CN101680833B - 执行吸收光谱法的方法和用于吸收光谱法的设备 - Google Patents

Abstract

一种吸收光谱法的方法，包括沿着穿过所关注的一定量气体的多于一个的视线路径，在多个波长处获取吸收数据。该方法进一步包括沿着多个视线路径标识多于一个的温度和气体物质浓度箱，以及创建温度和气体物质浓度的图。如此创建的图将具有来源于沿着多于一个视线路径标识的选定温度和气体物质浓度箱的至少二维信息。还公开了用于实现上面的方法的设备。

Description

执行吸收光谱法的方法和用于吸收光谱法的设备

技术领域

本发明涉及通过面元划分(binning)和层析成像(tomography)，获取高空间分辨率的光谱气体温度和物质浓度测量的方法和设备。 

背景技术

吸收光谱法，包括可调的二极管激光器吸收光谱法(TDLAS)，是用于测量气态混合物中的各种物质的浓度的技术。吸收光谱法技术特别适用于实现非常低的探测极限。除物质浓度之外，还可以利用吸收光谱法来确定被观测的气体的某些物质的温度、压力、速度和质量流量。 

典型的TDLAS设备包括可调的二极管激光器光源加发射和接收光学装置和检测器。在这样的波长范围上调谐该可调二极管激光器的输出，该波长范围包含在激光束的路径中所关注的各种气体物质的选定的吸收线。吸收的特点使得可被检测并且用于确定气体浓度及其他属性的所测量信号的强度降低。在标题为“Method And Apparatus For The Monitoring And Control Of Combustion”的共同待审的美国专利申请No.10/543,288中详细描述了TDLAS的使用，在此引用该申请的全部内容作为参考。 

层析成像是在各种选定的朝向上，在多个常常是交叉的路径或投影内，从视线测量值中获取空间分辨率的技术。层析成像是广泛地用于诸如医学成像之类的应用场合的已知的技术。在每一朝向，监视所透射的射线。每一次透射测量都是由光束经历的路径上的平均值。换句话说，单个投影提供不了空间信息。通过使用来自许多次投影的透射结果作为输入，可以使用数学转换来重建对象必然看起来的模样，以便产生测量的透射。如此，通过固有地产生视线平均值的技术获取空间分辨率。高层析成像空间分辨率要求使用许多投影。在吸收光谱法应用的情况下，所需的光学通路可能不可用来支持许多射束路径，因此将传统的层析成像限制于相对比较低的分辨率。在其他情况下，成本考虑也会限制可能的射束路径的数量，也限制了可获得的分辨率。 

温度面元划分是第二种已知的吸收光谱法技术，对于沿着单一视线投影获取的温度测量值，可以实现一定程度的空间分辨率。参见，例如，Liu，Jeffries和Hanson所著的“Measurement ofNonuniform Temperature Distributions Using Line-of-SightAbsorption Spectroscopy”(2007年2月，AIAA Journal，45：2：411)(附录II)，在此引用该文的全部内容作为参考。温度面元划分技术可以补充常规的TDLAS测量以在单一射束路径上确定温度变化。例如，利用常规的TDLAS，可以通过测量同一燃烧物质的两个仔细选择的波长上的吸收，确定路径平均温度。如果已知两个选择的频谱特征的透射强度随着温度的变化而表现不同，则可以进行灵敏的温度测量。吸收特征的强度的比率特别适合作为温度的指标，因为该比率不像每个单条线的测量的强度那样依赖于物质浓度。因此，可以利用基于TDLAS的设备，进行准确的温度测量，尽管实际的物质浓度最初是未知的。 

温度面元划分类似于常规的双线温度测量，但是，通过使用多个吸收线，可以确定沿着视线路径的多于一个温度带的相对长度；温度带被称为“温度箱(bin)”。对于大多数燃烧系统，水提供了方便的靶物质，因为它在燃烧系统中普遍存在，并且它在容易访问的波长上强烈地吸收。然而，氧或任何其他物质也可以用作备选气体系统中的靶分子。在大多数燃烧系统中，温度在任何单一投影的路径上会显著地变化。总之，温度面元划分涉及使用多个波长来标识长度L₁……L_n的箱，其中，每个定义的箱都处于T₁……T_n的平均温度处。 一般而言，每个额外的箱都要求使用至少两个新的波长来进行测量。在目标的物质浓度未知的情况下，必须添加两个以上的波长以定义每个新的箱。 

