CN112378616B - 基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量系统及方法，包括信号发生器、激光器、数据采集系统以及测量架，所述测量架及风洞试验舱外部均安装有一一对应的准直器形成三组准直器组；所述信号发生器的输出端分别连接有两激光器，两激光器的输出端均通过分束器连接形成四路激光，其中一路激光通过光纤传输到近红外标准具上用于激光频率标定、另外三路激光通过光纤用于分别测量水气温度、水气分压和水气速度；所述三组准直器组和近红外标准具的输出端分别与四个探测器一一连接，四个探测器的输出端与数据采集系统连接。本发明能够高精度、快速同步反演高速流场中的水气速度、温度和分压，适用于高超声速风洞中的流场质量评估。

Description

基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量系统及方法

技术领域

本发明涉及可调谐激光气体吸收光谱探测技术领域，具体涉及一种基于波长调制吸收光谱技术的高速流场多参数快速测量系统及方法。

背景技术

随着先进航天飞行器的快速发展，与航天飞行器紧密相关的高超声速气动力学和气动加热问题受到高度重视，而进行这些研究首先要获取高速流场参数，包括气体的温度、分压及流速等。地面风洞模拟是一种效率高、成本低的研究方案，在与气流相关的流体力学领域中，已经得到了广泛的应用。

在风洞试验中，非接触测量技术是揭示流场特性的重要方法，这种技术不仅可以获得有关流动状态的直接现象及流动的发展过程，还能给出流动参数的定量结果。与其他试验方法的不同之处在于，非接触测量使得流场的某些特征可视化并且能获得整个流场中物理现象的信息。在风洞中常见的非接触测量可以分为以下6类：光学显示技术、光学测量技术、光谱诊断技术、微波测量技术、摄影测量及图像处理技术以及计算流动显示技术。

光谱诊断技术包括自发辐射光谱探测技术、激光诱导荧光技术、瑞利散射技术、拉曼光谱技术和可调谐二极管激光器吸收光谱法等。其中可调谐二极管激光器吸收光谱(TDLAS)诊断技术能实现待测流场的组分、浓度和温度信息，测量精度高、速度快，同时器件成熟，成本较低，是进行风洞非接触高速流场参数测量的有效方法之一。

当前利用TDLAS技术测量风洞流场关键参数多采用后期数据处理方法,处理时间长，多达半个月至一个月。也有部分研究人员采用了在线计算方法，但采用的是假设水气分压为常数，只求取流场水气温度一种关键参数，但该常数值通常由CFD模拟估计或经验判断，通常具有较大误差。鉴于此，有必要开发一种可以提高TDLAS技术使用效率、保证高测量精度，同时可实现多参数同步测量的流场关键参数快速测量TDLAS应用技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于波长调制吸收光谱技术的高速流场多参数快速测量系统及方法，该系统能够在线快速测量高速流场中的多种关键参数，包括流场中的水气温度、水气分压和水气速度。解决了目前TDLAS应用技术中数据处理时间长，难以实现快速在线计算的问题，同时保证待测流场中关键参数的计算精度。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量系统，包括信号发生器、激光器、数据采集系统以及架设在风洞试验舱内部的测量架，所述测量架及风洞试验舱外部均安装有一一对应的准直器，并形成三组准直器组；所述信号发生器的输出端分别连接有第一激光器、第二激光器，所述第一激光器、第二激光器的输出端均通过分束器连接形成四路激光，其中一路激光通过光纤传输到近红外标准具上用于激光频率标定、另外三路激光通过光纤分别传输至相对应的一组准直器组上，用于分别测量水气温度、水气分压和水气速度；所述三组准直器组和近红外标准具的输出端分别与四个探测器一一连接，四个探测器的输出端与数据采集系统连接。

进一步方案，所述第一激光器与信号发生器之间连接有第一激光器控制器，所述第二激光器与信号发生器之间连接有第二激光器控制器；所述第一激光器控制器、第二激光器控制器分别控制第一激光器、第二激光器的电流和温度。

