CN117871356A - 一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测系统及方法，属于高温热辐射测量技术领域。本发明解决了现有无法实现高温火焰温度及组分浓度参数三维空间分布的问题。本发明所述的双光梳系统产生稳定的频率光梳信号，光纤分束器3将频率光梳信号分为光强相同的n束光，n束光经过烟碳火焰后再入射至光电探测器的采集面，红外光场相机拍摄烟碳火焰，获取烟碳火焰的红外图像；数据处理系统利用烟碳火焰的红外图像获取光场测量信号，利用所述测量信号和光场测量电信号，采用反问题算法，获取烟碳颗粒火焰的温度场，再利用所述温度场，采用光谱理论中的辐射传输方程计算获取火焰的组分浓度场和压力场。本发明适用于高温热辐射测量。
Description
技术领域
本发明属于高温热辐射测量技术领域。
背景技术
高温燃烧现象广泛存在于许多领域，包括工业生产、能源利用、环境保护等。燃烧诊断技术是研究和控制高温燃烧过程中温度、物性、浓度和压力等参数的关键。火焰温度场的测量是燃烧诊断的重要组成部分，因为火焰温度是燃烧过程中的一个关键指标，对于优化燃烧效率、减少污染物排放和提高能源利用效率都有重要意义。火焰温度场的测量精度受到火焰内部半透明介质物性参数场的影响。火焰内部存在着一系列的物性参数场，包括光谱函数、温度函数、浓度场、压力场等。这些物性参数与火焰的光学性质、化学反应过程以及热传导等密切相关。因此，准确测量火焰温度场需要考虑这些物性参数的变化情况。火焰温度场的测量面临着一些挑战。由于多相流动和高温化学反应引起的燃烧火焰本身瞬时脉动，导致火焰温度场、物性场、浓度场和压力场等多物理场表现为强烈的瞬时脉动特性。这种脉动性使得火焰温度场的测量变得更加复杂和困难。
目前，针对高温火焰的燃烧诊断技术主要以非接触式测量方法为主。其中，基于辐射图像法的被动层析探测方法利用火焰自身释放的辐射信号进行测量。这种方法通过对火焰辐射图像的处理和分析，可以获得火焰温度场的分布信息。而基于激光光谱的主动层析探测方法则利用激光经过火焰时的物理特性变化进行测量。这种方法通过激光与火焰相互作用后的光谱变化，可以反推出火焰温度场的分布情况。这些非接触式测量方法具有许多优点，如测量速度快、精度高、无需接触火焰等。然而，它们也存在一些限制，如对火焰辐射特性的依赖、对测量环境的要求以及对仪器设备的复杂性等。因此，需要综合考虑测量方法的优缺点，选择适合特定应用场景的燃烧诊断技术。
由于火焰多物理场之间相互耦合关联，瞬时多物理场同时重建过程面临“强非线性、高欠定性、高串扰、大计算量”等限制，导致火焰多物理量场三维在线协同检测极为困难。而单一的主、被动层析探测方法受限于探测器的空间布置、光谱辐射物性参数的已知性等问题，无法实现对高温火焰的温度、组分浓度等多参数三维空间分布测量。
发明内容
本发明是为了解决现有无法实现高温火焰温度及组分浓度参数三维空间分布的问题，现提供了一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测系统及方法。
本发明所述一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测系统，包括：双光梳系统、光栅耦合器、光纤分束器、两个光纤束、光电探测器、数据处理系统和红外光场相机；
双光梳系统用于产生稳定的频率光梳信号，将所述频率光梳信号入射至光栅耦合器光栅耦合器；所述光栅耦合器光栅耦合器将频率光梳信号耦合至光纤中，光纤用于将频率光梳信号传输至光纤分束器，所述光纤分束器用于将频率光梳信号分为光强相同的n束光，将所述n束光作为测量光束沿不同的方向入射至烟碳火焰，所述测量光束经过烟碳火焰后再经n束接收光纤入射至光电探测器的采集面；
所述光电探测器将采集的光信号转换为测量电信号，并将该电信号传输至数据处理系统；
