CN111239075B - 一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统 - Google Patents

一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统，它包括激光光源模块、分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频及电路处理模块和信号采集与分析模块，所述激光光源模块包括两台脉冲激光器和两台连续激光器；燃烧场测量光路指待测燃烧场；干涉信号探测模块包括耦合器和光电探测器；光学拍频及电路处理模块包括数个光学器件和电学器件；信号采集与分析模块包括数据采集卡和计算机。本发明具有测量速度快，光谱分辨率高以及光谱范围宽的优势，可满足双线和多线测温的需求；另外，通过单次宽谱带扫描，携带大量吸收谱线信息，能降低层析成像对投影光路数目和角度的要求，使非均匀流场二维重建成为可能。

Description

一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的 测量系统
技术领域
本发明涉及非接触式光学测量领域，尤其是一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统。
背景技术
近年来，燃烧场参数测量一直是个重要的研究课题，它能直接对物质的燃烧机理、燃烧效率以及降低环境污染物排放的研究提供重要依据。因此，对燃烧场状态的准确分析对工业生产，科学研究以及国防建设都有着至关重要的作用。
其中，燃烧气体的温度和组分浓度是了解燃烧状态最主要的参数，它们是表征燃烧强度和热释放效率的关键指标。目前，传统的接触式测温技术具有反应速度慢、干扰燃烧流场、设备使用寿命短等缺点。而且这些设备无法长时间适用于高温、复杂的燃烧环境。
激光燃烧诊断技术作为一种实时、非接触式的测量手段，可以实现燃烧参数的快速无干扰测量。目前，在众多激光燃烧诊断技术中，最常采用的是可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术。TDLAS系统具有结构小巧、响应速度快、环境适应性强等优势，可以实时准确地反映燃烧过程中燃烧温度和组分浓度等。但现有的可调谐二极管激光器输出波长虽然具有一定的调谐范围，但波长扫描范围很窄，一般只有几个波数，这对吸收组分的选择以及目标吸收谱线的确定造成限制，不能满足对燃烧气体温度和多种组分浓度的同时在线测量。因此，如何提供一种能够同时在线测量燃烧场气体温度和多种组分浓度的方法或系统，就成了燃烧场高精度快速诊断的必然需求。
发明内容
本发明的目的是基于自适应光纤光梳系统，提供一种实时在线测量燃烧场气体温度和多种组分浓度的系统，目标在于解决现有的燃烧场测量系统中，无法实现宽带多组分同时测量的技术局限性。测量系统采用的自适应补偿电路巧妙地避开了对光梳脉冲的载波包络相位偏移频率和重复频率的精确锁定，降低了传统光梳测量领域对系统稳定性的严苛要求。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统，该系统包括激光光源模块、分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频及电路处理模块和信号采集与分析模块，所述激光光源模块包括两台脉冲激光器和两台连续激光器；燃烧场测量光路指待测燃烧场；干涉信号探测模块包括耦合器和光电探测器；光学拍频及电路处理模块主要包括数台光学耦合器、数台光学滤波器、数台光学探测器、数台电学滤波器、数台电学移频器、数台电学混频器、数台电学功分器及电学倍频器等器件；信号采集与分析模块包括数据采集卡和计算机；其中：