进一步方案，所述第一激光器、第二激光器的中心波长分别为1391.67nm、1395.00nm，激光器的调制信号为半锯齿波叠加高频调制信号；所述分束器为2×4光纤耦合分束器，使所述第一激光器、第二激光器中的激光等量输入分束器并分成四等份输出而形成四路激光。

进一步方案，所述测量架包括固定成十字形结构的固定柱、支撑柱，所述支撑柱上水平对称固定有两组肋板，所述肋板上对称安装有准直器。

优选的，所述肋板的中间垂直固定有L形支架，所述准直器的一端连接光纤头、另一端通过螺纹连接在L形支架的内侧壁；位于L形支架的外侧壁安装有保护劈。

进一步方案，所述固定柱、支撑柱、肋板、L型支架的迎风面均呈尖端，以减少激波的产生。

进一步方案，两组肋板中一组肋板为长肋板组、另一组为短肋板组，所述短肋板组位于长肋板组的两个肋板之间；所述长肋板组上对称安装有第一准直器A1、第一准直器A2，两者间形成第一束激光，所述第一束激光与流场运动方向呈90°夹角；

所述短肋板组上分别对称安装有第二准直器B1、第二准直器B2形成第二束激光以及第三准直器C1、第三准直器C2形成第三束激光；所述第二束激光、第三束激光中的一束激光与流场运动方向呈90°夹角、另一束激光与流场运动方向呈60°夹角。

更优选的，所述第一准直器A1、第二准直器B1、第三准直器C1为激光发射端，第一准直器A2、第二准直器B2、第三准直器C2为激光接收端。

本发明的另一个发明目的是提供一种基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量方法，其包括以下步骤：

(1)根据待测流场的CFD模拟数据，初步确定待测流场中水气温度及水气分压的范围；

(2)根据免标定WMS-2f/1f理论公式

cos(2θ)dθ＝f(T,P_x)，式中P_x为水气分压，L为激光穿过流场的光程，S(T)为吸收线在温度T下的线强，i₀为激光器光强调制系数，v₀为激光器心频率，a为调制深度，φ为吸收线型函数，仿真得到中心波长分别为1391.67nm、1395.00nm的2f/1f信号值关于水气温度和水气分压的三维分布图；

(3)采用上述高速流场多参数快速测量系统分别采集通过风洞试验舱的三路激光的透射光光强信号，对其进行快速傅里叶变换，得到各自的2f/1f信号值；

(4)设步骤(3)中一路激光用于测量流场中的水气温度和水气分压，另外两路激光用于测量水气速度；

对于用于测量水气温度和水气分压的一路激光的两个不同波长激光的2f/1f信号值，利用线性插值算法，在步骤(2)中的三维分布图中查找同时满足前述两个2f/1f信号值的共解，该共解即为流场中待测的水气温度与水气分压；

对于用于测量水气速度的两路激光，利用吸收强度较大的、中心波长为1395.00nm的水气吸收线的两个2f/1f信号值的峰值频率差Δv，再按照式

进行流场水气速度计算，其中U为水气速度、Δv为两个2f/1f信号值的峰值频率差、为光速、v₀为激光中心频率、β为用于测量水气速度的两路激光的角度差。

进一步方案，激光器光强调制系数i₀、调制深度a均是通过标准具测量获得的，其中调制深度a的公式如下：

式中v₀为激光中心频率，T为待测流场的估计温度。

本申请采用采用时分复用形式，两个激光器分别输出中心波长为1395.00nm及1391.67nm的波长调制扫描信号。两束激光通过2×4光纤耦合分束器，分为4路激光，每一路激光均含有25％的1391.67nm激光器输出的激光和25％的1395.00nm激光器输出的激光。其中第四路激光通过光纤传输到近红外标准具，进行激光频率标定，获取激光相对频率变化，包括激光频率扫描范围与调制深度a。第一路激光通过光纤传输至风洞试验舱内的测量架上的一组长肋板组上的准直器，接受激光，并通过光纤传输出风洞试验舱外，通过光电探测器接收激光信号，并将信号传输至数据采集系统，最后通过上位机计算流场参数，包括水气温度及水气分压。该路激光在风洞试验舱内，与流场运动方向呈90°。当激光方向与流场运动方向呈90°时，不存在流场运动引起的多普勒频移效应，即激光中心频率位置不会改变。