红外光场相机用于拍摄烟碳火焰，获取烟碳火焰的红外图像；将所述红外图像传输至数据处理系统；
所述数据处理系统利用烟碳火焰的红外图像获取光场测量信号，利用所述测量信号和光场测量电信号，采用反问题算法，获取烟碳颗粒火焰的温度场T，再利用所述温度场T，采用光谱理论中的辐射传输方程计算获取火焰的组分浓度场C和压力场P。
进一步地，本发明中，红外光场相机拍摄烟碳火焰时，双光梳系统关闭。
一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，该方法包括：
步骤一、采用双光梳系统1用于产生稳定的频率光梳信号，将所述光梳信号先耦合至光纤中，再经光纤分束器将光纤中的光信号分为光强相同的n束光，将n束光作为测量光束等间隔排列在烟碳火焰的一侧，所述测量光束经过烟碳火焰后通过光纤束入射至光电探测器，获取测量信号Il；
步骤二、保持烟碳火焰的空燃比配比不变，利用红外光场相机捕获火焰辐射的光场图像信号，得到光场测量信号Ilf；
步骤三、根据吸收光谱理论，利用测量信号Il计算火焰在激光探测光谱下的光谱辐射物性参数分布k；
步骤四：利用光谱辐射物性参数k和光场测量信号Ilf，将光场测量过程中的欠定的病态反问题转化为超定反问题；对所述超定反问题求解，获取火焰的出射辐射强度In；
步骤五、根据光场相机结构参数与位置关系及所述火焰的出射辐射强度In，结合反问题算法，确定火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ；
步骤六、根据所述火焰的黑体光谱辐射强度Ibλ，利用普朗克定律计算火焰内部的温度Th，并根据Th得到烟碳颗粒火焰的温度场T；
步骤七、设定火焰的组分浓度场C和压力场P，结合所述火焰的温度场T，建立光谱理论中的辐射传输方程，采用反问题算法对所述辐射传输方程求解，获取激光探测的辐射强度估计值Il′；
步骤八、利用所述激光测量信号Il和激光探测辐射强度估计值Il′，构建火焰浓度场和压力场的目标函数方程，求火焰组分浓度和压力场的目标函数值，判断所述目标函数值是否满足阈值条件，若是，则将当前的烟碳火焰的组分浓度场C和压力场P作为最终探测结果，否则调整火焰的组分浓度场C和压力场P，重新求火焰组分浓度和压力场的目标函数值，直至所述目标函数值满足所述阈值条件。
进一步地，本发明中，步骤一中，频率光梳信号为：
fa＝afr1+fceo1
fb＝bfr2+fceo2
a、b分别为两频率梳的纵模序数，fceo1、fceo2分别为两频率梳载波偏移频率，和分别表示两个光学梳中第a和b个纵模初相位，fa和fb分别表示两个光学频率梳中第a和b个纵模的频率,A、B分别为满足滤波器通带范围纵模序数a、b的集合，Ea和Eb分别为两个光学梳中第a和b个纵模的电场强度,t为时间。
进一步地，本发明中，步骤一中，测量信号Il为：
其中，α(fa)和α(fb)是气体分子在光频fa和fb处的吸收率；
参考信号为：
其中，fr1为双光梳系统中一个频率梳的频率，且fr1<fr2，所述fr2为双光梳系统中另一个频率梳的频率。
进一步地，本发明中，步骤三中，根据吸收光谱理论，利用测量信号Il计算火焰在激光探测光谱下的光谱辐射物性参数分布k的方法为：
采用：
对火焰光谱物性场的求解，直到吸收系数的值使得||I1-ka I||取得最小值，确定吸收系数ka为光谱辐射物性参数分布k，其中，表示第n次迭代得到的吸收系数分布；μ(n)表示第n次迭代时的收敛因子；I表示投影系数矩阵。
进一步地，本发明中，步骤五中，火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ方法为：
沿不同探测线方向积分，得到以火焰黑体光谱辐射强度Ibλ为变量的线性方程组：
In＝AλIbλ
其中，Aλ表示根据探测器像素反向追踪得到的投影系数矩阵；采用线性反问题算法Landeweber对火焰黑体光谱辐射强度Ibλ进行求解：
