南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094
针对圆形截面非均匀流场的速度分布测量问题，提出了基于激光吸收光谱技术的圆形燃烧场流场速度二维重建方法。建立了激光光谱吸收率与流场速度分布的物理模型，重建了光谱吸收系数分布并对流场速度分布进行了数值模拟。结果表明，对于圆形区域速度分布重建，在信噪比为15 dB的重建验证中平均相对误差稳定在3.73%，在信噪比大于35 dB时，重建结果的平均相对误差稳定在1.50%以下，且对于不同的输入模型下（双峰、环形）的速度分布重建该方法重建结果稳定，本文使用的重建方法能够较准确地反映流场速度的分布情况，可实现对极坐标下圆形区域及环形区域速度分布的重建。研究结果可为激光吸收光谱技术在发动机流场气体诊断中的应用提供技术支撑。
光谱学 激光吸收光谱 多普勒效应 二维重建 光学测量 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1730004
南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094
针对激光吸收光谱技术波长调制方法测量技术，提出了一种非分光多谱线二次谐波测量方法。通过调整谱线间相对位置，在无需光栅等分光装置条件下可实现对多谱线调制信号的解调制，进而在线测量气体温度。基于7185.60 cm-1/7444.35 cm-1 H2O吸收谱线讨论了调制系数和谱线间相对位置对于测量的影响，结合调制信号频谱图分析了不同调制频率工况下的二次谐波提取方法。利用数值仿真方法建立了脉冲爆轰过程复杂流场变化模型，采用提出方法对脉冲爆轰过程燃气温度进行了测量，验证了该方法的正确性。研究结果对复杂环境条件下波长调制测量方法的应用具有重要意义。
傅里叶光学与信号处理 波长调制 二次谐波 脉冲爆轰 温度测量 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0107001
南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094
为了提高激光干涉测量法的抗干扰能力，提出幅度调制激光干涉测量法。使用可调谐半导体激光器的高频调谐特性对激光信号进行幅度调制，通过水表面反射光与参考光的干涉来获取水下声场的信息，采用锁相放大解调制法实现激光干涉水下声信号的准确反演。对幅度调制激光干涉水下声信号特征进行模拟，搭建基于光纤耦合式的激光干涉水声测试系统，采用10 kHz的调制频率驱动中心波长为1405 nm的尾纤输出可调谐半导体激光器，并对水下声信号进行测量。结果表明，所提方法能够有效提取水下不同频率和不同强度声信号的振动特征，在频率为2 Hz的脉冲噪音的干扰条件下，相较于传统激光干涉测量法，所提方法测量的信噪比提高了10 dB以上，增强了水声测量的抗干扰能力。
测量 激光干涉 水下声信号 光纤光路 调制解调 频谱分析 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0912006
南京理工大学瞬态物理国家重点实验室, 江苏 南京 210094
针对在不完全投影数据条件下燃烧场气体组分浓度、 温度二维分布重建难题, 提出了一种基于虚拟光线再投影方法的燃烧场二维重建算法。 利用有限的测量投影数据进行差分运算获取相同角度下不同位置处虚拟光线投影值, 增加光线数量以提高重建质量。 采用改进型代数迭代算法对燃烧场进行重建并获取燃烧场的重建初始值, 利用再投影方式获取其他投影角度下虚拟光线的投影数据并进行联合迭代, 最终实现对燃烧场气体组分浓度与温度二维分布重建。 采用近红外波段7 185.6和7 444.35 cm-1两条H2O特征吸收谱线结合21条测量光线对49×49网格区域进行计算, 通过对相同光线数量条件不同布置方式燃烧场重建结果进行对比分析, 选取了合理的光线布置结构。 与传统的采用平滑因子的代数迭代重建算法进行对比, 虚拟光线再投影方法的重建精度明显提高, 同时该方法消除了人为选择平滑因子对重建结果所带来的主观影响, 降低了由于投影角度较少所带来的重建误差。 计算结果表明, 重建误差随着再投影运算次数的增加而不断下降, 当在再投影次数达到十次后重建误差逐渐趋于稳定。 在5%噪声幅值条件下进行十次再投影后, 温度分布重建误差小于5.76%, 浓度分布重建误差小于8.83%, 测量噪声对于燃烧场重建结果影响较小。 通过对600~1 200 K温度范围内的双峰以及三峰燃烧场模型进行计算分析, 验证了虚拟光线再投影方法对于不同工况下燃烧场气体组分浓度、 温度二维分布的重建能力。 研究结果对有限投影条件下的激光吸收光谱技术二维重建技术理论研究具有重要意义, 可促进激光吸收光谱技术在现实燃烧装置中的工程化应用。
激光吸收光谱 二维重建 代数迭代算法 虚拟光线 再投影 Laser absorption spectrum Two-dimensional reconstruction Algebraic reconstruction technique Virtual beam Re-projection 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3686