第二路和第三路激光通过光纤传输至测量架上的一组短肋板组上的准直器，接受激光并通过光纤传输出风洞试验舱外，通过光电探测器接收激光信号，并将信号传输至数据采集系统，最后通过上位机计算流场参数，即流场运动速度。该两路激光在风洞试验舱内，与流场运动方向分别呈90°与60°。当激光方向与流场运动方向呈60°时，因为激光在流场运动方向存在分量，因此存在流场运动引起的多普勒频移效应，即激光中心频率位置会改变。

其与90°激光的中心频率的位置差Δv，按下式计算可以得到流场速度信息。

其中c为光速，v₀为激光中心频率,β为90°与60°的角度差30°。

其中激光方向与流场运动方向呈60°为一个较合适的角度，实验过程发现，角度大于60°时，观察到的激光的中心频率的位置差Δv过小，信噪比不高；而小于60°时，虽然观察到的激光的中心频率的位置差Δv更加明显，信噪比更高，但用于高速流场多参数测量的测量架机械结构会占用更大的实验空间。但如果实验现场条件允许，则可以考虑将角度由60°改为45°，甚至30°，以获得更准确的流场速度。

对采集得到的第一路激光透射光光强信号，利用快速傅里叶变换，得到2f/1f信号。对于1395及1392激光器，可以测得1395激光器及1392激光器的2f/1f信号。以测得的2f/1f信号为z坐标值，与数据库三维分布图中相交得到一条交线，该交线即为所选吸收线关于温度T及分压P_x一组通解，两个激光器的通解中相同的解即为与待测流场参数一致的特解。具体在数据操作中，表现为2f/1f信号测得值与仿真三维分布图相交得到一条线，两个激光器的两条相交线在温度T及分压P_x平面上投影的交点即为待测流场中的水气温度及水气分压。

对采集得到的第二路、第三路激光透射光光强信号，进行快速傅里叶变换，得到1395.00nm吸收线的2f/1f值。根据第二路与第三路2f/1f峰值信号的频率差Δv，按式

进行流场速度计算。

所以本发明能够实现高速流场中多参数快速测量，包括定量测量高速流场中的水气速度、水气温度和水气分压，可以为评估风洞流场状态提供关键参数依据，推动航空航天领域中风洞地面模拟技术发展。

附图说明

图1是本发明系统原理图，

图2是本发明中的测量架结构示意图，

图3是本发明测量流程示意图，

图4是本发明中的三维分布图，

图5是本发明中的第一路激光得到的激光透射信号，

图6是本发明中的第一路激光透射信号的2f/1f信号，

图7是本发明中的第一路激光2f/1f信号两解集在水气温度-水气分压上的投影，

图8是本发明中的第二路、第三路激光透射信号，

图9是本发明中的第二路、第三路激光透射信号的2f/1f信号，

图1、2中附图标记为：

1信号发生器，2-1第一激光器控制器，2-2第二激光器控制器，3-1第一激光器，3-2第二激光器，4分束器，5风洞试验舱，6标准具，7-1第一探测器，7-2第二探测器，7-3第三探测器，7-4第四探测器；8-1固定柱，8-2-支撑柱，8-3固定柱，8-4肋板，8-5L形支架，8-6保护劈；9-1第一束激光，9-2第二束激光，9-3第三束激光；10数据采集系统。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量系统，包括信号发生器1、激光器、数据采集系统10以及架设在风洞试验舱5内部的测量架，所述测量架及风洞试验舱5外部均安装有一一对应的准直器，并形成三组准直器组；所述信号发生器1的输出端分别连接有第一激光器3-1、第二激光器3-2，所述第一激光器3-1、第二激光器3-2的输出端均通过分束器4连接形成四路激光，其中一路激光通过光纤传输到近红外标准具6上用于激光频率标定、另外三路激光通过光纤分别传输至相对应的一组准直器组上，用于分别测量水气温度、水气分压和水气速度；所述三组准直器组和近红外标准具6的输出端分别与四个探测器一一连接，四个探测器的输出端与数据采集系统10连接。

