CN107505063B - 一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法 - Google Patents

一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计了一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置，所用元件包括：红外可调谐激光光源、可见光激光光源、光纤耦合器、准直器、光电探测器等。该方法包括以下步骤：首先控制激光光源分别输出高频正弦波形式和扫描锯齿波形式的校准光信号和探测光信号；穿过被测温度区域后，校准光和探测光均受到光线偏折效应的影响产生光强波动；接收端使用宽波段的光电探测器同时检测校准光和探测光信号。提取正弦校准光的实测振幅变化，获得光线偏折效应造成的光强波动情况。利用该系数曲线对探测光信号进行修正，剔除光线偏折的影响，仅保留探测光中激光吸收对应的信息，从而实现对光线偏折效应的校正。在激光吸收光谱技术应用中具有重要的使用价值和广阔的应用前景。

Description

一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法
(一)技术领域
本发明涉及一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法，具体涉及以高频正弦波形式输出校准光信号，以扫描锯齿波形式输出探测光信号，通过求取校准光高频正弦波振幅可以得到由于光线偏折效应导致的光强波动情况，进而对探测光进行修正，最终实现对激光吸收光谱温度测量过程中遇到的光线偏折问题的校正。
(二)背景技术
燃烧温度场分布是反映燃烧状况的主要参数之一，对其进行准确监测，可以为燃烧器的设计提供有效的参考依据，对改善燃烧器的燃烧状况、提高燃烧效率、降低污染物的排放具有重要意义。然而燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、环境恶劣等特征，这给其温度场的测量带来了很大困难。目前常用的燃烧温度测量方法分为接触式和非接触式测量方法，常见接触式热电偶测温法属于单点测温，容易干扰流场或受到不良因素影响，且热电偶具有热惯性，响应速度较慢，且随着燃烧室的发展，燃烧室出口燃气温度不断提高，己超过了热电偶测温范围的上限。非接触式测温方法主要有声学测温法、光辐射测温法和激光光谱测温法，其中声学法测量高动态燃烧室温度时，高速气流会对声波飞行过程产生横向干扰；而光辐射测温法在测量温度场分布时图像处理过程复杂、计算量大；相比之下，激光诊断技术由于不与被测介质接触、响应速度快等优点而得到快速发展。其中，相干反斯托克斯拉曼散射光谱 (CARS)和平面激光诱导荧光(PLIF)两种方法尽管测量精度相对较高，但其光学结构非常复杂，信号调节和处理困难，光源功率要求高。激光吸收光谱技术(LAS)进行气体浓度和温度测量的方法具有无需预处理、测量响应速度快、数据准确、环境适应性强、可多参数同时检测等优点，在高温气体温度的在线测量方面具有很好的发展前景。
LAS测温原理是：利用锯齿波信号调制可调谐激光二极管激光器输出激光，使之扫过整个吸收线线型，激光经过火焰首先被特定分子吸收然后到达探测器光敏面得到光强信号。通过分析探测器测得的光强信号可以得到特征气体谱线吸收情况，从而计算出特征气体参数，实现燃烧温度场的测量。能否精确获得经过被测温度场后的光强吸收情况是激光吸收光谱法的关键。
然而，在利用激光吸收光谱进行燃烧温度场测量的过程中，燃烧过程导致气体膨胀比发生变化，导致温度场湍流密度梯度变化，继而导致激光光线偏折效应；此外，设备的机械振动也会导致光线偏折效应，探测光经过被测温度场时，受到光线偏折效应的影响，使出射光线无法精确对准光电探测器光敏面，导致探测器测得的光强信号随时间发生不同程度的波动，对测量结果产生严重影响。为了克服这一问题，国内外许多研究人员提出一系列解决方案。如在光强信号接收端利用积分球进行光线收集(Almodovar C A,Spearrin R M,Hanson R K. Two-color laser absorption near 5μm for temperature and nitricoxide sensing in high-temperature gases[J].Journal of QuantitativeSpectroscopy and Radiative Transfer,2017；H Yang.Tunable diode-laserabsorption-based sensors for the detection of water vapor concentration,filmthickness and temperature[D].Duisburg-Essen,2012)，积分球入口尺寸较大，其作用相当于增大探测器的等效光敏面积并得到均匀的光强分布，进而确保探测光受到光线偏折效应影响之后，仍然可以被全部接收。然而，由于探测器测得的光强值是探测器光敏面积与积分球内表面面积之比，因此光强信号变得微弱，对探测器增益要求较高，同时导致噪声水平随之提高，此外，在积分球内的多次反射会加长激光路径进而对测量结果造成影响。又如，设计光线偏折非敏感光线收集系统(Strand C L.Scanned Wavelength-Modulation Absorption Spectroscopy with Application to Hypersonic ImpulseFlow Facilities[D].Stanford University,2014)，该方法使激光经过被测燃烧温度场之后首先被聚焦透镜汇聚到光纤中，汇聚后的激光通过光纤到达探测器，但是该系统设计困难，实验调试难度大，不适合现场应用。此外，斯坦福大学Ritobrata Sur提出增大光束直径的方法(Sur R,Sun K,Jeffries J B,et al. Scanned-wavelength-modulation-spectroscopy sensor for CO,CO2,CH4and H2O in a high-pressure engineering-scaletransport-reactor coal gasifier[J].Fuel,2015,150:102-111.)，通过提高光束直径，保证即使光束发生偏折仍然可以照射到探测器光敏面上，然而增大光束直径只是增加了等效光敏面积，其光束横截面激光光强分布不均匀，激光偏离仍然会使探测器探测到的光强抖动。因此，现有的方法都不能有效地解决光线偏折问题，为了对火焰内部参数进行有效测量，满足工业发展需求，亟待一种可以根本上解决光线偏折问题的新方法。