可以定义许多温度箱，只要充分多的数量的适当的波长用于测量；然而，温度面元划分技术有一个显著的缺点；面元划分不提供关于每个箱在空间上相对于其他箱如何排列的信息。有时，可以从气体或燃烧系统的先验知识获得此信息。例如，相对冷的过渡带常常位于燃烧系统的边缘。然而，在某些情况下，先验知识可能导致错误的结论，例如，在燃烧室不能正常工作或错误理解气体系统的情况下。 

本发明目的在于克服上文所讨论的一个或多个问题。 

发明内容

一个实施例是吸收光谱法的方法，包括沿着通过所关注的一定量气体的多于一个的视线路径在多个波长上获取吸收数据。该方法进一步包括沿着多个视线路径标识多于一个温度和气体物质浓度箱，并创建温度和气体物质浓度的图。如此创建的图将具有来源于沿着多于一个视线路径标识的选定温度和气体物质浓度箱的至少二维信息。 

上文所描述的方法还可以进一步包括通过比较沿着一个视线路径标识的箱与沿着交叉的视线路径标识的箱，确定选定温度和气体物质浓度的空间位置。温度和物质浓度的分布可以表达为对应于至少两个视线路径的位置的解析函数。或者，温度和物质浓度的分布可以表达为沿着至少两个视线路径的一系列离散的值。 

一个备选实施例是用于吸收光谱法的设备，包括用于沿着通过所关注的一定量气体的多于一个的视线路径在多个波长上获取吸收数据的设备。该设备进一步包括光谱分析和数据处理设备，以标识沿着多个视线路径的多于一个的温度和气体物质浓度箱，并创建温度和气体物质浓度的图。如此创建的图将具有来源于由该设备沿着多于一个视线路径标识的选定温度和气体物质浓度箱的至少二维信息。 

附图说明

图1-3是根据本发明的选定的视线路径布局的示意表示。 

图4-5是利用这里所描述的方法取得的代表性的层析成像。 

图6-16是定义了用于实现这里所描述的方法的选定区域的备选视线路径配置。 

图17是根据本发明的设备的示意图。 

具体实施方式

这里所说明的一个实施例是执行吸收光谱法的方法，该方法将层析成像与温度面元划分组合起来，以改善多维的空间温度和物质浓度分辨率。此外，将层析成像与温度面元划分组合起来可以提供某些必需的初始空间信息，以推导所确定的沿着任何特定的视线路径的温度箱的顺序，而无需有关被探测的气体系统的先验假设。如此，层析成像与温度面元划分的组合是共生的；面元划分技术可以用于提高层析成像分辨率，并且层析成像提供了关于沿着每个视线路径测量的温度和物质浓度的排序的初始空间信息。 

这里所说明的某些方法的特征是沿着穿过正在被探测的一些气体的选定数量的视线路径的光谱技术。此外，在多个波长上利用光谱方法探测每个视线路径，该多个波长对应于与被探测的气体物质的一个以上的跃迁(transition)关联的多个吸收线。这里所说明的实施例不限于任何特定层析成像图案或箱数量。这里所描述的技术可以用于任何气体系统，包括但不仅限于燃烧系统、喷气式引擎、常规引擎、火箭和实验室或工业气体系统。所有实施例的特征是吸收光谱法，可以按如下方式概述其中的关键元素。 

当具有正确频率的激光穿过气体样本时，可以根据爱因斯坦的辐射理论预测吸收的光的比率。当气体介质均匀时，可以根据比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律来计算吸收的激光的比率： 