式中，p≥2为给定的正整数，Sn为计算过程中第n步的过渡矩阵，S0为过渡矩阵初始值；E为单位矩阵；α代表松弛因子；AT为A的转置矩阵，A等于投影系数矩阵Aλ；An表示迭代第n步更新得到的系数矩阵；X表示待求解的未知量；
迭代M步后，达到最大迭代次数或者达到最小收敛精度时得：
XM即为火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ。
进一步地，本发明中，步骤六中，利用普朗克定律计算火焰内部的温度Th为：
式中，c1是普朗克定律第一辐射常数，其值为3.7418×10-16W·m2，c2是第二辐射常数，c2＝1.4388×10-2m·K，λ为辐射波长。
进一步地，本发明中，步骤七中，光谱理论中的辐射传输方程为：
其中，Pl和Cl表示l处的压力和组分浓度，l表示位置，I0表示入射的激光辐射强度，ν表示入射激光光谱的中心波数，Sν(·)表示线强函数，表示线型函数，Il'(ν)表示激光探测辐射强度的估计值，由于波长为固定值，因此，为关于变量P、C的方程
进一步地，本发明中，步骤八中，火焰浓度场和压力场的目标函数方程为：
其中，Fobj表示火焰压力组分浓度场目标函数。
本发明是一种利用双光梳技术和光场成像技术的方法，用于测量高温火焰的三维温度场、组分浓度场和压力场等多个参数场。具体包括高温火焰的热辐射测量、辐射特性参数计算、温度场重建、组分浓度场和压力场的协同重建等步骤。该方法利用波分复用技术将双光梳激光照射到火焰区域，探测器接收火焰边界上的出射光谱辐射强度，并结合吸收光谱理论和反问题分析方法求解得到火焰的红外光谱辐射特性。然后根据红外光场相机探测到的信号重建出火焰的三维温度场。再根据已知的温度场，结合激光探测的透射激光强度信号和协同重建的反问题分析方法，推断火焰的组分浓度和压力在三维空间中的分布。通过本发明的仿真技术，可以实现对高温火焰的温度、组分浓度和压力等多个参数的协同检测，为高温火焰的在线诊断和光场相机的拓展研究提供理论基础。
附图说明
图1为本发明所述系统框图；
图2为本发明所述方法流程图；
图3是具体实施过程流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测系统，包括：双光梳系统1、光栅耦合器2光栅耦合器2、光纤分束器3、两个光纤束、光电探测器4、数据处理系统5和红外光场相机6；
双光梳系统1用于产生稳定的频率光梳信号，将所述频率光梳信号入射至光栅耦合器光栅耦合器2；所述光栅耦合器光栅耦合器2将频率光梳信号耦合至光纤中，光纤用于将频率光梳信号传输至光纤分束器3，所述光纤分束器3用于将频率光梳信号分为光强相同的n束光，将所述n束光作为测量光束沿不同的方向入射至烟碳火焰，所述测量光束经过烟碳火焰后再经n束接收光纤入射至光电探测器4的采集面；
所述光电探测器4将采集的光信号转换为测量电信号，并将该电信号传输至数据处理系统5；
红外光场相机6用于拍摄烟碳火焰，获取烟碳火焰的红外图像；将所述红外图像传输至数据处理系统5；
所述数据处理系统5利用烟碳火焰的红外图像获取光场测量信号，利用所述测量信号和光场测量电信号，采用反问题算法，获取烟碳颗粒火焰的温度场T，再利用所述温度场T，采用光谱理论中的辐射传输方程计算获取火焰的组分浓度场C和压力场P。
进一步地，本发明中，红外光场相机6拍摄烟碳火焰时，双光梳系统1关闭。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，该方法包括：
步骤一、采用双光梳系统1用于产生稳定的频率光梳信号，将所述光梳信号先耦合至光纤中，再经光纤分束器将光纤中的光信号分为光强相同的n束光，将n束光作为测量光束等间隔排列在烟碳火焰的一侧，所述测量光束经过烟碳火焰后通过光纤束入射至光电探测器，获取测量信号Il；
