CN113281297A - 实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置及测量方法，装置包括激光器、分束镜、聚焦透镜、抛物面镜、反射镜、太赫兹产生及感应晶体、锁频控制系统、信号触发系统、信号采集系统、计算机。泵浦和探测飞秒激光器发出激光经分束镜后分成泵浦锁频、泵浦测量和探测锁频、探测测量激光，泵浦和探测锁频激光用以控制两激光器的重复频率差，泵浦和探测测量激光再次被分束镜分成泵浦触发、泵浦测试激光和探测触发、探测测试激光，泵浦触发和探测触发激光用于触发数据采集系统，泵浦测试激光用于产生太赫兹波并与待测火焰相互作用，探测测试激光经反射后由信号采集系统采集并由计算机分析解析出其中火焰的信息。本发明可应用于不稳定燃烧检测，具有安全、信噪比高等特点。
Description
技术领域
本发明属于燃烧检测技术领域，特别是涉及一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置及测量方法。
背景技术
燃烧不稳定性广泛地存在于航空、航天发动机研制过程中，是制约航天事业的发展的瓶颈问题。在实际的燃烧室内，受高温、高压的影响，容易造成系统流体流动、燃烧及声学扰动的耦合，就可能发展为自激振荡或增幅振荡，导致燃烧室压力及热释放急剧脉动，造成燃烧室性能的下降，甚至产生结构性破坏。在燃烧不稳定性分析过程中，燃烧热释放率的动态测量是最为关键的环节，燃烧热释放率的实时准确测量对于燃烧不稳定机理的认识、预测及控制等方面都具有重要的意义。对于实际的发动机的高频不稳定燃烧，受测量仪器和监测手段的限制，很难对非预混燃烧模式的压力、温度、热释放率等参数进行时间分辨测量，因此特别需要将新型技术应用到高频不稳定燃烧参数的测量和分析之中，从而推动不稳定燃烧机理认识和预测模型的建立。
目前热释放率测量多基于测量燃烧中间产物浓度，应用最为广泛的主要有两种方法：化学发光法和激光诱导荧光法。其中，化学法光法主要利用燃烧过程中OH*、CH*和C2*等自由基由激发态跃迁回基态过程中所辐射特定波长的光进行直接成像，并以此为基础得到火焰表面积的定性分析，进而获得火焰的热释放量。但是该方法局限于预混燃烧模式，对于湍流度较高的非预混火焰，则需考虑湍流度、火焰表面褶皱、燃料空气组分、温度和压力等对自由基的影响，从而限制了该方法的适用性。此外，化学发光法测量的是沿光线传播方向的累积结果，很难得到空间分辨的信息。激光诱导荧光法虽然能够提供燃烧热释放率的定性的空间分辨数据，但是需要根据OH*和CH*等中间产物的频率预先调制激光波长。同时，受激光器重复频率及脉冲能量的限制，利用该方法获取热释放率的时间分辨数据较为困难，并且该方法同样局限于中低频的预混燃烧。随着科学、技术的进步，研究适用于非预混火焰高频燃烧热释放率的快速、高灵敏测量方法既有助于加深对燃烧不稳定机理的研究，又有助于对燃烧不稳定进行预测和控制。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置及测量方法，提高现有测量方法的精度和测量速度，实现预混及非预混火焰高频不稳定性的分析。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明公开了一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，包括泵浦飞秒激光器、探测飞秒激光器、分束镜、锁频控制系统、信号触发系统、太赫兹波产生装置、信号采集系统和计算机。