方程#1： ${\left(\frac{I_t}{I_O}\right)}_v=\exp [-{\mathrm{PX}}_{\mathrm{abs}}{S}_i\left(T\right){\mathrm{\φ}}_{v}L]$ 定义：I_t    ＝透射的激光强度，W/m²I_v    ＝频率v处的激光强度，W/m²Io    ＝入射的激光强度，W/m²k     ＝玻尔兹曼常数，J/KL     ＝总的路径长度，cmP     ＝总压力，atmS_i    ＝跃迁i的谱线强度，cm^-2atm^-1T     ＝温度，KX_abs  ＝吸收物质的摩尔份数φ_v   ＝频率v处的线形函数(line-shape funciton) 

上面的关系要求吸收物质的温度T是已知的。然而，可以基于线强度S只是温度一项的函数这一事实来测量温度。在探测相同物质的两个不同吸收线而同时扫描吸收光谱的情况下，综合的吸收的比率是根据方程#2的温度一项的函数： 

方程#2： $R=\frac{A_1}{A_2}=\frac{S_1\left(T\right)}{S_2\left(T\right)}$ 额外的定义：A＝综合吸收率，cm^-1R＝综合吸收率的比率 

如上文所描述的，温度面元划分在具有不同温度依赖关系的多个跃迁上利用方程2中的关系，以确定关于沿着选定视线的不均匀的温度分布的信息。这里所公开的方法规定，温度的分布和目标物质的浓度可以通过位置的解析函数或者沿着给定视线路径的一系列离散值来表达。在位置的解析函数的情况下，解析表达式的系数可以通过上文所描述的面元划分技术和随后应用的层析成像来求解，以绘制考虑中的区域的温度和物质浓度的图。在确定离散值的备选情况下，通过常规TDLAS加温度分布和物质浓度的面元划分技术，来计 算每个值。每个值都构成具有特定大小的温度和物质浓度箱。如此，可以通过用层析成像数据补充面元划分信息，制作温度分布和物质浓度图。 

图1概要地显示了使用位置的解析函数以面元划分和层析成像实现的吸收光谱法的实例。值得注意的是，图1和随后的图不对目前所说明的方法和设备的范围构成限制。所显示和描述的特定的层析成像和面元划分布局是选定的代表性的实例，以全面地描述可以用于实现所需的分辨率目标的面元划分和层析成像策略。这里所描述的方法和设备可以利用任何层析成像图案来实现，包括任意数量或任何布局的视线路径和任何能实现的数量的箱。当实现这里所描述的方法时获得的最后的分辨率将只受在层析成像实现方式中所使用的路径的数量和对应于可用于测量的吸收特征的波长的数量的限制。 

图1是m个路径乘n个路径的正交布局10，这些路径可被排列成具有总共m+n个路径的任何尺寸的直线网格。图1中示出的温度和物质浓度以沿着每个路径的位置12的解析函数表示。一般而言，位置的解析函数是F(a₁，a₂，…a_k，L)的形式，其中，F是系数a₁，a₂，…和a_k的函数，L是位置。一个选定的路径的系数的数量可以不同于其他路径的系数的数量。图1所示的具体表达式是m个路径之中路径i的函数12(i)，以及n个路径之中的路径j的函数12(j)。函数12本身可以是描述位置的任何解析形式，并可以在不同路径之间有所不同。尽管，一般而言，应该使用最简单的解析函数(需要最少数量的系数的解析函数)，因为这会最小化必须求解的联立方程的数量，并且因此提供所使用的波长的数量的最大量的信息。所有路径上的函数12的系数需要使用在每个波长上测量的频谱吸收率信息加每个路径的任何已知的边界条件来进行求解。在沿着每个路径的温度和物质浓度分布确定的情况下，可以通过任何合适的数学内插法，计算不直接在路径上的其他点的温度和浓度分布。例如，可以使用包围路径外点的路径上点的加权平均值来计算路径外点上的值的估计。也可以使用其他更加复杂的路径外的估计方法。 