步骤二、保持烟碳火焰的空燃比配比不变，利用红外光场相机捕获火焰辐射的光场图像信号，得到光场测量信号Ilf；
步骤三、根据吸收光谱理论，利用测量信号Il计算火焰在激光探测光谱下的光谱辐射物性参数分布k；
步骤四：利用光谱辐射物性参数k和光场测量信号Ilf，将光场测量过程中的欠定的病态反问题转化为超定反问题；对所述超定反问题求解，获取火焰的出射辐射强度In；
步骤五、根据光场相机结构参数与位置关系及所述火焰的出射辐射强度In，结合反问题算法，确定火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ；
步骤六、根据所述火焰的黑体光谱辐射强度Ibλ，利用普朗克定律计算火焰内部的温度Th，并根据Th得到烟碳颗粒火焰的温度场T；
步骤七、设定火焰的组分浓度场C和压力场P，结合所述火焰的温度场T，建立光谱理论中的辐射传输方程，采用反问题算法对所述辐射传输方程求解，获取激光探测的辐射强度估计值Il′；
步骤八、利用所述激光测量信号Il和激光探测辐射强度估计值Il′，构建火焰浓度场和压力场的目标函数方程，求火焰组分浓度和压力场的目标函数值，判断所述目标函数值是否满足阈值条件，若是，则将当前的烟碳火焰的组分浓度场C和压力场P作为最终探测结果，否则调整火焰的组分浓度场C和压力场P，重新求火焰组分浓度和压力场的目标函数值，直至所述目标函数值满足所述阈值条件。
进一步地，本发明中，步骤一中，频率光梳信号为：
fa＝afr1+fceo1
fb＝bfr2+fceo2
a、b分别为两频率梳的纵模序数，fceo1、fceo2分别为两频率梳载波偏移频率，和分别表示两个光学梳中第a和b个纵模初相位，fa和fb分别表示两个光学频率梳中第a和b个纵模的频率,A、B分别为满足滤波器通带范围纵模序数a、b的集合，Ea和Eb分别为两个光学梳中第a和b个纵模的电场强度,t为时间。
进一步地，本发明中，步骤一中，测量信号Il为：
其中，α(fa)和α(fb)是气体分子在光频fa和fb处的吸收率；
参考信号为：
其中，fr1为双光梳系统中一个频率梳的频率，且fr1<fr2，所述fr2为双光梳系统中另一个频率梳的频率。
进一步地，本发明中，步骤三中，根据吸收光谱理论，利用测量信号Il计算火焰在激光探测光谱下的光谱辐射物性参数分布k的方法为：
采用：
对火焰光谱物性场的求解，直到吸收系数的值使得||I1-ka I||取得最小值，确定吸收系数ka为光谱辐射物性参数分布k，其中，表示第n次迭代得到的吸收系数分布；μ(n)表示第n次迭代时的收敛因子；I表示投影系数矩阵。
进一步地，本发明中，步骤五中，火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ方法为：
沿不同探测线方向积分，得到以火焰黑体光谱辐射强度Ibλ为变量的线性方程组：
In＝AλIbλ
其中，Aλ表示根据探测器像素反向追踪得到的投影系数矩阵；采用线性反问题算法Landeweber对火焰黑体光谱辐射强度Ibλ进行求解：
式中，p≥2为给定的正整数，Sn为计算过程中第n步的过渡矩阵，S0为过渡矩阵初始值；E为单位矩阵；α代表松弛因子；AT为A的转置矩阵，A等于投影系数矩阵Aλ；An表示迭代第n步更新得到的系数矩阵；X表示待求解的未知量；
迭代M步后，达到最大迭代次数或者达到最小收敛精度时得：
XM即为火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ。
进一步地，本发明中，步骤六中，利用普朗克定律计算火焰内部的温度Th为：
式中，c1是普朗克定律第一辐射常数，其值为3.7418×10-16W·m2，c2是第二辐射常数，c2＝1.4388×10-2m·K，λ为辐射波长。
进一步地，本发明中，步骤七中，光谱理论中的辐射传输方程为：