本发明基于使用校准光对探测光的光线偏折进行校准，选用可见光激光光源发出的光线作为校准光，选用红外可调谐激光光源发出的激光作为探测光，首先控制可见光激光光源与红外可调谐激光光源，使其分别输出高频正弦波形式和扫描锯齿波形式的校准光信号和探测光信号。在穿过被测温度区域后，校准光和探测光都会受到光线偏折效应的影响而发生光强波动，该光强波动将反映在高频正弦波振幅变化和锯齿波扫描长度均值变化上。通过求取高频正弦波的振幅变化情况，可以获得光线偏折效应造成的光强波动系数。利用该系数对锯齿波扫描长度均值进行修正，可以剔除光线偏折的影响，仅保留探测光由于吸收造成的光强变化，从而实现了对光线偏折效应的校正。
(三)发明内容
本发明提出一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法，以高频正弦波形式输出校准光信号，以扫描锯齿波形式输出探测光信号。接收端使用一个宽波段的光电探测器可以同时检测到校准光和探测光信号，接收到的信号为扫描锯齿波叠加高频正弦波的形式。在穿过被测温度区域后，光线偏折效应造成的光强波动将同时反映在高频正弦波振幅变化和锯齿波扫描长度均值变化上。提取到正弦波振幅变化情况后，即可获得光线偏折效应造成的光强波动系数。利用校准光的分析结果对探测光的结果进行修利用该系数对锯齿波扫描长度均值进行修正，可最终实现对光线偏折效应的校正。
所用元件包括：可见光激光光源、红外可调谐激光光源、光纤耦合器、准直器、光电探测器
可见光激光光源和红外可调谐激光光源分别由可见光激光器、红外可调谐激光器及相应的激光控制器组成。红外可调谐激光光源和可见光激光光源分别以高频正弦波形式和扫描锯齿波形式输出校准光信号和探测光信号。通过被测温度区域后，校准光和探测光都会受到光线偏折效应的影响而发生光强波动。不同的是探测光信号同时存在吸收和光线偏折效应造成的光强波动，而校准光只存在光线偏折效应造成的光强波动。通过在接收端使用一个宽波段的光电探测器可以同时检测到校准光和探测光信号，接收到的信号为扫描锯齿波叠加高频正弦波的形式，而光强波动将同时反映在高频正弦波振幅变化和锯齿波扫描长度均值变化上。其中，振幅变化只与光线偏折效应有关，而锯齿波扫描长度均值变化是吸收和光线偏折共同作用的结果。通过求取高频正弦波振幅变化情况，可以获得校准光受光线偏折效应影响而产生的光强波动系数。由于校准光与探测光在温度场中折射率基本相同，因此，可以认为校准光和探测光穿过被测温度区域后，受到光线偏折效应影响而产生的光强波动系数基本相同。求得校准光强波动系数后，利用该系数对锯齿波扫描长度的均值进行修正，可以最终实现对光线偏折效应的校正。
本发明的优点在于：利用软件计算的方法校正了光线偏折效应的影响，接收段不需要设计分光器件分开校准光和探测光，进而简化了接收端的光路设计，有利于推广到光路布局密集的多光路吸收光谱技术中。同时，避免了传统积分球方法由于内部多次反射产生激光衰减而造成光强信号微弱难以检测的问题。
(四)附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1是本发明的光路原理图
图2是经过被测温度区域前的光强信号
图3是经过被测温度区域后的光强信号
图4是由于光线偏折产生的正弦波振幅变化情况
图5是由于光线偏折产生的锯齿波扫描长度内均值变化情况
图6是消除光线偏折效应影响后的探测光光强信号
附图标示：
图1中：101红外可调谐激光光源 102可见光激光光源 201光纤耦合器 301准直器401光电探测器
(五)具体实施方式
在图1中，控制可见光激光光源101与红外可调谐激光光源102分别以高频正弦波形式和扫描锯齿波形式输出校准光信号和探测光信号。校准光与探测光通过光纤耦合器201耦合并经过准直器301后入射到被测温度区域，接收端使用一个宽波段的光电探测器401同时检测校准光和探测光信号。下面结合附图详细叙述一下具体实施方案。
步骤一：可见光激光光源与红外可调谐激光光源分别以高频正弦波形式和扫描锯齿波形式输出可见光信号和红外激光信号，其中，以可见光激光光源发出的可见光波段激光作为校准光，而红外可调谐激光光源发出的红外波段激光作为探测光。
步骤二：校准光与探测光通过光纤耦合器耦合并入射到被测温度区域，接收端使用一个宽波段的光电探测器同时检测校准光和探测光信号，接收端接收到的信号为扫描锯齿波叠加高频正弦波的形式。图2经过被测温度区域前的光强信号，图3为经过被测温度区域后的光强信号。
步骤三：通过被测温度区域后，校准光和探测光都会受到光线偏折效应的影响而发生光强波动。探测光信号同时存在吸收和光线偏折效应造成的光强波动，而校准光只存在光线偏折效应造成的光强波动。光强波动将同时反映在高频正弦波振幅变化和锯齿波扫描长度均值变化上，其中，振幅变化只与光线偏折效应有关，而锯齿波扫描长度均值变化是吸收和光线偏折共同作用的结果。
步骤四：对于任意一小段高频正弦波信号，都有很多正弦周期，可以近似认为每个正弦周期内都是一个幅值不变的正弦波，所以，每个周期都可以算出一个振幅，从而得到整段正弦波信号的实测振幅变化，将经过被测温度区域前的正弦校准光振幅称为期望振幅A0(t)，图 4所示为正弦波信号的期望幅值A0(t)和实测振幅A1(t)，则光线偏折效应带来的光强波动系数随时间变化曲线γ(t)可由下式得到
。
步骤五：由于校准光与探测光在温度场中折射率基本相同，因此在穿过被测温度区域后，由光线偏折效应带来的光强波动系数随时间变化情况基本相同。将锯齿波扫描长度均值因吸收和光线偏折效应造成的光强波动记为I(t)，如图5所示。利用光强波动系数随时间变化曲线γ(t)修正I(t)，修正后的探测光I1(t)校正了光线偏折效应的影响，仅保留了激光对应的有用信息，如图6所示
。