图2也是n乘m条正交路径的示意布局14，这些路径可以按任何尺寸的直线网格排列(加起来总共n+m个路径)。在图2中，温度和物质浓度用沿着每个路径的多个部分具有离散值的离散的箱16表示。假设每个温度和浓度值在某一长度L(箱的长度)上是常量。如果适当的话，不同箱可以具有相同的值和尺寸。最初，沿着给定的路径的箱的顺序是未知的。在使用常规TDLAS和面元划分技术求解出所有路径的所有离散值之后，可以使用来自相邻的或交叉的路径的观察到的箱信息推导箱顺序。随后，可以使用任何数学有效的内插手段，创建层析成像的图像。例如，一个路径外点周围的路径上的加权平均值产生该点的值的合理估计。 

当前方法包括两个单独的非排他性的方法用于求解系数(在产生位置的解析函数的情况下)，或求解出每个箱(如果使用离散值的话)。这些方法是基于频谱吸收率的方法和基于频谱轮廓的方法，下面将对它们进行详细描述。 

基于频谱吸收率的方法

基于频谱吸收率的方法使用来源于比尔-朗伯定律的吸收方程(方程1)求解出每个箱内的值，其中，位置的解析函数的系数或箱值/尺寸是未知的。将每个箱的最终计算出的吸收率(取决于假设的浓度、温度，以及箱长度)相加，而对于每个波长来说它们必然等于沿着该路径的测量到的总的综合的吸光率。使用一般已知的比尔-朗伯定律技术，确定沿着每个路径使用的每个谱线的总的综合的吸收率，其中，求解方程1以得到吸收率；例如： 

方程#3：A＝∫ln(I(λ)/I₀(λ))dλ 

为确定唯一解，无论温度和浓度是被表达为位置的解析函数还是沿着视线路径的一系列离散值，未知数的数量都必须等于或小于方程的数量。在边界条件已知或有关于物质浓度或温度分布的先验信息可用并且准确的实现中，方程的数量可以增加，而未知数的数量不增加。下面的表1包括代表性的分析场景的非排他性的列表，带有在温度和浓度被表达为一系列离散值的情况下对频谱吸收率数据进 行求解所作的各种实践的假设。在表1之后讨论了温度分布和物质浓度被表达为位置的解析函数的备选情况。 

表1：离散值情况的代表性的方程

如果温度和物质浓度的分布可以表达为位置的解析函数， 则可以确定的系数的最大数量等于可以求解的方程的数量。如果有正在检查的特定量气体的某些方面的先验知识，则可以利用较少的方程确定较多的系数。在某些情况下，如果先验信息可用，则可以将位置的解析函数和一系列离散值结合起来实现面元划分。 

一旦温度和物质浓度的分布被表达为一系列离散值(要么最初，要么在对位置的解析函数进行求解之后)，就确定温度、物质浓度和箱尺寸的组的列表。然而，可能需要知道正在检查中的特定量气体的特性，以便沿着给定路径设置箱。然而，一旦完成了沿着交叉的或相邻的路径的面元划分，并考虑了先验条件，就可以使用数学计算产生气体温度和浓度的层析成像表示法，以填充箱之间的空隙。 

基于频谱轮廓的方法

当温度的分布和物质浓度被表达为位置的解析函数或者沿着视线路径的一系列离散值时，求解必要的系数的基于频谱轮廓的方法包括直接地面元划分未知数，以拟合所测量的频谱轮廓的特性。一般而言，未知数的数量必须小于频谱中测量的数据点的数量，在大多数情况下，未知数的数量必须显著地小于频谱数据点的数量。可以使用任何合适的方法，例如，基于最小均方误差的算法，来将测量的频谱数据拟合到温度和浓度箱。一旦确定了面元划分的未知数，可以以与上文所描述的基于频谱吸收率的方法一样地产生层析图像。 

正在检查的系统的测量的频谱轮廓可以不如根据频谱轮廓确定的吸收率那样稳定。因此，基于频谱轮廓的求解方法可能更加适合于频谱信号强并稳定，而且频谱变化易于测量的环境。或者，在任何测量环境中都可以使用基于频谱吸收率的求解方法。 实例 