其中，Pl和Cl表示l处的压力和组分浓度，l表示位置，I0表示入射的激光辐射强度，ν表示入射激光光谱的中心波数，Sν(·)表示线强函数，表示线型函数，Il'(ν)表示激光探测辐射强度的估计值，由于波长为固定值，因此，为关于变量P、C的方程
进一步地，本发明中，步骤八中，火焰浓度场和压力场的目标函数方程为：
其中，Fobj表示火焰压力组分浓度场目标函数。
参照图3进行说明，具体实施过程包括以下步骤：
步骤一：打开双光梳系统，经过分束器后变为9束具有相同强度的出射光。形成一个围绕火焰的激光阵列。同时，光电探测器与激光阵列对应放置，光电探测器会采集激光透过火焰的信号。这些信号被输出到数据采集处理系统进行记录和处理，最终得到激光测量信号Il。
通过双光梳系统产生连续的宽光谱，沿波分复用光纤照射入火焰中，激光在火焰中传输时其物理特性发生变化，物理特性的变化与介质的物性温度场存在着耦合关系，利用布置在火焰周围的光电探测器接受激光的出射信号，并将信号传输给数据采集处理系统，经处理后获得激光穿过火焰边界不同方向的出射光谱辐射强度。
选择锁定到高稳时钟信号源的两个光频梳，其中重复频率分别为fr1和fr2，且fr1<fr2。通过精确的频率测量和调节，可以确保两个光频梳具有所需的频率特性。此时，重频差frep＝fr2-fr1。接着，使用激光分束器将激光光束分成9束，确保每束光的强度一致。9束出射光通过燃烧器的火焰后，采用空间滤波器进行滤波，以避免光谱混叠。通过光谱选择特定的频率分量，滤波后的光谱入射到相应的9个光电探测器中，分别得到包含吸收谱信息的干涉信号S1，S2...S9，其重复频率为frep。为了满足奈奎斯特采样定理的要求，我们在气体池后应用光学带通滤波器来优化光谱范围，以避免混叠效应。在光电探测器后使用平衡探测器，以消除噪声和非线性效应的影响。然后，为了避免电学信号混叠，使用一个低通电子滤波器对探测器信号进行滤波。随后，通过数据采集卡对记录的原始数据流进行采集干涉信号S1，S2，S3...S9，信号采样率为fr1或者fr2。最后，对记录的原始数据流进行直接傅里叶变换，以获取具有多普勒频移的双光梳分子光谱。这一步骤可以得到高分辨率的频率测量结果，用于后续的温度和浓度等参数分析。
探测器单激光二极管探测的单激光发射激光信号，分析其探测到的各纵模间的干涉信号，进而提取出吸收谱的信息。
两光学频率梳的频率fa、fb可表示为
fa＝afr1+fceo1
fb＝bfr2+fceo2
a、b分别为两频率梳的纵模序数，fceo1、fceo2分别为两频率梳载波偏移频率
光学频率梳的总光波电场是可以表示为：
其中，Ea、fa、和Eb、fb、/>是第一二光学频率梳中第a和b个纵模的电场强度、频率、初相位，t为时间，A、B分别为满足滤波器通带范围纵模序数a、b的集合。
光梳经过气体后的干涉信号包含吸收光谱的信息，可表示为：
其中，α(fa)和α(fb)是气体分子在光频fa和fb处的吸收率；
参考信号为：
包含吸收谱信息的干涉信号和不包含吸收谱信息的干涉信号进行傅里叶变换分别得到其频谱的幅值谱信号Im(f)、Iref(f)，f为射频范围内的频率，小于fr1/2，其离散化后频率间隔为frep，
其中，δ为冲激函数；
步骤二：关闭两台光梳光源，保持火焰的空燃比配比不变，使用红外光场相机来捕获火焰辐射的光场图像信号，得到光场测量信号Ilf,并将这个信号传输到一个数据采集处理系统中。
步骤三：在数据采集处理系统中对步骤一中获得的测量信号Il进行分析处理，根据吸收光谱理论，基于测量信号Il带入迭代算法中，可迭代计算得到火焰对应激光探测光谱下的光谱辐射物性参数分布k；
步骤三的具体步骤包括以下过程：
采用Beer-Lambert定律：
其中，It表示透射的激光辐射强度，就是光电探测器测得的测量值，激光测量信号Il为矢量形式的光电探测器测得的测量值；l表示位置；I0表示入射的激光辐射强度；kα表示介质的吸收系数；ν表示入射激光光谱的中心波数；