所述泵浦飞秒激光器和探测飞秒激光器用于产生泵浦光束和探测光束；所述泵浦光束和探测光束分别通过分束镜一和分束镜三分束，反射的泵浦锁频激光和探测锁频激光光束进入所述锁频控制系统；经分束镜一和分束镜三透射的光束再次分别被分束镜二和分束镜四分束，反射的泵浦触发激光和探测触发激光光束进入所述信号触发系统，产生触发信号进入所述信号采集系统；透过分束镜二的泵浦测试激光进入所述太赫兹波产生装置，产生测量太赫兹脉冲及参考太赫兹脉冲；所述信号采集系统包括信号采集系统一、信号采集系统二，透过分束镜四的探测测试激光被分束镜五分束后，反射的探测测试激光进入信号采集系统二，透射的探测测试激光进入信号采集系统一；信号采集系统输出信号被所述计算机所采集。
所述锁频控制系统包括光电二极管一、微波放大器一、光电二极管二、微波放大器二、双平衡混频器一、频率-电压转换器、双平衡混频器二、PID控制器、运算放大器一和压电式换能器。所述光电二极管一探测泵浦锁频激光的重复频率后光电二极管一的信号被微波放大器一放大，所述光电二极管二测量探测锁频激光的重复频率后光电二极管二的信号被微波放大器二放大，微波放大器一和二的信号被送入双平衡混频器一，得到两束激光脉冲的重复频率差，并将频率差发送到频率-电压转换器，频率-电压转换器的输出信号作为双平衡混频器二的输入，随后双平衡混频器二的输出反馈到PID控制器，然后被发送至运算放大器一，放大后的信号用来驱动位于泵浦飞秒激光器上的压电式换能器。
所述信号触发系统包括聚焦透镜一、光电二极管三、微波放大器三、运算放大器二、触发信号探测器。泵浦触发激光和探测触发激光经聚焦透镜一聚焦在光电二极管三上，产生触发信号，此触发信号经过微波放大器三滤除直流信号，经运算放大器二放大后输入到触发信号探测器，从而触发A/D数据采集卡并开始进行数据采集。
所述太赫兹波产生装置包括聚焦透镜二、太赫兹产生晶体、分束镜六、离轴抛物面镜一、离轴抛物面镜二、离轴抛物面镜三、离轴抛物面镜四、离轴抛物面镜五、离轴抛物面镜六和离轴抛物面镜七。泵浦测试激光由聚焦透镜二聚焦到光电导天线型太赫兹发射器上，在外加偏置电压的作用下辐射出太赫兹脉冲，发散的太赫兹脉冲经离轴抛物镜一的反射准直后成为平行的太赫兹波，经分束镜六分为测量太赫兹脉冲及参考太赫兹脉冲。透射的测量太赫兹脉冲经离轴抛物镜二反射后穿过火焰区域，携带火焰信息的测量太赫兹脉冲经离轴抛物镜三和四的反射聚焦后进入信号采集系统一。反射的参考太赫兹脉冲经离轴抛物镜五反射后穿过空白样品池，未携带火焰信息的参考太赫兹脉冲经离轴抛物镜六和七的反射聚焦后进入信号采集系统二。
所述信号采集系统包括信号采集系统一和信号采集系统二。所述信号采集系统一包括硅片一、太赫兹感应晶体一、1/4波片一、沃拉斯顿棱镜一、平衡探测器一、A/D数据采集卡一。测量太赫兹脉冲穿过硅片一会聚到太赫兹感应晶体一上，探测测试激光经硅片一反射与会聚到太赫兹感应晶体一上的测量太赫兹脉冲准直重合，经1/4波片一后，探测测试激光的偏振态由原来的线性偏振光变成椭圆偏振光，后经沃拉斯顿棱镜一被分解为水平偏振和垂直偏振的两束光，随后由平衡探测器一测量太赫兹波强度，并最终被A/D数据采集卡一采集后再送入计算机进行进一步的处理。所述信号采集系统二包括硅片二、太赫兹感应晶体二、1/4波片二、沃拉斯顿棱镜二、平衡探测器二、A/D数据采集卡二。参考太赫兹脉冲穿过硅片二会聚到太赫兹感应晶体二上，探测测试激光经硅片二反射与会聚到太赫兹感应晶体二上的参考太赫兹脉冲准直重合，经1/4波片二后，由原来的线性偏振光变成椭圆偏振光，经沃拉斯顿棱镜二被分解为水平偏振和垂直偏振的两束光，随后由平衡探测器二测量太赫兹波强度，并最终被A/D数据采集卡和二采集后再送入计算机进行进一步的处理。
所述A/D数据采集卡一和A/D数据采集卡二通过触发信号探测器数据线与所述触发信号探测器相连。
所述A/D数据采集卡一和所述A/D数据采集卡二通过A/D数据采集卡数据线与所述计算机连接。
所述火焰样品采用速度调制器进行速度调制。
所述火焰样品采用石英管进行限制，以避免热流与周围环境空气相互作用。
