CN103557886B - 一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时检测的方法，属于激光吸收光谱技术领域。该方法通过在待测高温区域布置激光阵列，对待测区域进行超光谱扫描，利用水蒸气特征谱线的光谱吸收来进行区域温度场和水蒸气浓度场的测量，同时利用其他气体的特征光谱吸收，来进行气体浓度场分布的测量。测量中对待测区域进行网格离散化，通过在网格各行、各列分别布置激光束，对待测气体的特征谱线进行宽光谱扫描，利用扫描得到的光谱吸收率借助智能寻优算法实现对温度场、气体组分浓度场的反演。

Description

一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法

技术领域

本发明涉及红外激光吸收光谱领域，特别涉及一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法。

背景技术

温度作为化学反应和工业过程中的重要参数，对温度场的测量，尤其是对于燃烧过程中温度和组分浓度场的有效、准确监测，是提高燃烧效率、控制污染排放、研究燃烧机理、开发高效燃烧器的决定性条件。

目前温度测量主要分为两类：接触式和非接触式测量方法。

接触式测量：对于燃烧火焰温度的测量，长期以来使用各种不同类型热电偶、示温漆、热电阻等接触式物理探针或测量仪器进行测量。如采用水冷或气冷的多点热电偶测量燃烧器出口温度分布；采用动态补偿气体温度热电偶测量方法，测量燃气涡轮发动机燃烧室出口；采用薄膜热电偶测量高温表面分布；也有文献报道，采用示温漆测量高温旋转部件和复杂结构部件表面的温度场，最高温度可达1300℃，但测温精度较低。这些物理探针经过工程实践的检验，在其适应范围内，具有测量稳定、成本低和使用简便等优点。不过由于物理探针容易干扰流场或受到不良干扰，结果一般需要谨慎校正；且受燃烧装置尺寸过大、过小或过于复杂的限制，结构上很难实现多点测量，使用范围有限；在高温、高速气流或涉及化学反应过程中，容易损坏和烧毁；一般仅能测量宏观平均物理量，缺乏足够的空间和时间分辨率等。可见，经典的接触式测量方法不仅干扰流场，测量误差大，而且在很多场合无法使用，已不能适应现代科技发展的需要，更为重要的是接触式测量方法很难实现温度场测量。

非接触式燃烧诊断技术具有不干扰流场的优点，大体上可以分为基于激光诊断技术（激光光谱法）和非激光诊断技术（超声法）。

激光光谱燃烧诊断法是利用激光信号经过被测介质（高温火焰流场）时信号的物理特性会发生改变，探测器则根据物理特性改变与介质温度（或其它参数）的耦合关系来计算温度（或其它参数）。主要有拉曼散射光谱法、相干反斯托克斯拉曼散射等，但这些方法往往对测量条件要求较高且容易受环境因素的干扰，系统复杂昂贵，操作调试困难，限制了这些方法在实际工业过程中的应用。

声学法用于测量燃烧温度，其基本原理是基于声速与气体静态温度的热力学关系，u=(γRT)^1/2。理论上，可以通过测量在已知距离的一对声波传感器之间的声信号传播时间来确定气体温度。声学测温技术以其测量精度高、非插入式、测量范围广（零下～2000℃）、实时连续测量、维护方便等优点，并已实际应用在大型工业炉膛的温度场重建与监测中。但由于高温燃烧火焰烟气介质并非处于静止状态，具有非均匀的速度场分布，声波传递的实际速度应是声速和气流速度的叠加，因此检测获得声波传递速度除了携带气体介质的温度分析信息外，还受到气体流场的影响。

传统气体浓度检测技术包括人工采样和连续采样两大类，人工采样方法（如化学分析，气象色谱法等）需对气体进行人工采样和实验分析，只能单一成分的逐个进行检测分析，因而该方法效率较低且受操作者分析技能影响较大。连续采样方式常用紫外线、热导式等分析仪器，由采样预处理系统和分析仪器两部分组成，该方法在测量过程中需进行气体采样，响应速度慢，难以进行浓度实时在线监测；单个气体采样点只能得到浓度场中某一处的值，而多点采样测量又会增加设备投资。同时气体在采样过程中易于发生干扰反应，导致测量值和真实值之间存在偏差。