所述两台脉冲激光器分别发射两束光脉冲，两束光脉冲的波段均覆盖至待测气体组分的分子吸收谱线范围；首先，一束光脉冲经过分束装置之后进入待测燃烧场，存在于待测燃烧场中的各气体组分将会吸收与其吸收光谱对应波段的激光脉冲；之后，这束光脉冲从所述燃烧场出来，与另一束光脉冲一起进入耦合器进行拍频，拍频之后进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号输出；连续激光器的输出光进入光学拍频及电路处理模块，在该模块内部与两个脉冲激光器的输出光进行分别拍频，形成电路拍频信号，最终输出一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号；将干涉信号探测模块输出的电信号与自适应补偿信号输入至混频器，通过混频消除两台脉冲激光器的相对载波包络相位偏移抖动以及相对重复频率抖动，然后送入信号采集与分析模块，信号采集与分析模块以异步采样时钟作为触发时钟，对混频后的信号进行采集，获得稳定的时域干涉图形，再通过快速傅里叶变换得到待测组分的吸收光谱信号，接着对吸收光谱信号分别进行基线拟合、背景扣除、峰值积分处理得到目标吸收谱线的积分吸光度，最后根据双线测温法计算得到燃烧气体的温度、利用单线吸光度进行反演得到燃烧气体组分浓度；
其中，当频率为v的激光穿过待测区域的气体组分后，会被均匀的气体组分分子吸收；设光路上的积分吸光度为A：
Figure GDA0003765080180000021
Av为气体的吸光度；I和Io分别是透过待测区域前后的激光光强度；P为气体的压强；X为气体吸收组分的摩尔分数；T为气体温度；L为激光在待测区域中的传输长度；S(T)表示在温度T时对应的吸收谱线强度，其计算公式如下：
Figure GDA0003765080180000022
T0为参考温度，Q(T)表示目标吸收组分在温度T下的配分函数，h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常数；c为光速；E”为低态能级值；vi是吸收谱线的中心频率；
在双线测温法中，选取同一吸收组分的两根吸收谱线，将两根吸收谱线的线强做比值，得到两根不同吸收谱线强度的比值R为：
Figure GDA0003765080180000031
A1和A2分别为两根吸收谱线对应的积分吸光度；E1”和E2”分别为两根吸收谱线对应的低态能级值；S1(T)和S2(T)分别为两根吸收谱线在温度T时对应的谱线强度；S1(T0)和S2(T0)分别为两根吸收谱线在参考温度T0时对应的谱线强度；h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常数；c为光速；
则根据上式可得到燃烧气体温度为
Figure GDA0003765080180000032
得到温度T后，再利用任意一根谱线的积分吸光度反演得到燃烧气体组分浓度X，所述燃烧气体浓度
Figure GDA0003765080180000033
所述两束光脉冲在进入耦合器拍频之前，分别对两台脉冲激光器的输出光谱进行展宽，使两脉冲激光器具有1-1.7μm超宽的光谱覆盖范围；两台脉冲激光器输出光谱的中心波长是1550nm；两台连续激光器输出光谱的中心波长分别是1550nm和1564nm。
所述光学拍频与电路处理模块得到一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号，具体为：首先，两脉冲激光器的光脉冲分别经第一光学耦合器与第二光学耦合器进行分束，分束之后的脉冲光分别经第一、第二、第三、第四光学滤波器进行光谱滤波；一台连续激光器发出的光束经第三光学耦合器分为两束光，其中，一束光与经第一光学滤波器的输出光共同输入至第五光学耦合器进行光学拍频；另一束光与经第三光学滤波器的输出光共同输入至第六光学耦合器进行光学拍频；另一台连续激光器发出的光束经第四光学耦合器分为两束光，其中，一束光与经第二光学滤波器的输出光共同输入至第七光学耦合器进行光学拍频；另一束光与经第四光学滤波器的输出光共同输入至第八光学耦合器进行光学拍频；经拍频得到的四路光信号分别经光电探测器转换为电信号；之后分别经四个电学滤波器滤波，滤波之后将经过第一电学滤波器的电信号输入至第一电学移频器中作移频处理，移频之后再与经过第二电学滤波器的输出信号共同接入第一电学混频器中进行混频；将经过第三电学滤波器的电信号输入至第二电学移频器中作移频处理；移