所述参考样品池与所述石英管相同。
一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)所述泵浦飞秒激光器和探测飞秒激光器发出泵浦光束和探测光束；
(2)所述A/D数据采集卡一和A/D数据采集卡二获取测量太赫兹脉冲与对应参考太赫兹脉冲的透射功率；
(3)所述计算机输出不同时刻测量太赫兹脉冲与对应的参考太赫兹脉冲的时域光谱；
(4)根据所述不同时刻测量太赫兹脉冲与对应的参考太赫兹脉冲的时域光谱计算得到待测火焰的热释放率脉动。
根据所述不同时刻测量太赫兹脉冲与对应的参考太赫兹脉冲的时域光谱计算得到待测火焰的热释放率脉动，具体包括：
4.1所述计算机输出不同采样时刻(i＝1，2，…，n)的测量太赫兹脉冲的时域光谱E1s(t)，E2s(t)，…，Ens(t)和参考太赫兹脉冲的时域光谱E1r(t)，E2r(t)，…，Enr(t)；
4.2分别对所述测量太赫兹脉冲的时域光谱Eis(t)和参考太赫兹脉冲的时域光谱Eir(t)进行快速傅里叶变换得到不同采样时刻测量太赫兹脉冲和参考太赫兹脉冲的频域光谱Iis(ω)和Iir(ω)；
4.3由于测量燃烧区域厚度较厚，太赫兹脉冲在火焰中往返一周的光程比较大，因此可以忽略所有回波，将所述测量太赫兹脉冲的频域光谱Iis(ω)与参考太赫兹脉冲的频域光谱Iir(ω)相比得到化简后的测量火焰的复透射函数Hi(ω)的相位函数φi(ω)：
其中，
是i时刻火焰区域气体的平均复折射率，ω为频率，j为虚数单位，e为自然指数，
为该时刻太赫兹脉冲通过火焰区域的平均距离，c表示真空中的光速,Ai(ω)表示复透射函数的幅值函数；
4.4将所述复折射率带入求得的相位函数φi(ω)得到该时刻测量火焰的平均折射率
4.5根据所述平均折射率得到在频率ω0处火焰不同时刻的定频折射率
t＝iΔt，其中Δt为采样时间间隔；
4.6根据所述定频折射率，利用Glastone–Dale公式确定火焰平均密度
其中，上标
表示稳定值,而上标()′表示脉动值，
为频率为ω0时混合物的Glastone–Dale常数，Yk为混合气体中第k种气体组分的质量分数，Gk为混合气体中第k种气体组分的Glastone–Dale常数，Gk与入射光频率有关，但基本不随温度的变化而变化；
4.7根据所述火焰平均密度，在线性化处理以及量纲分析的基础上，通过变量替换以及忽咯粘性力作用，利用热释放率和密度间的近似关系式，获取测试火焰区域热释放脉动
其中，v是声速，γ为混合物的比热容比。
所述步骤4.7中热释放率与密度关系的具体建立过程如下：
对于理想的单组份气体流，其密度ρ与压力p、速度v、摩尔质量r、单位体积燃烧热释放率
热扩散系数λ和温度T间存在如下关系：
在燃烧过程中，由于空气中氮气的稀释作用，混合物摩尔质量的变化非常小，因此公式(5)中右侧第二项可忽略；在实际的燃烧室中，由于燃烧区域燃烧热释放率远远大于壁面附近的热传导率，式(5)中右侧第四项同样可忽略，即为：
当所述速度调制器的调制频率满足
时，由声波的压力波动引起的密度波动可忽略，进而得到步骤4.7中热释放率与密度的近似关系式：
其中，
分别表示稳定状态混合物的密度、燃烧器出口速度和燃烧热释放率，F(ω)为低通滤波器，是关于ω的函数。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