Claims (4)

1.一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置，包括激光控制器、可见光激光光源、红外可调谐激光光源、光纤耦合器、准直器、光电探测器、数据采集卡，其特征在于，控制可见光激光光源与红外可调谐激光光源，使其分别以高频正弦波形式和扫描锯齿波形式输出可见光信号和红外激光信号，其中，以可见光光源发出的可见光波段激光作为校准光，而红外可调谐激光光源发出的红外波段激光作为探测光；校准光与探测光通过光纤耦合器耦合并经过准直器后入射到被测温度区域，接收端使用一个宽波段的光电探测器同时检测透射校准光和探测光信号；基于上述过程，利用校准光与探测光信号的光线偏折及激光吸收的特征来消除光线偏折的影响。
2.根据权利要求1所述一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置，其特征在于，校准光与探测光分别以高频正弦波形式和扫描锯齿波形式输出可见光信号和红外激光信号，其中高频正弦波的频率至少为锯齿波扫描频率的100倍，以保证对光线偏折效应的细节刻画。
3.根据权利要求1所述一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置，其特征在于，通过被测温度区域后，校准光和探测光都会受到光线偏折效应的影响而发生光强波动，这种波动将反映在高频正弦波振幅变化上，对于任意一小段高频正弦波信号，都有很多正弦周期，可以近似认为每个正弦周期内都是一个幅值不变的正弦波，所以，每个周期都可以算出一个振幅，从而得到整段正弦波信号的实测振幅变化A1(t)；若将经过被测温度区域前的正弦校准光振幅称为期望振幅A0(t)，光线偏折效应带来的光强波动系数随时间变化曲线记为γ(t)，则γ(t)可由下式得到，
4.根据权利要求3所述一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置，其特征在于，由于校准光与探测光在温度场中折射率基本相同，因此在穿过被测温度区域后，由光线偏折效应带来的光强衰减系数随时间变化情况基本相同，将锯齿波扫描长度均值因吸收和光线偏折效应造成的光强波动曲线记为I(t)，利用光强波动系数随时间变化曲线γ(t)修正I(t)，修正后的探测光光强I1(t)校正了光线偏折效应的影响，仅保留了激光对应的有用信息，
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