频之后再与经过第四电学滤波器的输出信号共同接入第二电学混频器中进行混频；第一电学混频器和第二电学混频器的输出信号分别经第五电学滤波器和第六电学滤波器进行信号滤波，滤波之后分别接入第一电学功分器和第二电学功分器；第一电学功分器将信号分为两路，一路输入至第三电学混频器，另一路输入至第四电学混频器；第二电学功分器将信号分为两路，一路输入至第三电学混频器，另一路输入至第四电学混频器；第三电学混频器输出的信号经第七电学滤波器进行滤波，然后输入至第三电学移频器进行信号移频，移频之后输入至电学倍频器，经电学倍频器输出的信号经第八电学滤波器滤波之后得到异步采样时钟信号；第四电学混频器输出的信号经第九电学滤波器滤波后得到自适应补偿信号。
所述燃烧场气体组分为H2O、CO2和CO中的一种或者几种。
本发明相比传统光学测温技术有两个优势，一是该系统中的激光器光源可利用非线性效应拓宽输出光谱范围，以弥补现有技术中二极管激光器扫描带宽窄的缺陷；因此，系统具有超宽的光谱覆盖范围(1.2-1.7μm)，可实现单次扫描透过上百根吸收谱线，同时满足双线和多线测温的需求，以及对不同目标组分吸收光谱的同时测量；而且，通过携带大量吸收光谱信息能降低层析成像技术对投影光路数目和角度的要求，使非均匀流场二维重建成为可能。二是采用光梳光源替代传统二极管激光器，作为标准的频率谱线位置更稳定，线宽更窄，精度更高。而且也保留了传统的光学非接触式测温技术的一些优势，比如时间响应快、分辨率高及环境适应性强的工作特性。同时，可以通过多路光学滤波器级联或者光纤分束器级联的组合方式实现不同目标组分参数的实时在线测量。
该测量系统采用自适应补偿技术，具有慢反馈、粗跟踪、细补偿的特点，使其能在正常室温环境下长时间稳定运行。
本发明的优点
1)本发明是基于自适应光纤光梳系统，实现燃烧场气体温度和目标组分浓度参数的精确测量；采用自适应补偿技术，有效降低了对运行环境的严苛要求，使其可以在室温下长时间稳定运行。
2)本发明采用的自适应光纤光梳系统，其光谱覆盖范围宽，可以通过单束光路实现双线及多线测温的需求。
3)本发明采用的自适应光纤光梳系统，可以利用不同光学滤波器级联组合的方式(类似于波分复用器)，进行波长分束，实现不同目标组分参数的同时测量。
4)本发明采用的自适应光纤光梳系统，可以利用光纤分束器进行功率分束，使分束后的多路光脉冲同时对燃烧区域进行平行光束投影，实现二维温度场以及浓度场的重建。
5)本发明采用的自适应光纤光梳系统，利用异步光学采样，可通过多次测量再平均的方法实现高信噪比的测量结果。
6)本发明采用的自适应光纤光梳系统，根据测量的燃烧场环境，可通过自由设置单次采样点数实现不同分辨率的测量需求。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本发明光学拍频与电路处理模块结构框图；
图3为本发明探测采集的时域拍频信号经快速傅里叶变换处理过程示意图；
图4为本发明对射频光谱信号的进一步处理过程示意图；
图5为本发明实施例1结构示意图；
图6为本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参阅图1，本发明包括激光光源模块、分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频及电路处理模块和信号采集与分析模块，所述激光光源模块包括两台脉冲激光器和两台连续激光器；燃烧场测量光路指待测燃烧场；干涉信号探测模块包括耦合器和光电探测器；光学拍频及电路处理模块主要包括数台光学耦合器、数台光学滤波器、数台光学探测器、数台电学滤波器、数台电学移频器、数台电学混频器、数台电学功分器及电学倍频器等器件；信号采集与分析模块包括数据采集卡和计算机；其中，光学拍频及电路处理模块将脉冲激光器1、脉冲激光器2、连续激光器1和连续激光器2的输出光进行光学拍频、电学滤波、混频等一系列操作后，输出自适应补偿信号和异步时钟信号；信号采集与分析模块输出测试结果。
