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。

针对羟基示踪测速技术在超燃流场应用中测量图像受复杂背景干扰严重的问题, 提出一种提高信号提取能力的方法.该方法通过三个步骤实现信号提取能力的提升：利用霍夫变换进行信号识别; 基于感兴趣区域的大津阈值算法进行图像分割; 结合骨架提取和方向模板方法进行标记线提取.在此基础上, 结合仿真和实验, 验证了该方法可提高超燃复杂背景干扰下的信号提取能力, 解决了提取羟基有效信号精度不够的问题.

基于可调谐半导体吸收光谱的波长调制技术,建立了精确的吸收模型。通过两条已知吸收中心的吸收谱线,对标准具自由光谱范围进行标定,并利用更贴近激光器出光特性的描述模型,得到激光器频率-时间响应,结合实验室标定和HITEMP数据库的杂合吸收谱线参数,建立了可与实际吸收直接比较的精确模型,以诊断燃烧流场。本研究以H₂O为目标分子,选取吸收中心为7185.60 cm ^-1和6807.83 cm ^-1两条吸收线,利用扣除背景的归一化二次谐波信号峰值反演流场温度,并在管式高温炉上进行实验验证,最高测量温度为1500 K,相对误差小于3.1%。吸收模型的准确性决定了所测流场参数的准确性,该模型可应用到更为复杂的燃烧流场环境,实现流场参数的精确测量。

为了保证燃烧流场羟基(OH)示踪速度测量的精度,开展了背景噪声去除方法研究。基于燃烧流场羟基示踪测速数据的噪声特性分析,构建了染噪的数值模型;针对局部的燃烧OH荧光干扰以及流场杂散光等背景噪声,采用了基于Hough变换的空间滤波方法。针对测量系统的物理、电、光以及传感器等噪声,采用了小波变换的噪声去除方法,提高了图像信噪比。提出了一种将两种方法融合的背景去除方法, 抑制了系统噪声对空间滤波算法精度的影响,优化了空间滤波结果。研究结果表明,图像处理后峰值信噪比提高了16.79 dB,信噪比提高了13.91 dB。对燃烧流场实验数据进行了处理,有效地抑制了背景噪声,达到了图像预处理的效果,满足了激光诊断系统对测量精度的要求。

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%。

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。