采用基于迭代类的算法实现对火焰光谱物性场的求解：
其中表示第n次迭代得到的吸收系数分布；μ(n)表示第n次迭代时的收敛因子；I表示投影系数矩阵；
对于吸收系数分布ka，先假定一个初始吸收系数分布ka，利用上述迭代类的算法循环迭代求解，直到吸收系数的值使得||I1-ka I||取得最小值；
在光路布置时，为使投影系数矩阵的条件数尽可能小，以降低问题的病态性，这里的光路采用固定10束激光入射的布置方式，如图1所示。
最终确定的吸收系数ka即为待求解的火焰的物性参数，即光谱辐射物性参数分布k。
步骤四：通过使用步骤三中获得的光谱辐射物性参数k作为已知条件，并结合步骤二中获得的光场测量信号Ilf，我们可以将原本欠定的病态反问题转化为更易于求解的超定反问题。随后，利用数据采集处理系统对光场测量信号Ilf进行进一步的分析和处理，最终得到火焰的出射辐射强度In。
Ilf和In是相互对应的，我们通过测量得到的光场测量信号Ilf，即火焰的灰度图像分布，并经过数据采集处理系统的标定处理后，得到了火焰的出射辐射强度In。
步骤五：根据步骤三得到的火焰光谱辐射物性参数k和步骤四获得的出射辐射强度In，结合反问题算法，可以确定火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ。在确定光场相机结构参数与位置关系后，可以通过传感器像素反向追踪来确定投影系数矩阵Aλ。然后，采用线性反问题方法求解，从而获得火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ。
对于火焰来说，其内部颗粒对辐射的散射作用远小于其吸收作用，特别是一些气体燃料火焰比如乙烯扩散火焰，因此仅需要考虑火焰对辐射的吸收发射作用，火焰可作为纯吸收介质来处理，对于任意一个方向上的辐射传输方程如下：
式中s表示位置，s表示方向，Iλ表示波长λ下的光谱辐射强度，Ibλ表示波长λ下的黑体辐射强度。
将任意一个方向上的辐射传输方程沿探测线方向积分，即可得到相机单个像素探测接受到的辐射强度In，沿不同探测方向积分后，即可得到由光场相机探测到的出射光谱辐射强度分布In(矢量形式)；
所以在步骤五中，对上述的纯吸收火焰微分形式的辐射传输方程进行离散化处理后，沿不同探测线方向积分，可得到以火焰黑体光谱辐射强度Ibλ为变量的线性方程组，如下：
In＝AλIbλ
其中Aλ表示根据探测器像素反向追踪得到的投影系数矩阵；
采用线性反问题算法Landeweber对火焰黑体光谱辐射强度Ibλ进行求解，Landweber算法如下：
式中，p≥2为给定的正整数，Sn为计算过程中第n步的过渡矩阵，S0为过渡矩阵初始值；E为单位矩阵；α代表松弛因子；AT为A的转置矩阵，A就等于上述的投影系数矩阵Aλ；An表示迭代第n步更新得到的系数矩阵；X表示待求解的未知量；b为已知的测量值，也就是步骤四中获得的In；
迭代k步后，达到最大迭代次数或者达到最小收敛精度时，可得：
Xk即为火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ。
步骤七：根据步骤六得到的火焰的温度场T，结合反问题算法，假设火焰的组分浓度场为C，压力场为P，将假设的火焰组分浓度场C和压力场P代入吸收光谱理论中的辐射传输方程，并计算得到激光探测的辐射强度估计值Il’。所述步骤七的具体过程包括以下步骤：
根据假设的火焰组分浓度C和压力场P，我们可以将它们带入吸收光谱理论中的辐射传输方程，从而计算得到激光探测辐射强度的估计值Il’(ν)。辐射传输方程的计算公式如下：
其中，l处的压力和组分浓度用Pl和Cl表示，入射的激光辐射强度用I0表示，入射激光光谱的中心波数用ν表示，线强函数用Sν(·)表示，线型函数用表示。