具体过程：脉冲激光器1、脉冲激光器2均具有两个光学输出端口，分别记作1A、1B和2A、2B，其中，1A输出端口的激光与2A输出端口的激光进入光学拍频及电路处理模块，1B输出端口的激光经分束装置后经过待测燃烧场，与2B输出端口的激光共同进入耦合器，通过干涉信号探测器实现两束脉冲激光器的相干拍频探测，输出干涉信号；连续激光器的输出光进入光学拍频与电路处理模块，与两个脉冲激光器的输出光两两拍频，形成电路拍频信号，通过该模块内部的滤波器、混频器、移频器等电学操作，最终输出一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号；干涉信号探测器输出的干涉信号与自适应补偿信号混频后，消除两台脉冲激光器的相对载波包络相位偏移抖动，送入信号采集模块，信号采集模块以异步采样时钟作为触发时钟，对干涉信号与自适应补偿信号拍频后的信号再次进行处理，消除两台脉冲激光器的相对重复频率抖动，获得稳定的时域干涉图形，通过傅里叶变换得到高精度的吸收光谱信号。由于激光器光源的输出光谱范围较宽，可实现单次扫描透过上百根吸收谱线，获得的吸收光谱信息丰富，因此可根据测温谱线的选择原则，同时筛选出任一个或多个目标谱线对，最后根据双线或多线测温原理，实现温度测量结果的输出，其大大提高了测量结果的准确度。
Beer-Lambert定律表明，一束频率为v的激光穿过待测气体的区域，被均匀待测气体吸收，光路上的积分吸光度A可以表示为：
Figure GDA0003765080180000061
其中：A为气体的积分吸光度；Av为气体的吸光度；I和I0分别是通过待测区域前后的激光光强度；P为气体的压强；X为气体吸收组分的摩尔分数；T为气体温度；L为激光在燃烧区域的传播长度；S(T)是吸收谱线强度，是一个只与温度相关的量，其理论计算公式如下：
Figure GDA0003765080180000062
其中：T0即参考温度，Q(T)表示目标吸收组分在温度T下的配分函数，h即普朗克常量；k即玻尔兹曼常数；c为光速；E”为低态能级值；vi是吸收谱线的中心频率。
在双线测温法中，确定同种目标组分的两条吸收谱线，将两个吸收线强的比值消掉配分函数，得到不同吸收谱线强度的比值R为：
Figure GDA0003765080180000063
因此，待测温度T可通过上式表示为：
Figure GDA0003765080180000064
根据上式，可以通过计算两条气体吸收谱线的积分吸光度的比值R实现燃烧场温度的测量。在计算得到温度T后，选择其中一根谱线来计算介质气体吸收组分的摩尔分数X：
Figure GDA0003765080180000065
参阅图2，本发明光学拍频与电路处理模块包括数台光学耦合器、数台光学滤波器、数台光学探测器、数台电学滤波器、数台电学移频器、数台电学混频器、数台电学功分器及电学倍频器等器件，其得到一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号的具体过程为：首先，脉冲激光器1、脉冲激光器2的光脉冲分别经光学耦合器1与光学耦合器2进行分束，分束之后的脉冲光分别经四个光学滤波器进行光谱滤波；连续激光器1发出的光束经光学耦合器3分为两束光，其中，一束光与经光学滤波器1的输出光共同输入至光学耦合器5进行光学拍频；另一束光与经光学滤波器3的输出光共同输入至光学耦合器6进行光学拍频；另一台连续激光器2发出的光束经光学耦合器4分为两束光，其中，一束光与经光学滤波器2的输出光共同输入至第七光学耦合器7进行光学拍频；另一束光与经第四光学滤波器4的输出光共同输入至光学耦合器8进行光学拍频；经拍频得到的四路光信号分别经四个光电探测器转换为电信号；之后分别经四个电学滤波器滤波，滤波之后将经过电学滤波器1的电信号输入至第一电学移频器1中作移频处理，移频之后再与经过第二电学滤波器2的输出信号共同接入电学混频器1中进行混频；将经过电学滤波器3的电信号输入至电学移频器2中作移频处理；移频之后再与经过电学滤波器4的输出信号共同接入电学混频器2中进行混频；电学混频器1和电学混频器2的输出信号分别经电学滤波器5和电学滤波器6进行信号滤波，滤波之后分别接入电学功分器1和电学功分器2；电学功分器1将信号分为两路，一路输入至电学混频器3，另一路输入至电学混频器4；电学功分器2将信号分为两路，一路输入至电学混频器3，另一路输入至电学混频器4；第三电学混频器3输出的信号经电学滤波器7进行滤波，然后输入至电学移频器3进行信号移频，移频之后输入至电学倍频器，经电学倍频器输出的信号经第八电学滤波器滤波8之后得到异步采样时钟信号；电学混频器4输出的信号经电学滤波器9滤波后得到自适应补偿信号。