进一步方案，所述第一激光器3-1与信号发生器1之间连接有第一激光器控制器2-1，所述第二激光器3-2与信号发生器1之间连接有第二激光器控制器2-2；所述第一激光器控制器2-1、第二激光器控制器2-2分别控制第一激光器3-1、第二激光器3-2的电流和温度。

进一步方案，所述第一激光器3-1、第二激光器3-2的中心波长分别为1391.67nm、1395.00nm，激光器的调制信号为半锯齿波叠加高频调制信号；所述分束器4为2×4光纤耦合分束器，使所述第一激光器3-1、第二激光器3-2中的激光等量输入分束器4并分成四等份输出而形成四路激光。

即本申请通过信号发生器产生低频锯齿波叠加高频正弦波的调制信号，输入到激光器控制器(美国ILX Lightwave，LDC-3724C)中，激光器控制器控制激光器(日本NEL，NLK1E5GAAA，中心波长1395nm、1392nm)的电流及温度(温度与电流的设置由激光器性能决定，在商用激光器的测试数据页中查询确定)，使得激光器输出中心波长为所选谱线的激光。采用时分复用形式，两个激光器分别输出中心波长为1395.00nm及1391.67nm的波长调制扫描信号。两束激光通过2×4光纤耦合分束器，等分为4路激光，每一路激光均含有25％的1391.67nm激光器输出的激光和25％的1395.00nm激光器输出的激光。

如图2所示，测量架包括固定成十字形结构的固定柱8-1、支撑柱8-2，所述支撑柱8-2上水平对称固定有两组肋板8-4，所述肋板8-4上对称安装有准直器。

优选的，所述肋板8-4的中间垂直固定有L形支架8-5，所述L形支架8-5的水平段固接在肋板8-4的底端、水平段用于安装准直器(图中末画出，位于图中第一束激光9-1、第二束激光9-2、第三束激光9-3所指之处)；所述准直器的一端连接光纤头、另一端通过螺纹连接在L形支架8-5的内侧壁；位于L形支架8-5的外侧壁安装有保护劈8-6。

进一步方案，所述固定柱8-1、支撑柱8-2、肋板8-4、L型支架8-5的迎风面均呈尖端，以减少激波的产生。

进一步方案，两组肋板8-4中一组肋板为长肋板组、另一组为短肋板组，所述短肋板组位于长肋板组的两个肋板之间；所述长肋板组上对称安装有第一准直器A1、第一准直器A2，两者间形成第一束激光9-1，所述第一束激光9-1与流场运动方向呈90°夹角；

所述短肋板组上分别对称安装有第二准直器B1、第二准直器B2形成第二束激光9-2以及第三准直器C1、第三准直器C2形成第三束激光9-3；所述第二束激光9-2、第三束激光9-3中的一束激光与流场运动方向呈90°夹角、另一束激光与流场运动方向呈60°夹角。

更优选的，所述第一准直器A1、第二准直器B1、第三准直器C1为激光发射端，第一准直器A2、第二准直器B2、第三准直器C2为激光接收端。

如图1所示，第一路激光经第一准直器A1、第一准直器A2、第一准直器A3，然后由第一探测器7-1接收激光信号；第二路激光经第二准直器B1、第二准直器B2、第二准直器B3，然后由第二探测器7-2接收激光信号；第三路激光经第三准直器C1、第三准直器C2、第三准直器C3，然后由第三探测器7-3接收激光信号；第四路激光经第四准直器D、远红外标准具后由第四探测器7-4接收激光信号。

实施例2：

如图3所示，一种基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量方法，其包括以下步骤：

(1)根据待测流场的CFD模拟数据，初步确定待测流场中水气温度及水气分压的范围；

(2)根据免标定WMS-2f/1f理论公式

cos(2θ)dθ＝f(T,P_x)，式中P_x为水气分压，L为激光穿过流场的光程，S(T)为吸收线在温度T下的线强，i₀为激光器光强调制系数，v₀为激光器心频率，a为调制深度，φ为吸收线型函数，仿真得到中心波长分别为1391.67nm、1395.00nm的2f/1f信号值关于水气温度和水气分压的三维分布图；