第一，实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置使用两台重复频率在1GHz附近可调的锁模激光振荡器，并使用高带宽反馈电路控制其重复频率差维持在固定值。其中泵浦脉冲重复频率为1GHz+ΔfHz，另一束探测脉冲重复频率为1GHz，利用两束脉冲的重复频率差，能够在1/Δf的时间内完成一个太赫兹脉冲的测量，实现快速获得燃烧区域太赫兹时域光谱的效果。由于采用双光子探测器来产生触发信号，能够实现周期为1/Δf的快速线性扫描采样，因此实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹测量装置能够以较高的采样速率对燃烧对象进行数据采集，特别适合于火焰燃烧这类超快过程的瞬态诊断。同时，太赫兹光谱测量技术属于非接触测量，实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置及测量方法能够在不干扰燃烧物质分布的条件下实现不稳定燃烧热释放率脉动的动态演化过程分析。
第二，由于太赫兹时域光谱是基于相干测量的原理得到的，因此通过控制时域窗口的大小可以极大地去除热噪声。同时太赫兹辐射波长范围在燃烧红外辐射频段之外，得到的太赫兹信号基本不会被燃烧过程中产生的大量背景红外辐射噪声所干扰，因此利用太赫兹时域光谱系统进行燃烧热释放率的检测可以极大的抑制热噪声从而提高系统信噪比和精度。
第三，实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置将太赫兹脉冲平均分为参考和测量两束脉冲，并利两套自由空间电光采样装置进行数据采集，能够同时获取参考太赫兹波和燃烧区域太赫兹波的时域波形，减小测量的系统误差，提高测量精度。
第四，太赫兹时域光谱经快速傅里叶变换后能得到火焰的折射率信息，进而一次实验就能得到多个频率下的燃烧热释放率数据。
第五，一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置及测量方法能够克服火焰燃烧模式的限制，能够对非预混火焰的高频燃烧热释放率进行快速、高灵敏测量。
附图说明
图1是实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置的结构示意图。
图2是锁频控制系统示意图。
图3是信号触发系统示意图。
图4是太赫兹波产生装置系统示意图。
图5是信号采集系统示意图。
图中，泵浦飞秒激光器1-1、探测飞秒激光器1-2、分束镜一2-1、分束镜二2-2、分束镜三2-3、分束镜四2-4、分束镜五2-5、分束镜六2-6、锁频控制系统3、信号触发系统4、太赫兹波产生装置5、信号采集系统一6-1、信号采集系统二6-2、计算机7、反射镜8、光电二极管一9-1、光电二极管二9-2、光电二极管三9-3、微波放大器一10-1、微波放大器二10-2、微波放大器三10-3、双平衡混频器一11-1、双平衡混频器二11-2、频率-电压转换器12、PID控制器13、运算放大器一14-1、运算放大器二14-2、压电式换能器15、聚焦透镜一16-1、聚焦透镜二16-2、触发信号探测器17、太赫兹产生晶体18、离轴抛物面镜一19-1、离轴抛物面镜二19-2、离轴抛物面镜三19-3、离轴抛物面镜四19-4、离轴抛物面镜五19-5、离轴抛物面镜六19-6、离轴抛物面镜七19-7、火焰样品20、参考样品池21、硅片一22-1、硅片二22-2、太赫兹感应晶体一23-1、太赫兹感应晶体二23-2、1/4波片一24-1、1/4波片二24-2、沃拉斯顿棱镜一25-1、沃拉斯顿棱镜二25-2、平衡探测器一26-1、平衡探测器二26-2、A/D数据采集卡一27-1、A/D数据采集卡二27-2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置包括泵浦飞秒激光器1-1、探测飞秒激光器1-2、分束镜一2-1、分束镜二2-2、分束镜三2-3、分束镜四2-4、分束镜五2-5、锁频控制系统3、信号触发系统4、太赫兹波产生装置5、信号采集系统一6-1、信号采集系统二6-2、计算机7、反射镜8。