实施例1
参阅图5，在燃烧场分析中，不仅能满足某一种目标组分的参数测量，而且，通过不同波段的光学滤波器的级联方式可实现不同目标组分(对应不同波段，比如H2O、CO2、CO等)参数的同时测量；具体实施过程：
本实施例包括激光光源模块、空间光学滤波装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频与电路处理模块和信号采集与分析模块。其中，激光光源模块主要包括两台脉冲激光器(中心波长为1550nm)和两台连续激光器(中心波长分别为1550nm和1564nm)；空间光学滤波装置主要包括光学滤波器(二向色镜)和反射镜；燃烧场测量光路主要包括待测燃烧场；干涉信号探测模块包括光纤耦合器和光电探测器；光学拍频与电路处理模块是将脉冲激光器1、脉冲激光器2和两台连续激光器的光学拍频信号转成射频信号，并进行一系列电学处理后，输出自适应补偿信号和异步时钟信号；信号采集与分析模块包括信号采集、分析及测量结果输出。
两台脉冲激光器内部均具有光纤分束器，作用是将脉冲光分为两束同时输出；其中，脉冲激光器1的左端输出激光与脉冲激光器2的左端输出激光共同进入光学拍频与电路处理模块，脉冲激光器1的右端输出激光进入空间分束滤波装置，分束滤波装置由光学滤波器(二向色镜)和反射镜组成，它的作用是将脉冲光束分为λ1、λ2、λ3等不同波段的多路光脉冲；经分色后的多路光脉冲共同经过待测燃烧场之后，与脉冲激光器2的右端输出激光共同进入光纤耦合器，通过光电探测器实现两束脉冲激光器的相干拍频探测，输出干涉信号；两台连续激光器的输出光进入光学拍频与电路处理模块，与两个脉冲激光器的输出光相互拍频，形成电路拍频信号，通过该模块内部的滤波器、混频器、移频器等电学操作，最终输出一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号；光电探测器输出的干涉信号与自适应补偿信号混频后，消除两台脉冲激光器的相对载波包络相位偏移抖动，送入信号采集与分析模块，信号采集与分析模块以异步采样时钟作为触发时钟，对干涉信号与自适应补偿信号混频后的信号再次进行处理，消除两台脉冲激光器的相对重复频率抖动，获得稳定的时域干涉图形，通过傅里叶变换得到高精度宽范围的吸收光谱信号，具体过程参阅图3，左图表示探测采集的时域干涉信号，其中，横坐标为时间t，纵坐标为信号强度V；右图表示对时域干涉信号经傅里叶变换处理后得到的射频光谱信号，其中，横坐标表示射频RF，纵坐标表示信号强度I；进一步对吸收光谱信号进行基线拟合、背景扣除、峰值积分等处理后，得到吸收谱线的积分吸光度；具体过程参阅图4，左图表示对射频光谱信号的基线拟合过程，其中，横坐标为射频RF，纵坐标为信号强度I；右图表示对射频光谱信号的背景扣除和峰值积分过程，其中，横坐标表示射频RF，纵坐标表示吸光度A；最后再根据双线或多线测温原理实现燃烧场温度和组分浓度的反演，相应参数的测量结果通过计算机显示端输出。
实施例2
参阅图6，本实施例中，两台脉冲激光器的输出光脉冲通过光纤分束器级联的组合方式可实现待测燃烧场区域的二维流场重建，具体实施过程：
本实施例主要结构包括激光光源模块、光学分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频与电路处理模块和信号采集与分析模块。其中，激光光源模块主要包括两台脉冲激光器(中心波长1550nm)和两台连续激光器(中心波长分别为1380nm、1395nm)；光学分束装置主要包括光纤分束器；燃烧场测量光路主要包括待测燃烧场；干涉信号探测模块包括光纤耦合器和光电探测器；光学拍频与电路处理模块是将脉冲激光器1、脉冲激光器2和连续激光器的输出光进行光学频率、电学滤波、混频等一系列操作后，输出自适应补偿信号和异步时钟信号；信号采集与分析模块包括信号采集、分析及测量结果输出。