其中激光器光强调制系数i₀、调制深度a均是通过标准具测量获得的，其中调制深度a的公式如下：

式中v₀为激光中心频率，T为待测流场的估计温度。

免标定WMS-2f/1f的理论公式为弱吸收假设下，根据Beer-Lambert定律，按二次谐波比一次谐波推到而得，属于已知内容。线强S(T)是关于温度T为变量的函数，可以通过公开的HITRAN高光谱数据库(http://www.hitran.org/)查得。线型函数φ是以温度T及分压P_x为变量的函数，其理论公式已在许多文献上公开发表(如Goldenstein,Christopher(2014).Wavelength-modulation spectroscopy for determination of gas propertiesin hostile environments.)。其中激光器光强调制系数i₀及调制深度a通过标准具测量获得。上式表明，2f/1f信号是关于温度T及分压P_x为变量的函数，给定一定范围的温度T及分压P_x，通过仿真，可以得到2f/1f信号关于温度T及分压P_x的三维分布图。

(3)采用上述高速流场多参数快速测量系统分别采集通过风洞试验舱5的三路激光的透射光光强信号，对其进行快速傅里叶变换，得到各自的2f/1f信号值；

(4)设步骤(3)中一路激光用于测量流场中的水气温度和水气分压，另外两路激光用于测量水气速度；

对于用于测量水气温度和水气分压的第一路激光的两个不同波长激光的2f/1f信号值，利用线性插值算法，在步骤(2)中的三维分布图中查找同时满足前述两个2f/1f信号值的共解，该共解即为流场中待测的水气温度与水气分压；即以测得的2f/1f信号为z坐标值，与三维分布图中相交得到一条交线，该交线即为所选吸收线关于温度T及分压P_x一组通解，两个激光器的通解中相同的解即为与待测流场参数一致的特解。具体在数据操作中，表现为2f/1f信号测得值与仿真三维分布图相交得到一条线，两个激光器的两条相交线在温度T及分压P_x平面上投影的交点即为待测流场中的水气温度及水气分压；

对于用于测量水气速度的第二路激光、第三路激光，利用吸收强度较大的、中心频率为1395.00nm的水气吸收线的两个2f/1f信号值的峰值频率差Δv，再按照式

进行流场水气速度计算，其中U为水气速度、Δv为两个2f/1f信号值的峰值频率差、为光速、v₀为激光中心频率、β为用于测量水气速度的两路激光的角度差。

实施例3：

针对某次高超声速风洞试验，如水气温度220K，水气分压5Pa，流场速度1500m/s，进行本发明的实施例详细说明。

在公开的网站(http://www.hitran.org/)HITRAN高光谱数据库中，查找1391.67nm及1395.00nm的水吸收线光谱参数，见下表。

调制信号：锯齿波频率、电压、相位、占空比、余弦波频率、幅值在信号发生器上设置，其中锯齿波频率的设置由风洞流场中待测参数的时间分辨率要求决定；锯齿波电压设置由激光器决定，其电压决定了扫描范围，通常扫描范围要求大于1cm^-1；占空比与相位的设置可以实现两个激光器时分复用；余弦波频率参考锯齿波频率，通常大于100倍的锯齿波频率；幅值决定了调制深度，在标准具进行频率标定过程中可以观察到干涉条纹的个数来计算实际调制深度；调制深度的设置参考计算得到的理论最优的调制深度设置