所述泵浦飞秒激光器1-1和探测飞秒激光器1-2用于产生泵浦光束和探测光束，所述泵浦光束和探测光束分别通过分束镜一2-1和分束镜三2-3分束(分光比均为90：10)后，各分为两路，其中，泵浦锁频激光和探测锁频激光进入锁频控制系统部分，泵浦测量和探测测量的两路光束再次被分束镜二2-2和分束镜四2-4分束后分为两路，其中，反射的泵浦触发激光和探测触发激光进入信号触发系统，经分束镜二2-2透射的泵浦测试激光进入太赫兹波产生装置产生太赫兹信号，透过分束镜四2-4的探测测试激光经分束镜五2-5的分束后产生探测测试激光并分别进入信号采集系统一和信号采集系统二，采集的信号通过A/D数据采集卡数据线送入计算机7进行后续的分析处理。
如图2所示，所述锁频控制系统包括光电二极管一9-1、光电二极管二9-2、微波放大器一10-1、微波放大器二10-2、双平衡混频器一11-1、双平衡混频器二11-2、频率-电压转换器12、PID控制器13、运算放大器一14-1、压电式换能器15。
所述锁频控制系统为电子反馈控制系统，所述光电二极管一9-1、光电二极管二9-2分别探测泵浦锁频激光和探测锁频激光的重复频率，信号经微波放大器一10-1和微波放大器一10-2滤波后送入双平衡混频器一11-1，得到两束光脉冲的重复频率差，并将其发送到频率-电压转换器12，转化为电压信号，经双平衡混频器二11-2输出与参考电压信号之差，随后该输出进入PID控制器13，得到反馈信号，然后被运算放大器一14-1放大，以驱动压电式换能器15，该换能器能够控制泵浦飞秒激光器1-1谐振器腔中的路径长度，从而改变泵浦飞秒激光器1-1的重复频率，实现两输出脉冲重复频率差的反馈控制，进而保证两激光器输出脉冲的重复频率间有一个固定的差值。
如图3所示，所述信号触发系统包括聚焦透镜一16-1、光电二极管三9-3、微波放大器三10-3、运算放大器二14-2、触发信号探测器17。
所述信号触发系统的输入信号为泵浦触发激光和探测触发激光，两路激光脉冲经聚焦透镜一16-1聚焦在光电二极管三9-3上，光电二极管上所加的直流偏置电压为5V，由于双光子的吸收效应，当两路激光脉冲重合时，光电二极管产生双光子吸收，从而产生触发信号，此触发信号经过微波放大器三10-3滤除直流信号，经运算放大器二14-2放大后输入到触发信号探测器17，产生触发信号从而触发A/D数据采集卡一和A/D数据采集卡二并开始进行数据采集，由于两束飞秒激光脉冲的重复频率存在固定的较小差值，随着时间推移，两脉冲的相位差从0开始依次增加某一固定值，直至两束脉冲再次重合，触发信号探测器再一次接收到触发信号后结束本次采集，保存数据，并开始下一个完整的太赫兹脉冲信号的数据采集。
如图4所示，所述太赫兹波产生装置包括聚焦透镜二16-2、太赫兹产生晶体18、离轴抛物面镜一19-1、离轴抛物面镜二19-2、离轴抛物面镜三19-3、离轴抛物面镜四19-4、离轴抛物面镜五19-5、离轴抛物面镜六19-6、离轴抛物面镜七19-7、火焰样品20、参考样品池21太赫兹产生晶体18。
经分束镜二2-2透射的泵浦测试激光由聚焦透镜二16-2会聚后聚焦到太赫兹产生晶体18上，同时在外加偏置电压的作用下辐射出太赫兹脉冲，发散的太赫兹脉冲经离轴抛物镜一19-1的反射准直后成为平行的太赫兹波，经过分束镜六2-6(分光比50：50)分为测量太赫兹脉冲及参考太赫兹脉冲，测量太赫兹脉冲被轴抛物镜二19-2反射后穿过被测火焰，携带火焰信息的测量太赫兹脉冲被轴抛物镜三19-3、四19-4反射后聚焦，参考太赫兹脉冲经轴抛物镜五19-5反射后穿过空白样品池区域，未携带火焰信息的参考太赫兹脉冲被被轴抛物镜六19-6、七19-7反射后聚焦。