下面的实例只用于说明用途，不对本发明的范围构成限制。 实例1：

实例1考虑了使用3个路径的圆柱对称燃烧区测量和水的3条吸收线的测量，如图3-4所示。如此，在实例1中，在具有圆形 截面的燃烧区18上测量温度和水浓度。假设温度和水浓度分布是圆形对称的。使用的对称性的最小单位是圆的八分之一。假设每个对称的单位相对于相邻的对称单位表现出镜面对称。因此，可以只确定一个单元中的温度和水浓度分布，并且基于前面的对称性的假设，对于其他单元假设结果是相同的。如图3所示，在45度的圆弧内，以22.5度的间隔，部署了三个视线激光器路径20、22、24。由于沿着每个路径进行了三个波长的光谱检查，可以沿着每个路径确定两个箱；假设这两个箱是边界箱26和中心箱28。此外，根据上面所提及的基本假设，对于所有三个路径，假设中心箱28具有相同的大小、温度和水浓度。相应地，三个边界箱24(每个路径一个箱)各自都是相同大小。额外假设完整的对称性，三个边界箱中的每个都可以相等地被分为两个部分，例如，26(a，b)，一个部分被置于给定路径的每个末端。 

相应地，有四个箱(三个边界箱和一个中心箱)，它们具有四个温度(T1、T2、T3和Tc)和一个水浓度(x)，假设局部压力在燃烧区是相等的，并假设中心箱的一个尺寸(Lc)。结果，基于陈述的假设，此实例出现六个未知数。沿着三个路径中的每个路径测量的三个谱线产生9个方程。因此，可以通过最小均方误差或类似的方法，求解未知数。 

在求解出面元划分的情况下，可以通过从箱值外推，绘制探查的区域中的路径之外的区域的图。例如，在每个路径上，可以利用二次方曲线或在两个箱值上使用的其他技术来平滑靠近中心箱和边界箱的交叉点的箱值。类似地，路径(例如，路径20和22)之间的区域可以被划分为两个相同的部分，与路径20相邻的部分匹配路径20上取得的箱值，并且与路径22相邻的部分匹配在路径22上取得的箱值。可以利用二次方曲线或在两个箱值上使用的其他平滑技术，来产生与介于两个部分值之间的虚线同轴的区域。相同的绘图方法也应用于路径22和24之间的区域。然后，该单元可以对称地被映射到整个圆形区域18。 

图4是计算机基于前面的实例取得的代表性的层析成像 30，显示了物质浓度32和温度分布34。应该注意，面元划分和层析成像结合起来使用实现的分辨率超出了单独利用任何一种技术所可能取得的分辨率。 实例2：

此实例代表激波风洞(shock tunnel)中的温度和水浓度的3×3网格测量。 

在实例2中使用了图1的3×3路径布局10。沿着每个路径分析两个谱线。因此，当未知数的数量超出12时，位置只有12个解析函数可用。因此，最初假设，沿着每个路径，只有一个温度和一个水浓度。层析成像基于多个路径上的加权平均值。图5是代表性的层析成像36，显示了使用上文所描述的技术并基于列出的假设所得出的物质浓度38和温度分布40。 实例3：

图6的2×2路径布局代表了圆形区域上的温度和水浓度的2×2网格测量，带有箱/层析成像。在此实例中，每个路径使用了三个谱线。因此，有12个方程可用于分析。假设四个箱，每个箱都覆盖了图6中的一个交叉点。它们也一起构成了层析成像。在图6中，图中的四个箱分别被表示为T1、T2、T3和T4。 实例4：

在图7-15中用图形方式显示了选定的三个路径实例。 实例5：

如上文所详细描述的，在某些情况下，离散值和解析表达式可以组合起来进行求解。 

假设图16中所显示的路径是梯形的。它的每个末端用斜率来表示并且中心部分用常数来表示。两端的斜率是相同的。测量温度和水浓度。使用了五个谱线。在商用锅炉上的选定路径位置实施测量。假设了箱长度，并进一步假设，只需要确定路径结束处的温度(壁温度)和中心处的温度和路径上的水浓度。表2显示了对于选定路径，假设L_edge/L＝0.01的结果，表3显示了对于两个路径，假设L_edge/L＝0.1 的结果。 

