CN110736623A

CN110736623A - 一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法

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Publication number: CN110736623A
Application number: CN201910988351.0A
Authority: CN
Inventors: 付博; 徐立军; 尚策; 曹章; 张程宏; 张宏宇
Original assignee: Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: CN110736623B

Abstract

本发明提供了一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法，系统包括：具有固定频率差的两台光频梳、分束器、燃烧室监测装置、光纤合束器、光电探测器和信号处理模块。其中，一台光频梳作为测量光频梳，用于得到采样信号；另一台光频梳作为参考光频梳，用于得到差频信号；燃烧室监测装置用于得到多路采集信号；分束器用于对光频梳分束；光纤合束器用于将两束光纤合为一束；光电探测器用于对两路光频梳拍频；信号处理模块用于对采样得到的差频信号实时分析，得到燃烧室内气体组分浓度的各项参数变化情况。本发明结构紧凑、方法简单，双光梳全光纤系统大幅度地提高了系统的可集成性，同时可以实现对航空发动机燃烧场的实时、准确监测。

Description

一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法

(一)技术领域

本发明涉及激光技术领域和燃烧诊断领域，尤其是涉及一种双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场技术领域。

(二)背景技术

航空发动机燃烧室是飞机的“心脏”，是航空发动机的核心部件之一。航空发动机燃烧室的反应复杂，并可能伴随着不稳定燃烧，这对于航空发动机的稳定工作具有潜在的危害，有效的燃烧诊断技术可以对其燃烧过程中的关键参数进行准确测量，根据测量得到的数据，进而改善航空发动机的构造。光学诊断技术是燃烧诊断领域中可靠的技术之一,利用激光吸收光谱可以实现对燃烧室温度、压力和组分浓度等参数的测量。然而，传统的吸收光谱测量装置包括棱镜、光栅、傅里叶变换光谱仪和单频激光器等，其光谱分辨率较低，探测灵敏度不高，频率测量精度及测量速度不高。

基于上述背景，现有的用激光吸收光谱监测航空发动机燃烧场的方法还有待进一步优化。

(三)发明内容

有鉴于此，本发明的提出了一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法，结构简单，同时能够实现宽带、高分辨率、高灵敏度的快速测量，提高系统的可集成性。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法，包括：具有固定频率差的两台光频梳，第一光频梳和第二光频梳，燃烧室监测装置，光纤合束器，分束器，光电探测器和信号处理模块；其中，第一光频梳作为测量光频梳，用于通过航空发动机燃烧室出口待测气体样品池得到采样信号；第二光频梳作为参考光频梳，用于得到差频信号；燃烧室监测装置用于得到多路采样信号；两个分束器分别与第一光频梳和第二光频梳相连，用于对光频梳进行分束；光纤合束器用于将两束光纤合并为一束；光电探测器用于对两个光频梳拍频；信号处理模块与光电探测器相连，用于对采集的数据实时分析。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述第一光频梳与一个分束器连接，用于把第一光频梳的输出光谱分成光强不同的两束；光强较小的一路与第二光频梳合束后与光电探测器相连，用于得到标准差频信号；光强较大的一路与燃烧室监测装置的光纤输入端口相连，用于得到采样信号光。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述燃烧室监测装置为八面体装置，包括8个分别嵌在八面体的八条棱上的光纤输入端口，32个均匀分布在八个面上的耦合输出端口；光纤输入端口用于与传输第一光频梳的光纤相连；耦合输出端口与光纤相连，用于输出信号光。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述八面体燃烧室监测装置的光纤输入端口包括光纤准直器和分束器；光纤准直器用于将光纤中传输的光转变成准直光；分束器用于获得扇形分布的多路光强相同的激光光束。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述耦合输出端包括光纤准直器，用于将通过燃烧室检测装置后的第一光频梳耦合至光纤中。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，均匀分布在八个面上的耦合输出端口不限于32个。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述第二光频梳与一个分束器连接，得到多路光强相同的第二光频梳，其中一路与第一光频梳合束后与光电探测器相连，用于得到标准差频信号，其余多路分别与八面体燃烧室检测装置的输出光纤合束后与光电探测器相连，用于得到多路采样差频信号。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，对于上述第一光频梳和第二光频梳进入光纤合束器中各束光信号的光强之比相等。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，上述的第一光频梳可与燃烧室监测装置的其它光纤输入端口相连，得到的多路采样信号并进行信号处理，以用于全方位监测航空发动机燃烧场。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，上述信号处理模块通过得到的标准差频信号和采样差频信号的差异，进而得到航空发动机燃烧室内温度、压力、组分浓度的实时变化情况。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十种可能的实施方式，其中，所述燃烧室监测装置不限于八面体，可用其他多面体形式的监测装置。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十一种可能的实施方式，其中，在燃烧室中所检测的气体包含并不限于水、一氧化碳、一氧化氮和二氧化氮等气体。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法，用到两台具有固定频率差的光频梳，第一光频梳和第二光频梳，燃烧室监测装置；其中第一光频梳经分束器分成两束，一束作为测试光谱输入燃烧室监测装置，经过分束器后形成扇形分布的多路激光光束，通过燃烧室待测样品池，从燃烧室监测装置输出端耦合到多路光纤中；另一束用于与第二光频梳合束；第二光频梳经过分束器分成若干束，其中一束与第一光频梳合束，在光电探测器中得到标准差频信号，其余各束分别与燃烧室监测装置的多路输出光纤合束在光电探测器中得到多路采集差频信号；经过信号处理模块对采集信号进行实时分析，得到航空发动机燃烧室内的气体组分浓度各项参数的变化情况。