如图5所示，所述信号采集系统包括信号采集系统一和信号采集系统二，所述信号采集系统一包括硅片一22-1、太赫兹感应晶体一23-1、1/4波片一24-1、沃拉斯顿棱镜一25-1、平衡探测器一26-1、A/D数据采集卡一27-1，所述信号采集系统二包括硅片二22-2、太赫兹感应晶体二23-2、1/4波片二24-2、沃拉斯顿棱镜二25-2、平衡探测器二26-2、A/D数据采集卡二27-2。
所述信号采集系统一用于检测通过火焰样品后的待测太赫兹波的透射功率，所述信号采集系统二用于检测通过参考样品池后参考太赫兹波的透射功率。所述信号采集系统一和信号采集系统二光路一致，两束探测测试激光分别被硅片一22-1和硅片二22-2反射后与会聚到太赫兹感应晶体的测量太赫兹脉冲和参考太赫兹脉冲准直重合，由于Pokels效应，被太赫兹波调制的感应晶体具有了双折射的特性，使得测量探测光及参考探测光的偏振态发生改变，测量探测光及参考探测光分别经过1/4波片后，由原来的线性偏振光变成椭圆偏振光，然后经沃拉斯顿棱镜被分解为水平偏振方向和垂直偏振方向的两束光，随后由平衡探测器测量测量探测光及参考探测光的两偏振分量的强度差，测得的强度差与太赫兹波强度成正比，测得的信号最终分别被A/D数据采集卡采集后再送入计算机进行进一步的处理，进而同时得到测量太赫兹波和参考太赫兹波的时域波形。
所述火焰样品采用速度调制器进行速度调制。
所述火焰样品采用石英管进行限制，以避免热流与周围环境空气相互作用。
所述参考样品池与所述石英管相同。
一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)所述泵浦飞秒激光器和探测飞秒激光器发出泵浦光束和探测光束；
(2)所述A/D数据采集卡一和A/D数据采集卡二获取测量太赫兹脉冲与对应参考太赫兹脉冲的透射功率；
(3)所述计算机输出不同时刻测量太赫兹脉冲与对应的参考太赫兹脉冲的时域光谱；
(4)根据所述不同时刻测量太赫兹脉冲与对应的参考太赫兹脉冲的时域光谱计算得到待测火焰的热释放率脉动。
根据所述不同时刻参考太赫兹脉冲与对应的测量太赫兹脉冲的时域光谱计算得到待测火焰的热释放率脉动，具体包括：
步骤(1).所述计算机输出不同采样时刻(i＝1，2，…，n)的测量太赫兹脉冲的时域光谱E1s(t)，E2s(t)，…，Ens(t)和参考太赫兹脉冲的时域光谱E1r(t)，E2r(t)，…，Enr(t)；
步骤(2).分别对所述测量太赫兹脉冲的时域光谱Eis(t)和参考太赫兹脉冲的时域光谱Eir(t)进行快速傅里叶变换得到不同采样时刻测量太赫兹脉冲和参考太赫兹脉冲的频域光谱Iis(ω)和Iir(ω)；
步骤(3).由于测量火焰厚度较厚，太赫兹脉冲在火焰中往返一周的光程比较大，因此可以忽略所有回波，将所述测量太赫兹脉冲的频域光谱Iis(ω)与参考太赫兹脉冲的频域光谱Iir(ω)相比得到化简后的测量火焰的复透射函数Hi(ω)的相位函数
其中，
是i时刻火焰区域气体的平均复折射率ω为频率，j为虚数单位，e为自然指数，
为该时刻太赫兹脉冲通过火焰区域的平均距离，c表示真空中的光速,Ai(ω)表示复透射函数的幅值函数；
步骤(4).将所述复折射率带入求得的相位函数
得到该时刻测量火焰的平均折射率
步骤(5).根据所述平均折射率得到在频率ω0处火焰不同时刻的定频折射率
t＝iΔt，其中Δt为采样时间间隔；
步骤(6).根据所述定频折射率，利用Glastone–Dale公式确定火焰平均密度
其中，上标
表示稳定值,而上标()′表示脉动值，
为频率为ω0时混合物的Glastone–Dale常数，Yk为混合气体中第k种气体组分的质量分数，Gk为混合气体中第k种气体组分的Glastone–Dale常数，Gk与入射光频率有关，但基本不随温度的变化而变化；
步骤(7).根据所述火焰平均密度，在线性化处理以及量纲分析的基础上，通过变量替换以及忽咯粘性力作用，利用热释放率和密度间的近似关系式，获取测试火焰区域热释放脉动
