基于多波长激光吸收光谱技术的气体温度二维重建

激光吸收光谱技术在航空航天领域具有广泛的应用前景。文章利用多波长激光吸收光谱技术设计了气体温度二维重建系统,实现了燃烧场气体温度的二维重建,通过增加吸收谱线信息减少了投影个数。重建算法采用了遗传模拟退火结合序列二次规划(SQP)的混合算法,在实现全局寻优的同时提高了运算效率。建立了产物包含水的燃烧模型,利用8条水的近红外吸收谱线,对燃烧场温度进行了二维重建。通过在测量信息中添加不同比例的随机噪声,验证了算法的稳定性,并与双波长吸收法进行了对比。数值仿真实验结果表明,在低噪声环境下,两种方法的重建结果相当;但对于噪声较大的环境而言,多波长吸收法的重建效果更为稳定。

用于激光吸收光谱二维重建的光谱优化选择方法研究

光谱组合对多光谱重建技术的重建结果有很大影响,不合理的光谱组合会降低光谱测量的有效性,加大重建误差。为了从海量的光谱数据库中选出适用于被测流场参数范围的最优光谱组合,提出了一种基于向量组线性相关性的光谱选择方法,采用数值仿真的方法开展研究,仿真结果验证了方法的可行性与可靠性。分析了测量信号无噪声和存在噪声时,光谱数量与重建结果的关系。研究发现最优光谱组合的线性相关指数小于0.01时,该组合存在光谱的冗余。保证测量有效性的同时光谱数量最少的光谱组合为线性相关指数不小于0.01的最优光谱组合。测量存在噪声时,光谱数量越多,噪声的抑制效果越好,重建结果精度更高。通过重复测量法可以有效降低噪声影响,用最少数量的光谱实现更多光谱的测量效果。

基于波长调制光谱的非均匀流场气体参数二维分布测量

基于波长调制光谱方法,研究了一种实现非均匀燃烧场气体参数二维分布测量的新方法。气体参数的二维分布是通过测量激光穿过非均匀流场区域的积分吸光度并结合重建算法进行反演实现。研究了基于波长调制光谱,通过拟合谐波信号实现积分吸光度测量的方法。利用所选的7185.60cm^(-1)和7454.45cm^(-1)两条H_2O谱线,通过建立离散模型和设计光线布局,基于波长调制光谱方法和代数迭代重建算法实现了非均匀流场区域内温度场和H_2O组分浓度场的二维分布测量。重建结果表明:基于波长调制光谱的二维重建方法具有较高的重建精度,与预测值相比,温度和H_2O组分浓度的重建误差分别小于1.69%和3.05%。

燃烧流场温度二维重建多吸收谱线重建方法

可调谐半导体激光层析技术可以实现对燃烧流场温度和组分浓度的二维分布测量。提出了一种基于多条吸收谱线组合的燃烧场温度二维重建方法,该方法利用每条吸收谱线对温度的敏感度不同,采取优化组合的方式得到每组吸收谱线对最佳的重建温度区域。文中使用四条H2O吸收谱线,模拟了温度在300～1 500 K范围时高斯分布和随机分布温度二维重建,比较了采用双线法和多条吸收谱线组合方法的温度重建结果。结果表明:采用吸收谱线组合方法和双线法的温度重建误差分别为0.039 6和0.095 2,吸收谱线组合方法可以有效提高重建结果质量。在实际工程应用中,当可以提前预估流场温度重建范围的情况,采用文中提出的多条吸收谱线组合方法可以二维重建结果质量。

基于波长调制光谱技术的气体温度和组分浓度场二维重建测量方法研究

提出了基于波长调制光谱(WMS)方法实现非均匀燃烧场气体温度和H_2O组分浓度场二维重建的测量方法。利用实验测得的2f/1f信号,通过数值仿真与迭代实现了激光穿过非均匀燃烧场后积分吸光度的测量,进而利用重建算法实现了燃烧场的二维分布测量。选用H_2O的两组谱线对针对单高斯分布和阶跃分布模型开展了数值仿真研究,并采用频分复用方法在平面燃烧火焰中开展了实验研究。结果表明:基于WMS方法的二维重建测量精度较高,在单高斯分布模型中,7185.60cm^(-1)和7454.45cm^(-1)谱线对的温度和H_2O浓度的重建误差分别小于2%和2.5%;在对温度敏感的区间内,所选谱线对的重建误差较小,在对温度不敏感的区间内,重建误差较大;火焰中心区域的重建结果与预测值一致,温度重建误差小于3.2%,在温度阶跃变化的边缘区域,重建效果较差,原因在于WMS方法和代数迭代算法对温度阶跃变化流场不敏感。