步骤八：使用步骤一获得的激光测量信号Il和步骤七获得的激光探测辐射强度估计值Il’，构建火焰浓度场和压力场的目标函数方程，并计算该浓度、压力场目标函数方程的值。然后将该值与给定的目标函数阈值进行比较，判断是否小于阈值。如果是，则可以确定步骤七中假设的火焰浓度场C和压力场P是火焰的真实物性分布。这样就完成了对高温火焰的温度、浓度和压力在三维空间中的联合检测。如果不满足条件，则返回步骤七。
火焰浓度场及压力场的目标函数方程如下：
其中，Fobj表示火焰压力组分浓度场目标函数。
本实施方式中，火焰为高温火焰，其温度范围在1000—3000K区间。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (10)
1.一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测系统，其特征在于，包括：双光梳系统(1)、光栅耦合器(2)、光纤分束器(3)、两个光纤束、光电探测器(4)、数据处理系统(5)和红外光场相机(6)；
双光梳系统(1)用于产生稳定的频率光梳信号，将所述频率光梳信号入射至光栅耦合器(2)；所述光栅耦合器(2)将频率光梳信号耦合至光纤中，光纤用于将频率光梳信号传输至光纤分束器(3)，所述光纤分束器(3)用于将频率光梳信号分为光强相同的n束光，将所述n束光作为测量光束沿不同的方向入射至烟碳火焰，所述测量光束经过烟碳火焰后再经n束接收光纤入射至光电探测器(4)的采集面；
所述光电探测器(4)将采集的光信号转换为测量电信号，并将该电信号传输至数据处理系统(5)；
红外光场相机(6)用于拍摄烟碳火焰，获取烟碳火焰的红外图像；将所述红外图像传输至数据处理系统(5)；
所述数据处理系统(5)利用烟碳火焰的红外图像获取光场测量信号，利用所述测量信号和光场测量电信号，采用反问题算法，获取烟碳颗粒火焰的温度场T，再利用所述温度场T，采用光谱理论中的辐射传输方程计算获取火焰的组分浓度场C和压力场P。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测系统，其特征在于，红外光场相机(6)拍摄烟碳火焰时，双光梳系统(1)关闭。
3.一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一、采用双光梳系统(1)产生稳定的频率光梳信号，将所述光梳信号先耦合至光纤中，再经光纤分束器将光纤中的光信号分为光强相同的n束光，将n束光作为测量光束等间隔排列在烟碳火焰的一侧，所述测量光束经过烟碳火焰后通过光纤束入射至光电探测器，获取测量信号Il；
步骤二、保持烟碳火焰的空燃比配比不变，利用红外光场相机捕获火焰辐射的光场图像信号，得到光场测量信号Ilf；
步骤三、根据吸收光谱理论，利用测量信号Il和参考信号计算火焰在激光探测光谱下的光谱辐射物性参数分布k；
步骤四：利用光谱辐射物性参数k和光场测量信号Ilf，将光场测量过程中的欠定的病态反问题转化为超定反问题；对所述超定反问题求解，获取火焰的出射辐射强度In；
步骤五、根据光场相机结构参数与位置关系及所述火焰的出射辐射强度In，结合反问题算法，确定火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ；
步骤六、根据所述火焰的黑体光谱辐射强度Ibλ，利用普朗克定律计算火焰内部的温度Th，并根据Th得到烟碳颗粒火焰的温度场T；
步骤七、设定火焰的组分浓度场C和压力场P，结合所述火焰的温度场T，建立光谱理论中的辐射传输方程，采用反问题算法对所述辐射传输方程求解，获取激光探测的辐射强度估计值Il′；
步骤八、利用所述激光测量信号Il和激光探测辐射强度估计值Il′，构建火焰浓度场和压力场的目标函数方程，求火焰组分浓度和压力场的目标函数值，判断所述目标函数值是否满足阈值条件，若是，则将当前的烟碳火焰的组分浓度场C和压力场P作为最终探测结果，否则调整火焰的组分浓度场C和压力场P，重新求火焰组分浓度和压力场的目标函数值，直至所述目标函数值满足所述阈值条件。