其中，v是声速，γ为混合物的比热容比。
Claims (8)
1.一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，其特征在于：包括泵浦飞秒激光器、探测飞秒激光器、分束镜、锁频控制系统、信号触发系统、太赫兹波产生装置、信号采集系统及计算机；
所述泵浦飞秒激光器和探测飞秒激光器用于产生泵浦光束和探测光束；泵浦光束和探测光束分别通过分束镜一和分束镜三分束，反射的泵浦锁频激光和探测锁频激光光束进入锁频控制系统；经分束镜一和分束镜三透射的光束再次分别被分束镜二和分束镜四分束，反射的泵浦触发激光和探测触发激光光束进入信号触发系统，产生触发信号进入信号采集系统；透过分束镜二的泵浦测试激光进入太赫兹波产生装置产生测量太赫兹脉冲及参考太赫兹脉冲；
所述信号采集系统包括信号采集系统一、信号采集系统二，透过分束镜四的探测测试激光被分束镜五分束后，反射的探测测试激光进入信号采集系统二，透射的探测测试激光进入信号采集系统一；信号采集系统输出信号被计算机所采集；
所述锁频控制系统用于保证泵浦飞秒激光器和探测飞秒激光器输出脉冲的重复频率间有一个固定的差值；
所述太赫兹波产生装置用于产生测量太赫兹波和参考太赫兹波；
所述信号采集系统用于检测通过火焰样品后的待测太赫兹波和通过参考样品池后参考太赫兹波的透射功率。
2.如权利要求1所述实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，其特征在于：所述锁频控制系统包括光电二极管一、微波放大器一、光电二极管二、微波放大器、双平衡混频器一、频率-电压转换器、双平衡混频器二、PID控制器、运算放大器一和压电式换能器；所述光电二极管一探测泵浦锁频激光的重复频率后其信号被微波放大器一放大，光电二极管二探测探测锁频激光的重复频率后其信号被微波放大器二放大，微波放大器一和微波放大器二的信号被送入双平衡混频器一，得到两束激光脉冲的重复频率差，并将频率差发送到频率-电压转换器，其输出信号作为平衡混频器二的输入，随后双平衡混频器二的输出反馈到PID控制器，然后被发送至运算放大器一，放大后的信号用来驱动位于泵浦飞秒激光器上的压电式换能器。
3.如权利要求1所述实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，其特征在于：所述信号触发系统包括聚焦透镜一、光电二极管三、微波放大器三、运算放大器二及触发信号探测器；泵浦触发激光和泵浦触发激光经聚焦透镜一聚焦在光电二极管三上，产生触发信号，此触发信号经过微波放大器三滤除直流信号，经运算放大器二放大后输入到触发信号探测器，从而触发A/D数据采集卡并开始进行数据采集。
4.如权利要求1所述实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，其特征在于：所述太赫兹产生装置包括聚焦透镜二、太赫兹产生晶体、离轴抛物面镜一、分束镜六、离轴抛物面镜二、离轴抛物面镜三、离轴抛物面镜四、离轴抛物面镜五，离轴抛物面镜六和离轴抛物面镜七；泵浦测试激光由聚焦透镜二聚焦到光电导天线型太赫兹发射器上，在外加偏置电压的作用下辐射出太赫兹脉冲，发散的太赫兹脉冲经离轴抛物镜一的反射准直后成为平行的太赫兹波，经分束镜六分为测量太赫兹脉冲及参考太赫兹脉冲；透射的测量太赫兹脉冲经离轴抛物镜二反射后穿过火焰区域，携带火焰信息的测量太赫兹脉冲经离轴抛物镜三和四的反射聚焦后进入信号采集系统一；反射的参考太赫兹脉冲经离轴抛物镜五反射后穿过空白样品池，未携带火焰信息的参考太赫兹脉冲经离轴抛物镜六和七的反射聚焦后进入信号采集系统二。