因此，发展二维瞬态温度场、气体组分浓度场同时实时准确监测技术对高温火焰的燃烧诊断具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法，实现高温气体二维温度场、浓度场的监测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时检测的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据气体组分浓度和温度的空间分辨率要求，对待测二维区域进行网格离散化，划分成M×N的网格，每个网格分别对应一个温度和浓度待测值，总的待测值数目为2×M×N；

步骤二、根据上述待测值的数目，从HITRAN数据库中选择I条相应气体的特征吸收谱线，其中并提取各谱线的中心波长λ₀、参考温度下线强度S(T₀)、跃迁低态能级E″、分子配分函数Q(T)的系数[a,b,c,d]；

当时，即可满足未知量的求解，而当时，则可提高计算的精度。相应气体的特征吸收谱线包括水蒸气特征谱线和其他气体特征谱线，利用水蒸气特征谱线的光谱吸收来进行区域温度场和水蒸气浓度场的测量，同时利用其他气体的特征光谱吸收，来进行气体浓度场分布的测量。

步骤三、由主时钟控制函数发生器产生周期性的高频驱动信号，加载到由傅里叶域锁模激光器组成的激光器系统上，以调制激光器的输出频率，实现对步骤二所包含的所有谱线的扫描。激光器系统产生的具有大于或等于步骤二的I条谱线，激光束通过单模光纤传输，经复用器输出M+N+2个信道的激光束，其中M条激光束实现对待测区域每行进行扫描，N条激光束对待测区域每列进行扫描，经气体吸收后由光电探测器可得到相应的M个行透射光强，记为I_i,r和N个列投射光强，记为I_j,r，从复用器发出的另外两条激光束，其中一条激光束直接进入光电探测器用来记录参考光强I₀，另一条激光束耦合到马赫-曾德尔干涉仪来监视波长扫描；

步骤四、将采集得到的行透射光强I_i,r和列透射光强I_j,r(r=1,2…,I)代入下式：

$p_{i,r}=-\ln \frac{I_{i,r}}{I_0},i=\mathrm{1,2},...,M;r=\mathrm{1,2},...,I---\left(1\right)$

$p_{j,r}=-\ln \frac{I_{j,r}}{I_0},j=\mathrm{1,2}...,N;r=\mathrm{1,2},...,I---\left(2\right)$

其中，I₀为参考光强，p_i,r为第r条谱线下、第i行的吸收率；p_j,r为第r条谱线下、第j列的吸收率；

步骤五、建立待测区域的温度场T、气体组分浓度场X的M×N×2个方程：

$A_{i,r}=P\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}S(T_{i,j},{\mathrm{\λ}}_r)\·X_{i,j}\·\mathrm{\φ}({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_r)\·\mathrm{\Δl},i=\mathrm{1,2}...,M;r=\mathrm{1,2}...,I---\left(3\right)$

$A_{j,r}=P\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}S(T_{i,j},{\mathrm{\λ}}_r)\·X_{i,j}\·\mathrm{\φ}({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_r)\·\mathrm{\Δd},j=\mathrm{1,2}...,N;r=\mathrm{1,2}...,I---\left(4\right)$

其中，A_i,r为第r条谱线下第i行的吸收率计算值；A_j,r为第r条谱线下第j列的吸收率计算值，P为气体压力，S(T,λ_i)为线强在波长为λ_i、温度为T时的值，X_i,j为气体摩尔分数，φ(λ-λ_i)为线型函数在波长λ处的值，Δl、Δd分别为网格的行间距和列间距；

步骤六、利用智能寻优算法以下式（5）表示的相对误差函数为目标函数进行寻优计算，设定一精度值，当目标函数值小于预设精度值时计算收敛，即可求得待测区域温度场T、浓度场X的分布：