4.根据权利要求3所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，其特征在于，步骤一中，频率光梳信号为：
fa＝afr1+fceo1
fb＝bfr2+fceo2
a、b分别为两频率梳的纵模序数，fceo1、fceo2分别为两频率梳载波偏移频率，和/>分别表示两个光学梳中第a和b个纵模初相位，fa和fb分别表示两个光学频率梳中第a和b个纵模的频率,A、B分别为满足滤波器通带范围纵模序数a、b的集合，Ea和Eb分别为两个光学梳中第a和b个纵模的电场强度,t为时间。
5.根据权利要求3所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，其特征在于，步骤一中，
测量信号Il：
其中，α(fa)和α(fb)是气体分子在光频fa和fb处的吸收率；
参考信号为：
其中，fr1为双光梳系统中一个频率梳的频率，且fr1<fr2，所述fr2为双光梳系统中另一个频率梳的频率。
6.根据权利要求3所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，其特征在于，步骤三中，根据吸收光谱理论，利用测量信号Il和参考信号计算火焰在激光探测光谱下的光谱辐射物性参数分布k的方法为：
采用：
对火焰光谱物性场的求解，直到吸收系数的值使得||I1-kaI||取得最小值，确定吸收系数ka为光谱辐射物性参数分布k，其中表示第n次迭代得到的吸收系数分布；μ(n)表示第n次迭代时的收敛因子；I表示投影系数矩阵。
7.根据权利要求3所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，其特征在于，步骤五中，火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ方法为：
沿不同探测线方向积分，得到以火焰黑体光谱辐射强度Ibλ为变量的线性方程组：
In＝AλIbλ
其中，Aλ表示根据探测器像素反向追踪得到的投影系数矩阵；采用线性反问题算法Landeweber对火焰黑体光谱辐射强度Ibλ进行求解：
式中，p≥2为给定的正整数，Sn为计算过程中第n步的过渡矩阵，S0为过渡矩阵初始值；E为单位矩阵；α代表松弛因子；AT为A的转置矩阵，A等于投影系数矩阵Aλ；An表示迭代第n步更新得到的系数矩阵；X表示待求解的未知量；
迭代M步后，达到最大迭代次数或者达到最小收敛精度时得：
XM即为火焰自身的黑体光谱辐射强度Ibλ。
8.根据权利要求7所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，其特征在于，步骤六中，利用普朗克定律计算火焰内部的温度Th为：
式中，c1是普朗克定律第一辐射常数，其值为3.7418×10-16W·m2，c2是第二辐射常数，c2＝1.4388×10-2m·K，λ为辐射波长。
9.根据权利要求3所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，其特征在于，步骤七中，光谱理论中的辐射传输方程为：
其中，Pl和Cl表示l处的压力和组分浓度，l表示位置，I0表示入射的激光辐射强度，ν表示入射激光光谱的中心波数，Sν(·)表示线强函数，表示线型函数，Il'(ν)表示激光探测辐射强度的估计值。
10.根据权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的火焰多参数场探测方法，其特征在于，步骤八中，火焰浓度场和压力场的目标函数方程为：
其中，Fobj表示火焰压力组分浓度场目标函数。
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