表2：对于选定路径，假设L_edge/L＝0.01的结果 

表3：对于两个路径，假设L_edge/L＝0.1的结果 

如图17的示意图所示，在此公开的本发明的另一个方面是适合于实现这里所描述的方法的用于吸收光谱法的设备170。用于吸收光谱法的设备170包括用于沿着穿过所关注的一定量气体的大于一个的视线路径172a-172n在多个波长上获取吸收数据的设备。吸收光谱法设备170可以包括在所关注的多个波长上产生光的多个可调二极管激光器光源174a-174n。在以多个波长上产生的激光可以通过光学或光子学技术领域中已知的任何手段分发到多个视线路径172a-n。 图17用图形方式显示了一个代表性的分发方法。在图17的实施例中，每个波长λ₁-λ_n上的光最初通过多路复用器178被复用，并被耦合到单根光纤176。承载复用光的光纤176耦合到交换机或路由器180，交换机或路由器180可以有选择地将复用光路由到与每个视线路径172的输入端关联的输入或投光器(pitch optics)182a-n。光跨视线路径从输入光学装置182向与所关注的特定量的气体相对的输出或收光器(catch optic)184a-n投影。每个收光器或输出光学装置184可以耦合到输出端路由器或交换机186(它们通过光纤188与解复用器190进行通信)。解复用器的输出可以传输到对输入波长λ₁-λ_n敏感的一系列检测器192-192n。检测器192a-n的输出可以传输到被配置为计算吸收光谱法数据的设备194。设备194可以是较大的数据处理系统196的一部分，数据处理系统196包含适合于创建温度和气体物质浓度的图的硬件和软件，如此创建的图具有来源于沿着通过所关注的一定量的气体的大于一个的视线路径172a-n标识的选定温度和气体物质浓度箱的至少二维信息。 

上文所描述的吸收光谱法设备170的特定光学/光子学配置只是代表性的。本发明的范围包括适合于执行这里所描述的方法的任何设备。 

本发明还包含权利要求的所有可能的置换，好像它们是多个从属权利要求。 

尽管参考许多实施例详细地显示和描述了本发明，但是，所属领域的技术人员将理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对这里所说明的各种实施例的形式和细节进行更改，这里所说明的各种实施例不对权利要求的范围构成限制。这里引用的所有参考文献都全部引用，作为参考。 

Claims (8)

1.一种执行吸收光谱法的方法，包括：

沿着穿过所关注的一定量气体的多于一个的视线路径，在多个波长处获取吸收数据；

沿着多个视线路径标识多于一个的温度和气体物质浓度箱；

创建温度和气体物质浓度的图，所述图具有来源于沿着多于一个视线路径标识的选定温度和气体物质浓度箱的至少二维信息；以及

通过比较沿着一个视线路径标识的箱与沿着交叉的视线路径标识的箱，确定选定温度和气体物质浓度箱的空间位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，温度和物质浓度的分布被表示为对应于至少两个视线路径中的每个的位置的解析函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，温度和物质浓度的分布被表示为沿着至少两个视线路径的一系列离散值。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，通过将吸收方程应用于所测量的光谱吸收，求解位置的解析函数的系数。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，通过将测量的光谱吸收拟合到利用未知面元划分参数计算出的频谱轮廓，求解位置的解析函数的系数。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述离散值是通过将吸收方程应用于测量的光谱吸收来确定的。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述离散值是通过将测量的光谱吸收拟合到根据未知面元划分参数计算出的频谱轮廓来确定的。

8.一种用于吸收光谱法的设备，包括：

用于沿着穿过所关注的一定量气体的多于一个的视线路径，在多个波长处获取吸收数据的装置；

用于沿着多个视线路径标识多于一个的温度和气体物质浓度箱的装置；以及

用于创建温度和气体物质浓度的图的装置，所述图具有来源于沿着多于一个视线路径标识的选定温度和气体物质浓度箱的至少二维信息，

其中，所述设备通过比较沿着一个视线路径标识的箱与沿着交叉的视线路径标识的箱，确定选定温度和气体物质浓度箱的空间位置。

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