$D(T^{\mathrm{rec}},X^{\mathrm{rec}})=\underset{k=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(A_{i,r}-p_{i,r})}^2}{{A_{i,r}}^2}+\underset{k=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(A_{j,r}-p_{j,r})}^2}{{A_{j,r}}^2}---\left(5\right)$

其中，T^rec、X^rec为算法重建出的温度场、浓度场，D(T^rec,T^rec)表示由温度场、浓度场计算值得到吸收率值和实际测量值之间的相对误差。

理论上，当上述目标函数值D(T^rec,X^rec)等于零时，测量区域内的温度、浓度重建值和实际温度场分布相同。

本发明相测量方法对于其他温度、浓度测量方法，有以下优点：1）采用超光谱层析成像非浸入式测量温度、浓度场，避免对其产生干扰，可以实现温度、气体浓度场的同时准确测量。2）傅里叶域锁模激光器具有高扫描速度，宽扫描范围、窄瞬时线宽和低噪声等特点，可以实现气体谱线的快速扫描，满足瞬态温度、浓度场重建的要求。3）无需采样预处理，测量设备和被测气体隔离，可以适应高温、高粉尘等恶劣测量环境。

附图说明

图1是本发明的温度场、浓度场测量系统结构原理图。

图2是待测区域网格划分及激光器扫描示意图。

图中：1-主时钟；2-函数发生器；3-傅里叶域锁模光纤激光器；4-复用器；5-光纤准直器、聚光透镜、光电探测器的固定架构；6-马赫-曾德尔干涉仪；7-光电探测器；8-数据采集卡；9-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明

本发明提供了一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法，具体实施步骤如下：

1）根据气体组分浓度和温度的空间分辨率要求，将待测二维区域（假设为L×D的矩形区域）进行网格离散化，划分成M×N的网格，每个网格分别对应一个温度和浓度待测值，总的待测值数目为2×M×N；

2）根据待测量值的数目，从HITRAN数据库中选择具有合适的谱线线强和低态能级的I条水蒸汽特征吸收谱线，其中，并提取各条谱线的中心波长λ₀、参考温度下线强度S(T₀)、跃迁低态能级E″、分子配分函数Q(T)的系数[a,b,c,d]。

3）根据1）中待测区域的尺寸和网格划分方式，在待测区域上安装用于固定超光谱激光发射和采集元件的空间架构，对区域每行、每列进行激光扫描。

4）在附图1的系统中，由主时钟1控制函数发生器2产生周期性的高频驱动信号，加载到相应的傅里叶域锁模激光器3上，以调制激光器的输出频率。激光器系统产生的激光束通过单模光纤传输，经一个复用器4输出为满足实验要求的M+N+2个信道的激光束，其中M+N条激光束接入3）中所述的激光构架5实现对待测区域每行、每列的扫描，每条激光束通过光纤准直器准直后，穿过待测区域被气体吸收，再经聚光透镜聚焦后由光电探测器接收，得到相应扫描波长下的M个行透射光强，记为I_i,r，和N个列投射光强，记为I_j,r。从复用器4发出的另外两束激光，其中一束直接进入光电探测器7用来记录参考光强I₀，另一束耦合到马赫-曾德尔干涉仪6来监视波长扫描。从光电探测器7输出的模拟电压信号通过同轴电缆接入数据采集卡8，并适时存入计算机9进行数据处理。

5）在激光器的扫描范围内分别实现I条谱线的扫描，同时将光电探测器阵列探测得到的行透射光强I_i,r和列透射光强I_j,r(r=1,2…,I)分别代入下式（1）、（2）得到行、列吸收率：

$p_{i,r}=-\ln \frac{I_{i,r}}{I_0},i=\mathrm{1,2},...,M;r=\mathrm{1,2},...,I---\left(1\right)$

$p_{j,r}=-\ln \frac{I_{j,r}}{I_0},j=\mathrm{1,2}...,N;r=\mathrm{1,2},...,I---\left(2\right)$