本发明实施例提供的方法通过光纤连接，得到结构简单、可集成性高的用双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法，相较现有的技术，本发明实施例通过加入双光梳系统，可以更精确地获得航空发动机燃烧室内温度、压力、燃气组分的变化情况，通过依次从八面体燃烧室监测装置的不同光纤输入端口进行测量，可以获得燃烧室全方位温度、压力、燃气组分等参数的变化情况。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

(四)附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于双光梳全光纤系统检测航空发动机燃烧场方法其中一路采集信号过程的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种八面体燃烧室监测装置结构示意图；

图标：

110-第一光频梳；120-第二光频梳；200-燃烧室监测装置；210-输入光纤端口；211-光纤准直器；212-分束器；220-输出耦合端口；221-光纤准直器；130-分束器；140-光纤合束器；150-光电探测器；160-信号处理模块；170-光纤。

(五)具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法，结构简单，可集成性高，同时可以实现精确测量航空发动机燃烧室内温度、压力、气体浓度的变化情况。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法进行详细介绍，参见图1所示的一种双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法的结构示意图，该方法包括：具有固定频率差的第一光频梳110和第二光频梳120、燃烧室监测装置200、分束器130、光纤合束器140、光电探测器150和信号处理模块160。

具体的，燃烧室监测装置200放置在航空发动机燃烧室内，用于得到多路采集信号，以得到8路采集信号为例。第一光频梳110与一个分束器130连接，得到两束光强之比为1：8的第一光频梳，光强较小的一束用于与第二光频梳拍频得到标准差频信号，光强较大一束用于作为燃烧室监测装置的输入信号光；第二光频梳120作为参考信号，与分束器130连接，得到9束光强相同的第二光频梳，其中一束与第一光频梳合束，其余8束分别与燃烧室监测装置的输出光纤合束，用于将光频梳的高频信号转化为差频信号。光电探测器150用于将合束后的两路光频梳拍频，将光信号转换为电信号，得到采样差频信号。信号处理模块160用于实时分析采样差频信号，得到航空发动机燃烧室内气体组分浓度各项参数的变化情况。

为了便于对上述实施例提供的方法进行理解，本发明实施例还提供了一种双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的一路采集信号过程示意图，参见图2所示的一种双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的一路采集信号过程示意图，该过程包括：

110-第一光频梳；210-燃烧室监测装置光纤输入端口；220-燃烧室监测装置光纤输出端口；140-光纤合束器；150-光电探测器；160-信号处理模块；170-光纤。

其中，上述第一光频梳110通过光纤170与燃烧室监测装置的一个光纤输入端口210相连，光纤输入端口210用于得到扇形分布的多路光束，经过燃烧室待测样品池后，对称地投影到与光纤输入端口相对的面上，从光纤输出端口220耦合输出到光纤170中，其中一路采集信号光纤与一束第二光频梳120在光纤合束器140处合为一束光纤，在光电探测器150中拍频，将得到的电信号传输到信号处理模块160，进行实时数据分析，通过标准差频信号和多路采样差频信号的差异，分析航空发动机燃烧室内气体组分浓度各项参数的变化情况。