两台脉冲激光器内部均具有光纤分束器，作用是将脉冲光分为两束同时输出；其中，脉冲激光器1的左端输出激光与脉冲激光器2的左端输出激光共同进入光学拍频与电路处理模块，脉冲激光器1的右端输出激光进入光学分束装置，光学分束装置由光纤分束器组成，它的作用是将单束光脉冲等功率划分为多路光脉冲，形成多光路同时测量系统；经分束后的多路光脉冲同时对待测燃烧区域进行平行光束投影，穿过待测燃烧场之后，与脉冲激光器2的右端输出激光共同进入光纤耦合器，通过光电探测器实现两束脉冲激光器的相干拍频探测，输出干涉信号；连续激光器的输出光进入光学拍频与电路处理模块，与两个脉冲激光器的输出光相互拍频，形成电路拍频信号，通过该模块内部的滤波器、混频器、移频器等电学操作，最终输出一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号；干涉信号探测模块输出的干涉信号与自适应补偿信号混频后，消除两台脉冲激光器的相对载波包络相位偏移抖动，送入信号采集与分析模块，信号采集与分析模块以异步采样时钟作为触发时钟，对干涉信号与自适应补偿信号混频后的信号再次进行处理，消除两台脉冲激光器的相对重复频率抖动，获得稳定的时域干涉图形，通过傅里叶变换得到高精度宽范围的吸收光谱信号(如图3)，再对吸收光谱信号进一步数据处理，得到吸收谱线的积分吸光度(如图4)；最后利用双谱线法和多谱线法的非均匀场重建算法，实现燃烧场中温度场以及浓度场的二维重建，测量结果通过计算机显示端输出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想得到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统，其特征在于，该系统包括激光光源模块、分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频及电路处理模块和信号采集与分析模块，所述激光光源模块包括两台脉冲激光器和两台连续激光器；燃烧场测量光路指待测燃烧场；干涉信号探测模块包括耦合器和光电探测器；光学拍频及电路处理模块包括数台光学耦合器、数台光学滤波器、数台光学探测器、数台电学滤波器、数台电学移频器、数台电学混频器、数台电学功分器及电学倍频器；信号采集与分析模块包括数据采集卡和计算机；其中：
所述两台脉冲激光器分别发射两束光脉冲，两束光脉冲的波段均覆盖至待测气体组分的分子吸收谱线范围；首先，一束光脉冲经过分束装置之后进入待测燃烧场，存在于待测燃烧场中的各气体组分将会吸收与其吸收光谱对应波段的激光脉冲；之后，这束光脉冲从所述燃烧场出来，与另一束光脉冲一起进入耦合器进行拍频，拍频之后进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号输出；连续激光器的输出光进入光学拍频及电路处理模块，在该模块内部与两个脉冲激光器的输出光进行分别拍频，形成电路拍频信号，最终输出一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号；将干涉信号探测模块输出的电信号与自适应补偿信号输入至混频器，通过混频消除两台脉冲激光器的相对载波包络相位偏移抖动以及相对重复频率抖动，然后送入信号采集与分析模块，信号采集与分析模块以异步采样时钟作为触发时钟，对混频后的信号进行采集，获得稳定的时域干涉图形，再通过快速傅里叶变换得到待测组分的吸收光谱信号，接着对吸收光谱信号分别进行基线拟合、背景扣除、峰值积分处理得到目标吸收谱线的积分吸光度，最后根据双线测温法计算得到燃烧气体的温度、利用单线吸光度进行反演得到燃烧气体组分浓度；
其中，当频率为v的激光穿过待测区域的气体组分后，会被均匀的气体组分分子吸收；设光路上的积分吸光度为A：
Figure FDA0003765080170000011