其中，I₀为光电探测器7记录的参考光强信号，p_i,r为进行第r条谱线扫描时，第i行的光谱吸收率，p_j,r为进行第r条谱线扫描时，第j列的光谱吸收率，(r=1,2…,I)。该测量值可作为之后浓度、温度场分布反演计算的已知值。

6）对于二维浓度、温度场，气体浓度、温度为目标区域坐标x和y的函数，此种情况下，需在不同的投影位置对所选谱线进行逐一扫描，投影位置L_j和波长λ_i下的吸收率可由投射路径的待测温度和浓度值表示如下：

$A(L_j,{\mathrm{\λ}}_i)=P{\∫}_a^b\underset{k}{\mathrm{\Σ}}S[T(x,y),{\mathrm{\λ}}_i]\·X(x,y)\·\mathrm{\φ}({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_i)\mathrm{dl}---\left(3\right)$

其中，假定压力P沿吸收路径均匀，l为沿激光扫描路径的坐标，a和b为由激光投射路径和待测区域尺寸确定的积分路径上下限。在上式（3）中，对谱线数目k求和是因为实际谱线呈一种分布状态，在进行第i条谱线的扫描时，需同时叠加所选其他各条谱线对该谱线的吸收贡献，k=1,2…,I。

7）对于特定谱线λ_i，线强S(T)为温度的函数可由下式确定：

$S(T,{\mathrm{\λ}}_i)=S(T_0,{\mathrm{\λ}}_i)\frac{Q\left(T_0\right)}{Q\left(T\right)}\exp [-\frac{{{\mathrm{hcE}}_i}^{\text{'}}}{k}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})]\×\left[\frac{1-\exp (-{\mathrm{hc}}^2/\mathrm{kT}{\mathrm{\λ}}_i)}{1-\exp (-{\mathrm{hc}}^2/k{T}_0{\mathrm{\λ}}_i)}\right]---\left(4\right)$

8）将参考温度下线强S(T₀)、低状态能级E″、普朗克常数h、光速c、波尔兹曼常数k、相应格子温度、分子配分函数等代入上式（4）即可得到格子线强值S[T_i,j,λ_i]。对于分子配分函数Q(T)的计算，将步骤2）中查得的参数a、b、c、d代入下式：

Q(T)＝a+b·T+c·T²+d·T³（5）

9）对于线型函数φ(λ-λ_i)，需根据测量环境中的温度、压力条件从三种线型（Gauss线型、Lorentz线型、Voigt线型）中选择，将确定表达式代入上式（3）计算即可。

10）在查得上述各参数之后，根据上述1）中的区域离散化结果，利用各行、列格子的待测温度、气体浓度离散值将上式（3）离散化如下：

$A_{i,r}=P\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}S(T_{i,j},{\mathrm{\λ}}_r)\·X_{i,j}\·\mathrm{\φ}({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_r)\·\mathrm{\Δl},i=\mathrm{1,2},...,M;r=\mathrm{1,2},...,I---\left(6\right)$

$A_{j,r}=P\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}S(T_{i,j},{\mathrm{\λ}}_r)\·X_{i,j}\·\mathrm{\φ}({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_r)\·\mathrm{\Δd},j=\mathrm{1,2},...,N;r=\mathrm{1,2},...,I---\left(7\right)$

其中，Ai,r为第r条谱线下第i行的吸收率计算值；Aj,r为第r条谱线下第j列的吸收率计算值，Δl=D/N、Δd=L/M分别为行间距和列间距。

此时方程数目等于待测值的数目M×N×2，方程组封闭。

11）为得到上述温度、浓度离散化值，利用智能寻优算法以式（8）为目标函数进行寻优计算，当目标函数值小于预设精度值（10^-5～10^-10），即可认为计算收敛，可得待测区域温度场T、浓度场X的分布。