5.如权利要求1所述实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，其特征在于：所述信号采集系统一包括硅片一、太赫兹感应晶体一、1/4波片一、沃拉斯顿棱镜一、平衡探测器一及A/D数据采集卡一；测量太赫兹脉冲穿过硅片一会聚到太赫兹感应晶体一上，探测测试激光经硅片一反射与会聚到太赫兹感应晶体一上的测量太赫兹脉冲准直重合，经1/4波片一后，其偏振态由原来的线性偏振光变成椭圆偏振光，后经沃拉斯顿棱镜一被分解为水平偏振和垂直偏振的两束光，随后由平衡探测器一测量太赫兹波强度，并最终被A/D数据采集卡一采集后再送入计算机进行进一步的处理；所述信号采集系统二包括硅片二、太赫兹感应晶体二、1/4波片二、沃拉斯顿棱镜二、平衡探测器二及A/D数据采集卡二；参考太赫兹脉冲穿过硅片二会聚到太赫兹感应晶体二上，探测测试激光经硅片二反射与会聚到太赫兹感应晶体二上的参考太赫兹脉冲准直重合，经1/4波片二后，由原来的线性偏振光变成椭圆偏振光，经沃拉斯顿棱镜二被分解为水平偏振和垂直偏振的两束光，随后由平衡探测器二测量太赫兹波强度，并最终被A/D数据采集卡和二采集后再送入计算机进行进一步的处理；A/D数据采集卡一和A/D数据采集卡二通过触发信号探测器数据线与触发信号探测器相连。
6.如权利要求1所述实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，其特征在于：所述计算机通过A/D数据采集卡数据线与A/D数据采集卡一和A/D数据采集卡二连接。
7.一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)所述泵浦飞秒激光器和探测飞秒激光器发出泵浦光束和探测光束；
(2)所述A/D数据采集卡一和A/D数据采集卡二获取测量太赫兹脉冲与对应参考太赫兹脉冲的透射功率；
(3)所述计算机输出不同时刻测量太赫兹脉冲与对应的参考太赫兹脉冲的时域光谱；
(4)根据不同时刻测量太赫兹脉冲与对应的参考太赫兹脉冲的时域光谱计算得到待测火焰的热释放率脉动。
8.如权利要求7所述实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置的测量方法，其特征在于：步骤4具体包括：
4.1计算机输出不同采样时刻的测量太赫兹脉冲的时域光谱E1s(t)，E2s(t)，…，Ens(t)和参考太赫兹脉冲的时域光谱E1r(t)，E2r(t)，…，Enr(t)；
4.2分别对测量太赫兹脉冲的时域光谱Eis(t)和参考太赫兹脉冲的时域光谱Eir(t)进行快速傅里叶变换得到不同采样时刻测量太赫兹脉冲和参考太赫兹脉冲的频域光谱Iis(ω)和Iir(ω)；
4.3将测量太赫兹脉冲的频域光谱Iis(ω)与参考太赫兹脉冲的频域光谱Iir(ω)相比得到化简后的测量火焰的复透射函数Hi(ω)的相位函数
其中，
是i时刻火焰区域气体的平均复折射率，ω为频率，j为虚数单位，e为自然指数，
为该时刻太赫兹脉冲通过火焰区域的平均距离，c表示真空中的光速，Ai(ω)表示复透射函数的幅值函数；
4.4将复折射率带入求得的相位函数
得到该时刻测量火焰的平均折射率
4.5根据平均折射率得到在频率ω0处火焰不同时刻的定频折射率
其中Δt为采样时间间隔；
4.6根据定频折射率，利用Glastone-Dale公式确定火焰平均密度
其中，上标
表示稳定值，而上标()′表示脉动值，
为频率为ω0时混合物的Glastone-Dale常数，Yk为混合气体中第k种气体组分的质量分数，Gk为混合气体中第k种气体组分的Glastone-Dale常数，Gk与入射光频率有关，但不随温度的变化而变化；
4.7根据火焰平均密度，利用热释放率和密度间的近似关系式，获取测试火焰区域热释放脉动
其中，v是声速，γ为混合物的比热容比。
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