其中系统的参数设置如下表：

利用下式确定最优的调制深度a，在实验中可以用过调节正弦信号的幅值改变调制深度到这一合适值。

由上式计算得到两条合适的吸收谱线调制深度分别为：a₁₃₉₅＝0.02cm^-1,a₁₃₉₂＝0.02cm^-1。

搭建如图1所示的系统，其中信号发生器1与激光器控制器之间通过BNC线连接；激光器控制器与激光器通过RS232接口连接；激光器带尾纤输出，与2×4分束器通过光纤法兰连接；分束器其中三个输出端通过单模光纤接入风洞试验舱5中，分别与通过螺纹连接在测量架上的一个准直器(第一准直器A1、第二准直器B1、第三准直器C1)连接；相对侧一端分别通过第一准直器A2、第二准直器B2、第三准直器C2接收，并通过多模光纤接出风洞试验舱5，并通过第一准直器A3、第二准直器B3、第三准直器C3形成空间光，打入光电探测器(第一探测器7-1、第二探测器7-2、第三探测器7-3)，形成投射信号。第一路激光通过光纤传输至测量架，用于测量水气温度和水气分压，第二路和第三路激光通过光纤传输至测量架，用于测量水气速度。

分束器剩下一路接第四准直器D，经过远红标准具6，再打入第四探测器7-4，形成标准具信号。四路信号通过16位数据采集系统采集得到数字信号。

风洞十字形测量架的布置如图2所示，第二路激光通过光纤传输至测量架，用于测量水气温度和水气分压，第三路和第四路激光通过光纤传输至测量架，用于测量水气速度。

即在风洞试验前，利用远红外标准具，通过最小二乘拟合得到激光光强调制系数i₀、调制深度a和激光频率扫描范围。然后通过进入风洞试验舱内的三路激光分别测量水气温度、水气分压和测量水气速度。

针对待测风洞中流场的估计参数，设置数据库参数范围(如水气温度100-300K，水气分压0.1-10Pa)，结合光谱参数与激光器调制参数(光强调制系数i₀与调制深度a₁₃₉₅＝0.02cm^-1,a₁₃₉₂＝0.02cm^-1)，利用2f/1f理论公式

进行数据库的建立。得到如图4所示的数据库三维分布图，其中R1395表示中心频率为1395.00nm的水气吸收线2f/1f值，R1392表示中心频率为1391.67nm的水气吸收线2f/1f值。

风洞试验时，第一路激光得到的激光透射信号如图5所示，对该透射信号进行快速傅里叶变换，获取2f/1f信号，如图6所示。获得两个吸收峰的峰值信号，分别在图4中的数据库三维分布图中获得与实验测得的峰值信号一致的水气温度与水气分压解集，即图4中显示的曲线对应的水气温度与水气分压。

即如图7所示的是图4中的曲线在水气温度-水气分压坐标面上的投影，两组解集在水气温度与水气分压做表面上的投影显示为两条曲线，其两线交点为两组解集的共解，即测得流场中水气温度为232K，水气分压为4.6Pa。

第二路与第三路激光得到的激光透射信号如图8所示，对第二路与第三路激光透射信号进行快速傅里叶变换得到图9所示的2f/1f信号，其中两路信号的峰值差为Δv＝0.019cm^-1。利用下式进行流场速度计算：

即测得待测流场的水气温度为232K，水气分压为4.6Pa、水气速度为1586.5m/s。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量系统，包括信号发生器(1)、激光器、数据采集系统(10)以及架设在风洞试验舱(5)内部的测量架，其特征在于：所述测量架及风洞试验舱(5)外部均安装有一一对应的准直器，并形成三组准直器组；所述信号发生器(1)的输出端分别连接有第一激光器(3-1)、第二激光器(3-2)，所述第一激光器(3-1)、第二激光器(3-2)的输出端均通过分束器(4)连接形成四路激光，其中一路激光通过光纤传输到近红外标准具(6)上用于激光频率标定、另外三路激光通过光纤分别传输至相对应的一组准直器组上，用于分别测量水气温度、水气分压和水气速度；所述三组准直器组和近红外标准具(6)的输出端分别与四个探测器一一连接，四个探测器的输出端与数据采集系统(10)连接；

所述测量架包括固定成十字形结构的固定柱(8-1)、支撑柱(8-2)，所述支撑柱(8-2)上水平对称固定有两组肋板(8-4)，所述肋板(8-4)上对称安装有准直器；两组肋板(8-4)中一组肋板为长肋板组、另一组为短肋板组，所述短肋板组位于长肋板组的两个肋板之间；

