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。

提出了基于波长调制光谱(WMS)方法实现非均匀燃烧场气体温度和H2O组分浓度场二维重建的测量方法。利用实验测得的2f/1f信号, 通过数值仿真与迭代实现了激光穿过非均匀燃烧场后积分吸光度的测量, 进而利用重建算法实现了燃烧场的二维分布测量。选用H2O的两组谱线对针对单高斯分布和阶跃分布模型开展了数值仿真研究, 并采用频分复用方法在平面燃烧火焰中开展了实验研究。结果表明：基于WMS方法的二维重建测量精度较高, 在单高斯分布模型中, 7185.60 cm-1和7454.45 cm-1谱线对的温度和H2O浓度的重建误差分别小于2%和2.5%; 在对温度敏感的区间内, 所选谱线对的重建误差较小, 在对温度不敏感的区间内, 重建误差较大; 火焰中心区域的重建结果与预测值一致, 温度重建误差小于3.2%, 在温度阶跃变化的边缘区域, 重建效果较差, 原因在于WMS方法和代数迭代算法对温度阶跃变化流场不敏感。

基于波长调制光谱(WMS)理论,提出一种利用光谱拟合实现燃烧场气体参数测量的方法;通过拟合谱线的谐波信号实现谱线积分吸光度、多普勒线宽和碰撞线宽的测量,进而实现燃烧场内气体温度、压强和水蒸气浓度的测量;通过数值仿真研究了积分吸光度和碰撞线宽对谐波信号的影响,并在样品池中进行实验研究。结果表明:谐波信号光谱对积分吸光度的灵敏度约为1,而对碰撞线宽的灵敏度则随碰撞线宽增大而先增大后基本不变;光谱拟合测量方法具有较高的测量精度,气体温度、压强、水蒸气物质的量分数的测量值与预测值的最大相对偏差分别小于4%、6%、5.5%。

为了探索激光吸收光谱技术在非均匀流场中的应用, 提出了一种新的实现非均匀流场中气体参数定量测量的方法。 预知被测流场中的温度变化范围后, 选择在该温度范围内具有近似线性变化特性的谱线, 线性拟合该温度范围内的谱线强度, 结合实验测量的吸收光谱便可以实现非均匀流场中H2O组分权重的温度积分平均值和H2O组分积分平均值的定量测量。 两温度分布和高斯温度分布模型的仿真研究证明了该方法的有效性和可靠性。 两温度分布模型中的测量结果与理论值的偏差分别小于082%和110%, 而高斯温度分布模型中不同光线中的测量值与理论值的最大偏差分别小于09%和36%。

利用基于可调谐半导体激光器的扫描波长调制光谱技术, 实现了高温燃烧场内气体参数的测量。 提出了基于迭代算法实现气体压强、 温度和组分浓度同时测量的方法, 迭代算法具有收敛速度快以及对初始值不敏感等优点。 采用频分复用技术, 利用两条H2O吸收谱线(7 454.45和6 806.03 cm-1)的谐波信号, 对高温燃烧场进行了实验研究, 并将气体压强、 温度和H2O组分浓度测量结果与压力传感器、 热电偶和直接吸收光谱法的测量结果进行比较, 结果表明, 基于波长调制光谱技术测得的气体压强、 温度和H2O浓度与预测值基本符合, 最大偏差分别在7.6%, 8.1%和7.5%以内。 此方法具有多参数同时测量、 免标定等显著优势, 但由于依赖的参数较多, 容易对测量精度造成影响。

基于扫描波长调制光谱方法实现了超声速气流的温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量的测量。利用两条H2O吸收谱线的谐波信号，研究了均匀流场中超声速气流多参数同时测量的方法。基于波长调制光谱技术的测量结果能准确反映均匀流场中的气体参数，然而实际流场往往具有边界层。针对具有边界层的近似均匀流场，数值仿真研究了谱线选择和边界层厚度对流场中心流测量结果的影响。仿真结果表明，随着边界层厚度不断增大，测量结果误差逐渐增大，选择对边界层温度不灵敏的吸收谱线能够有效降低边界层的影响。对超燃直连台隔离段内的超声速气流进行实验研究，结果表明基于波长调制光谱的测量方法在强噪声和强振动的环境中具有较高的测量精度。温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量测量值与预测值的最大相对偏差分别在8.2%、7.2%、2.0%、3.1%和6.4%以内。

基于扫描波长调制光谱技术,开发了一种同时测量气体压强、温度和组分浓度等多个参数的传感器.详细分析了利用谱线的4fpeak/2fpeak和2f/1f信号测量气体参数的迭代算法以及传感器的设计方案.采用频分复用方案,利用7 429.72 cm-1和7 454.45 cm-1两条H2O谱线对温度分布在300~1 200 K范围内的静态气室进行了实验研究.实验结果表明,迭代算法具有收敛速度快和测量精度高等优点,温度、压强和H2O组分浓度的测量值与预测值基本符合,与预测值的最大相对偏差分别在4%、6%和6%以内.

利用基于可调谐半导体激光器的免标定波长调制光谱技术，通过迭代求解实现了温度和组分浓度的测量。通过测量7185.60 cm-1和7454.45 cm-1两条H2O吸收谱线的激光调制参数，得到了实验和仿真所需的参数。采用频分复用技术，对温度分布在600 K~1000 K范围内的气体温度场进行了温度和组分浓度的测量验证。结果表明，基于免标定波长调制光谱技术测得的气体温度和组分浓度与预测值基本符合，与热电偶测得的温度和直接吸收光谱方法测得的组分浓度的最大相对偏差分别在4%和5%以内。

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。

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。