进一步的，通过改变第一光频梳的输入端口，可以获得航空发动机燃烧室各个方位的采样差频信号，进一步的，可以根据采集得到的信号对航空发动机燃烧场全方位地分析。

可以理解的，上述航空发动机燃烧场监测方法为全光纤结构。

为了便于对上述实施例提供的燃烧室监测装置进行理解，本发明实施例还提供了一种八面体燃烧室检测装置的示意图，参见图3所示的一种八面体燃烧室监测装置结构示意图，该装置包括：

210-光纤输入端口；211-光纤准直器；212-分束器；220-输出耦合端口；221-光纤准直器。

其中，光纤输入端口210的光纤准直器211用于将光纤中传输的光变成准直光进入燃烧室监测装置，分束器212用于获得多路扇形分布的激光光束，输出耦合端口220的光纤准直器221用于将采样信号光耦合到光纤中输出。

进一步的，燃烧室监测装置得到的采集信号不限于8路，可以通过调节分束器212和分束器130获得不同数量采集信号，并保持从第一和第二光频梳进入光纤合束器140中各束光信号的光强之比相同。

综上所述，本发明实施例提供的一种双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法，用两个具有固定频率差的光频梳、燃烧室监测装置、分束器、光纤合束器、光电探测器和信号处理模块，巧妙的在全光纤系统中实现了对航空发动机燃烧场的监测。双光梳系统可以提高测量速度和精度，全光纤结构提高了监测系统的可集成性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场方法的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应装置，在此不再赘述。

另外，在本发明专利实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明专利具体实施方式，用以说明本发明专利的技术方案，而非对其限制，本发明专利保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明专利实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于双光梳全光纤系统监测航空发动机燃烧场的方法，包括：具有固定频率差的两台光频梳，第一光频梳和第二光频梳，燃烧室监测装置，光纤合束器，分束器，光电探测器和信号处理模块；其中，所述的第一光频梳作为测量光频梳，用于通过航空发动机燃烧室出口待测气体样品池得到采样信号；

所述的第二光频梳作为参考光频梳，用于得到差频信号；

所述的燃烧室监测装置用于得到多路采样信号；

所述的两个分束器分别与第一光频梳和第二光频梳相连，用于对光频梳进行分束；

所述的光纤合束器用于将两束光纤合并为一束；

所述的光电探测器用于对两个光频梳拍频；

所述信号处理模块与光电探测器相连，用于对采集的数据实时分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一光频梳与一个分束器连接，用于把第一光频梳的输出光谱分成光强不同的两束；其中，光强较小的一路与第二光频梳合束后与光电探测器相连，用于得到标准差频信号，光强较大的一路与燃烧室监测装置的光纤输入端口相连，用于得到采样信号光。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧室监测装置为八面体装置，包括8个分别嵌在八面体的八条棱上的光纤输入端口，32个均匀分布在八个面上的耦合输出端口；其中，所述的光纤输入端口用于与传输第一光频梳的光纤相连；所述耦合输出端口与光纤相连，用于输出采样信号光。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述八面体燃烧室监测装置的光纤输入端口包括光纤准直器和分束器；其中，所述的光纤准直器用于将光纤中传输的光转变成准直光；所述的分束器用于获得扇形分布的多路光强相同的激光光束。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述耦合输出端包括光纤准直器，用于将通过燃烧室检测装置后的采样信号光耦合至光纤中。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述均匀分布在八个面上的耦合输出端口不限于32个。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二光频梳与一个分束器连接，得到多路光强相同的第二光频梳，其中一路与第一光频梳合束后与光电探测器相连，用于得到标准差频信号，其余多路分别与八面体燃烧室检测装置的输出光纤合束后与光电探测器相连，用于得到多路采样差频信号。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于上述第一和第二光频梳进入光纤合束器中各束光信号的光强之比相等。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一光频梳可与燃烧室监测装置的其他光纤输入端口相连，得到的多路采样信号并进行信号处理，以用于全方位监测航空发动机燃烧场。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号处理模块通过得到的标准差频信号和多路采样差频信号的差异，进而得到航空发动机燃烧室内温度、压力、组分浓度的实时变化情况。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧室监测装置不限于八面体，可用其他多面体形式的监测装置。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在燃烧室中检测的气体包含并不限于水、一氧化碳、一氧化氮和二氧化氮等气体。