography algorithms, including the algebraic reconstruction technique, simultaneous iterative reconstruction technique, the multiplicative algebraic reconstruction technique, and the adaptive algebraic reconstruction technique (AART), are compared with each other based on the tunable diode laser absorption spectroscopy technique; the determination of the relaxation parameter is discussed to improve reconstruction quality and shorten computational time as much as possible. The calculated results demonstrate that the AART algorithm can produce the reconstruction results with better quality and less computational time. In the experimental measurement, the AART algorithm with a two-line thermometry scheme is adopted to measure the spatial distribution of H2O temperature and concentration, two H2O absorption lines near 1397.8 nm are selected, the temperature and H2O concentration in the McKenna plat premixed flames are experimentally reconstructed and analyzed, and the results of integrated tomography reconstruction are consistent with the thermocouple traverse measurement.
120.1740 Combustion diagnostics 110.0110 Imaging systems 300.1030 Absorption Chinese Optics Letters
2016, 14(11): 111201
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
针对二维气体浓度分布, 主要选用多条H2O的吸收谱线, 采用代数迭代重建算法, 研究了在激光光束较少且假定温度分布已知的情况下, 即不考虑燃烧场中温度对谱线强度的影响时, 不同谱线条数对二维浓度重建结果的影响, 对比了在同一浓度模型下通过增加激光光束与增加H2O吸收谱线条数对气体浓度重建结果的影响; 研究了增加谱线条数重建气体浓度分布对不同温度与浓度分布模型的适应情况, 其中, 文中所选取的多条吸收谱线可以由一个激光器同时扫描得到。 浓度测量区域采用10×10的网格划分, 测量区域中的温度和浓度分布采用单峰不均匀分布与双峰不均匀分布, 重建过程中计算了吸收谱线与激光光束的有效利用率。 重建结果表明在激光光束较少时, 增加吸收谱线条数可以获得更多与浓度相关的谱线参数信息, 且与增加激光光束相比可以明显改善浓度重建结果, 更主要的是增加谱线条数可以有效降低实验中硬件设备的成本投入以及测量系统的复杂性。
代数迭代算法 二维浓度重建 多条吸收谱线 激光吸收光谱 ART algorithm Two-dimensional concentration reconstruction Multiple absorption lines Tunable diode laser absorption spectroscopy 光谱学与光谱分析
2016, 36(11): 3485
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
基于可调谐激光吸收光谱技术, 主要采用数据处理的方法如互相关、 小波分析等降低光谱吸收技术的测量下限。 采用可调谐激光吸收光谱技术中的波长调制技术, 对较低浓度下的NH3进行了降低测量下限的试验研究。 采用近红外波段2.25 μm附近的一组ν2+ν3 NH3吸收谱线, 其强度远高于1.5 μm处谱线, 结合波长调制技术在最优信噪比的条件下对常温常压下不同浓度的NH3进行了测量。 为了保证实验条件下测量得到的二次谐波信号的峰值高度达到最大且信噪比最优, 实验在调制系数为2.2左右的情况下, 通过加载最优的高频调制信号来保证信噪比(SNR)。 在10 m长的Herriott池中探测到了浓度为0.6×10-6的二次谐波信号, 其中信号处理部分主要采用相关分析、 多次平均以及小波变换分析来控制中心波长的移动和降低噪音的干扰。 结果表明, 经过数据处理以后的谐波信号, 其检测下限降低到处理前的约百分之一, 且不需要增加任何实验设备就可以很好的抑制噪音的影响, 将相关分析和小波分析与波长调制技术相结合, 这种数据处理方法对于在线检测技术具有很好的实用价值。
波长调制技术 信号处理 小波变换 相关分析 Wavelength modulation technology Signal process Wavelet transform analysis Cross-correlation analysis 光谱学与光谱分析
2016, 36(6): 1794
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测, 实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验, 其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。 通过分析近红外波段的氨气吸收谱线, 并考虑实际测量环境H2O和CO2等浓度很大的气体吸收谱线的干扰, 实验选取2.25 μm附近的ν2+ν3谱线作为浓度检测谱线。 为了验证所选谱线对低浓度NH3的测量能力, 实验对H2O, CO2和NH3的吸收谱线进行模拟, 发现低浓度NH3受较大浓度的H2O和CO2谱线的干扰较小, 尤其是CO2谱线的干扰可以忽略不计, 且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。 基于新型Herriott池以及高温管式炉, 结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术, 实现了对不同温度下超低浓度NH3的高分辨率快速检测。 常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述, 直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。 通过采用简单降噪处理技术如多次平均、 简单小波分析等, 得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系, 为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。
可调谐激光吸收光谱 近红外 NH3浓度测量 探测极限 Tunable diode laser absorption spectroscopy Near-infrared Ammonia concentration measurement Detection limit 光谱学与光谱分析
2015, 35(6): 1639