Av为气体的吸光度；I和Io分别是透过待测区域前后的激光光强度；P为气体的压强；X为气体吸收组分的摩尔分数；T为气体温度；L为激光在待测区域中的传输长度；S(T)表示在温度T时对应的吸收谱线强度，其计算公式如下：
Figure FDA0003765080170000012
T0为参考温度，Q(T)表示目标吸收组分在温度T下的配分函数，h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常数；c为光速；E”为低态能级值；vi是吸收谱线的中心频率；
在双线测温法中，选取同一吸收组分的两根吸收谱线，将两根吸收谱线的线强做比值，得到两根不同吸收谱线强度的比值R为：
Figure FDA0003765080170000021
A1和A2分别为两根吸收谱线对应的积分吸光度；E1”和E2”分别为两根吸收谱线对应的低态能级值；S1(T)和S2(T)分别为两根吸收谱线在温度T时对应的谱线强度；S1(T0)和S2(T0)分别为两根吸收谱线在参考温度T0时对应的谱线强度；h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常数；c为光速；
则根据上式得到燃烧气体温度为
Figure FDA0003765080170000022
得到温度T后，再利用任意一根谱线的积分吸光度反演得到燃烧气体组分浓度X，
所述燃烧气体浓度
Figure FDA0003765080170000023
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述两束光脉冲在进入耦合器拍频之前，分别对两台脉冲激光器的输出光谱进行展宽，使两脉冲激光器具有1-1.7μm超宽的光谱覆盖范围；两台脉冲激光器输出光谱的中心波长是1550nm；两台连续激光器输出光谱的中心波长分别是1550nm和1564nm。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光学拍频与电路处理模块得到一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号，具体为：首先，两脉冲激光器的光脉冲分别经第一光学耦合器与第二光学耦合器进行分束，分束之后的脉冲光分别经第一、第二、第三、第四光学滤波器进行光谱滤波；一台连续激光器发出的光束经第三光学耦合器分为两束光，其中，一束光与经第一光学滤波器的输出光共同输入至第五光学耦合器进行光学拍频；另一束光与经第三光学滤波器的输出光共同输入至第六光学耦合器进行光学拍频；另一台连续激光器发出的光束经第四光学耦合器分为两束光，其中，一束光与经第二光学滤波器的输出光共同输入至第七光学耦合器进行光学拍频；另一束光与经第四光学滤波器的输出光共同输入至第八光学耦合器进行光学拍频；经拍频得到的四路光信号分别经光电探测器转换为电信号；之后分别经四个电学滤波器滤波，滤波之后将经过第一电学滤波器的电信号输入至第一电学移频器中作移频处理，移频之后再与经过第二电学滤波器的输出信号共同接入第一电学混频器中进行混频；将经过第三电学滤波器的电信号输入至第二电学移频器中作移频处理；移频之后再与经过第四电学滤波器的输出信号共同接入第二电学混频器中进行混频；第一电学混频器和第二电学混频器的输出信号分别经第五电学滤波器和第六电学滤波器进行信号滤波，滤波之后分别接入第一电学功分器和第二电学功分器；第一电学功分器将信号分为两路，一路输入至第三电学混频器，另一路输入至第四电学混频器；第二电学功分器将信号分为两路，一路输入至第三电学混频器，另一路输入至第四电学混频器；第三电学混频器输出的信号经第七电学滤波器进行滤波，然后输入至第三电学移频器进行信号移频，移频之后输入至电学倍频器，经电学倍频器输出的信号经第八电学滤波器滤波之后得到异步采样时钟信号；第四电学混频器输出的信号经第九电学滤波器滤波后得到自适应补偿信号。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述燃烧场气体组分为H2O、CO2和CO中的一种或者几种。
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