$D(T^{\mathrm{rec}},X^{\mathrm{rec}})=\underset{k=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(A_{i,r}-p_{i,r})}^2}{{A_{i,r}}^2}+\underset{k=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(A_{j,r}-p_{j,r})}^2}{{A_{j,r}}^2}---\left(8\right)$

其中，T^rec、X^rec为算法重建出的温度场、浓度场，D(T^rec,T^rec)表示由温度场、浓度场计算值得到吸收率值和实际测量值之间的相对误差。

Claims (1)

1.一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时检测的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据气体组分浓度和温度的空间分辨率要求，对待测二维区域进行网格离散化，划分成M×N的网格，每个网格分别对应一个温度和浓度待测值，总的待测值数目为2×M×N；

步骤二、根据上述待测值的数目，从HITRAN数据库中选择I条相应气体的特征吸收谱线，其中并提取各谱线的中心波长λ₀、参考温度下线强度S(T₀)、跃迁低态能级E″、分子配分函数Q(T)的系数[a,b,c,d]；

步骤三、由主时钟控制函数发生器产生周期性的高频驱动信号，加载到由傅里叶域锁模激光器组成的激光器系统上，以调制激光器的输出频率，激光器系统产生的激光束通过单模光纤传输，经复用器输出M+N+2个信道的激光束，其中M条激光束实现对待测区域每行进行扫描，N条激光束对待测区域每列进行扫描，经气体吸收后由光电探测器可得到相应的M个行透射光强，记为I_i,r和N个列投射光强，记为I_j,r，从复用器发出的另外两条激光束，其中一条激光束直接进入光电探测器用来记录参考光强I₀，另一条激光束耦合到马赫-曾德尔干涉仪来监视波长扫描；

步骤四、将采集得到的行透射光强I_i,r和列透射光强I_j,r(r＝1,2…,I)代入下式：

$p_{i,r}=-ln\frac{I_{i,r}}{I_0}i=1,2,...,M;r=1,2,...,I---\left(1\right)$

$p_{j,r}=-ln\frac{I_{j,r}}{I_0}j=1,2...,N;r=1,2,...,I---\left(2\right)$

其中，I₀为参考光强，p_i,r为第r条谱线下，第i行的吸收率；p_j,r为第r条谱线下，第j列的吸收率；

步骤五、建立待测区域的温度场T、气体浓度场X的M×N×2个方程：

$\begin{array}{cc}{A}_{i,r}=P\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{I}{\Σ}}S(T_{i,j},{\mathrm{\λ}}_r)\·X_{i,j}\·\mathrm{\φ}({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_r)\·\mathrm{\Δ}l& i=1,2...,M;r=1,2...,I\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{cc}{A}_{j,r}=P\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{I}{\Σ}}S(T_{i,j},{\mathrm{\λ}}_r)\·X_{i,j}\·\mathrm{\φ}({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_r)\·\mathrm{\Δ}d& j=1,2...,N;r=1,2...,I\end{array}---\left(4\right)$

其中，A_i,r为第r条谱线下第i行的吸收率计算值；A_j,r为第r条谱线下第j列的吸收率计算值，P为气体压力，S(T_i,j,λ_r)为线强在波长为λ_r、温度为T_i,j时的值，X_i,j为气体摩尔分数，φ(λ_k-λ_r)为第r条谱线的线型函数在波长λ_k处的值，Δl、Δd分别为网格的行间距和列间距；

步骤六、利用智能寻优算法以下式(5)表示的相对误差函数为目标函数进行寻优计算：设定一精度值，当目标函数值小于该精度值时计算收敛，即可求得待测区域温度场T、浓度场X的分布：

$D(T^{rec},X^{rec})=\underset{k=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{{(A_{i,r}-p_{i,r})}^2}{{A_{i,r}}^2}+\underset{k=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{(A_{j,r}-p_{j,r})}^2}{{A_{j,r}}^2}---\left(5\right)$

其中，T^rec、X^rec为算法重建出的温度场、浓度场，D(T^rec,T^rec)表示由温度场、浓度场计算值得到吸收率值和实际测量值之间的相对误差。