所述长肋板组上对称安装有第一准直器A1、第一准直器A2，两者间形成第一束激光(9-1)，所述第一束激光(9-1)与流场运动方向呈90°夹角；

所述短肋板组上分别对称安装有第二准直器B1、第三准直器C1、第二准直器B2、第三准直器C2，其中第二准直器B1、第二准直器B2之间形成第二束激光(9-2)，第三准直器C1、第三准直器C2之间形成第三束激光(9-3)；所述第二束激光(9-2)、第三束激光(9-3)中的一束激光与流场运动方向呈90°夹角、另一束激光与流场运动方向呈60°夹角。

2.根据权利要求1所述的高速流场多参数测量系统，其特征在于：所述第一激光器(3-1)与信号发生器(1)之间连接有第一激光器控制器(2-1)，所述第二激光器(3-2)与信号发生器(1)之间连接有第二激光器控制器(2-2)；所述第一激光器控制器(2-1)、第二激光器控制器(2-2)分别控制第一激光器(3-1)、第二激光器(3-2)的电流和温度。

3.根据权利要求1所述的高速流场多参数测量系统，其特征在于：所述第一激光器(3-1)、第二激光器(3-2)的中心波长分别为1391.67nm、1395.00nm，激光器的调制信号为半锯齿波叠加高频调制信号；所述分束器(4)为2×4光纤耦合分束器，使所述第一激光器(3-1)、第二激光器(3-2)中的激光等量输入分束器(4)并分成四等份输出而形成四路激光。

4.根据权利要求1所述的高速流场多参数测量系统，其特征在于：所述肋板(8-4)的中间垂直固定有L形支架(8-5)，所述准直器的一端连接光纤头、另一端通过螺纹连接在L形支架(8-5)的内侧壁；位于L形支架(8-5)的外侧壁安装有保护劈(8-6)。

5.根据权利要求1所述的高速流场多参数测量系统，其特征在于：所述固定柱(8-1)、支撑柱(8-2)、肋板(8-4)、L型支架(8-5)的迎风面均呈尖端，以减少激波的产生。

6.根据权利要求1所述的高速流场多参数测量系统，其特征在于：所述第一准直器A1、第二准直器B1、第三准直器C1为激光发射端，第一准直器A2、第二准直器B2、第三准直器C2为激光接收端。

7.基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据待测流场的CFD模拟数据，初步确定待测流场中水气温度及水气分压的范围；

(2)根据免标定WMS-2f/1f理论公式

式中P_x为水气分压，L为激光穿过流场的光程，S(T)为吸收线在温度T下的线强，i₀为激光器光强调制系数，v₀为激光器心频率，a为调制深度，φ为吸收线型函数，仿真得到中心波长分别为1391.67nm、1395.00nm的2f/1f信号值关于水气温度和水气分压的三维分布图；

(3)采用如权利要求1-6任一项所述的高速流场多参数快速测量系统分别采集通过风洞试验舱的三路激光的透射光光强信号，对其进行快速傅里叶变换，得到各自的2f/1f信号值；

(4)设步骤(3)中一路激光用于测量流场中的水气温度和水气分压，另外两路激光用于测量水气速度；

对于用于测量水气温度和水气分压的一路激光的两个不同波长激光的2f/1f信号值，利用线性插值算法，在步骤(2)中的三维分布图中查找同时满足前述两个2f/1f信号值的共解，该共解即为流场中待测的水气温度与水气分压；

对于用于测量水气速度的两路激光，利用吸收强度较大的、中心波长为1395.00nm的水气吸收线的两个2f/1f信号值的峰值频率差Δv，再按照式

进行流场水气速度计算，其中U为水气速度、Δv为两个2f/1f信号值的峰值频率差、c为光速、v₀为激光中心频率、β为用于测量水气速度的两路激光的角度差。

8.根据权利要求7所述的基于波长调制吸收光谱的高速流场多参数测量方法，其特征在于：激光器光强调制系数i₀、调制深度a均是通过标准具测量获得的，其中调制深度a的公式如下：

(cm^-1)，式中v₀为激光中心频率，T为待测流场的估计温度。

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