一种同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种结合超光谱与波长调制来同时测量高温气体二维瞬态温度场和 浓度场的方法，属于激光吸收光谱领域。
【背景技术】
[0002] 在科学研究和工程应用中，气体在某些特定区域的温度、浓度参数是研究某些特 定设备的工作过程和性能参数、测量和控制物质状态与行为、提高能源利用率的重要物理 参数。实现对气体温度场、浓度场的实时有效监测对保证系统的正常运行、环保、节能和安 全都具有重要意义。
[0003] 目前，气体温度测量技术主要分为两大类:接触式测量和非接触式测量。虽然接触 式气体温度测量方法经过工程实践检验，在其适用范围内具有结果可信、成本低廉和使用 简单等优点，但由于接触式测量过程中物理探针会侵入待测区域，进而对被测对象的温度 产生影响，因此，测量结果一般需要谨慎校正;而且由于受到制作材料的限制，在高温、高压 等场合均无法使用，这限制了其适用范围；再者，由于接触式测量一般进行单点温度的测 量，缺乏足够的空间和时间分辨率，而众多瞬态温度场的描述需要多点非接触式测量技术， 比如电厂锅炉内部的温度场分布、发动机燃烧室内的温度场分布等，这些瞬态场的分布靠 接触式的单点测量是不可能完成的。相比之下，需要发展非接触式温度测量方法。非接触式 测量方法克服了接触式测量方法的缺陷，具有测量仪器无需侵入待测区域、温度不受外界 因素干扰等优点。
[0004] 激光吸收光谱技术是气体传感检测应用方面最为强大的工具之一，利用其高灵敏 度、高光谱分辨率、快速响应性以及非侵入性的特点，基于此项技术的气体检测系统在现场 测量应用方面具有显著的优势。基于直接吸收法的传统超光谱技术测量高温气体二维瞬态 温度场、浓度场的方法，使用积分吸收率计算值和测量值之间的相对误差作为目标函数进 行迭代寻优计算，只适用于气体浓度较大、吸收率较高、现场干扰较小、可以拟合基线的情 况，然而在许多环境恶劣的工业应用场合，如流化床中的颗粒物，气化炉中的煤粉颗粒和飞 灰，会发生光散射，导致非吸收性损耗较大并且时刻变化，同时由于存在谱线干扰，拟合基 线存在困难。以上因素均导致基于直接吸收法的传统超光谱技术难以应用。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种结合超光谱与波长调制来同时测量高温 气体二维瞬态温度场和浓度场的方法，该测量方法特别适用于在恶劣的工业现场实现高温 气体二维温度场和浓度场的监测。
[0006 ]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
[0007] -种同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法，包括如下操作步骤：
[0008] 步骤一，测量信号的采集：
[0009] 首先，待测二维区域的形状为LXD的矩形区域，根据待测二维区域的形状和大小， 同时结合温度、气体组分浓度的空间分辨率要求，对待测二维区域进行网格离散化，划分成 Μ X N的网格，每个网格分别对应一个温度和浓度待测值，总的待测值数目为2 X Μ X N;
[0010] 其次，根据上述待测值的数目，从HITRAN数据库中选择I条相应气体的特征吸收谱 线，其中I2「2xMxN/(M + N)l，并提取各谱线在参考温度下线强度S(T())、跃迀低态能级 Ε〃、分子配分函数Q(T)的系数[a，b，c，d]，第r条特征吸收谱线的中心波长记为其中，r取 值为1~I中的整数；
[0011] 然后，由主时钟控制函数发生器产生周期性的低频扫描信号，同时叠加周期性的 高频驱动信号，加载到由傅里叶域锁模激光器组成的激光器系统上，以调制激光器的输出 频率，激光器系统产生的激光束通过单模光纤传输，经复用器输出M+N个信道的激光束，其 中Μ条激光束实现对待测区域每行进行扫描，N条激光束对待测区域每列进行扫描；
[0012] 最后，使用激光穿过用氮气吹扫的待测区域，得到Μ个行背景光强，记为Io(i)，得 到N个列背景光强，记为Io(j)，然后将调制后的激光穿过待测高温区域，经气体吸收后的激 光由光电探测器检测到相应的Μ个行透射光强，记为I t(i)，N个列透射光强，记为It(j)，数据 采集卡对光电探测器输出信号进行采集，并将实验数据保存在计算机以便进行后期处理； 其中，i取值为1~Μ中的整数，j取值为1~N中的整数；
[0013]步骤二，测量信号处理，获取测量信号峰值：
[0014] 经过数字锁相、低通滤波过程处理测量的背景光强、透射光强，并对其进行扣除背 景的一次谐波归一化处理，提取测量谐波信号在第r条特征吸收谱线处的峰值，记为 Pl,r、 Pj.r；
[0015] 步骤三，仿真信号处理，获取仿真信号峰值：
[0016] 假设待测区域初始温度场、浓度场分布，计算得到仿真的透射光强，并对仿真透射 光强进行参数设置相同的数字锁相、低通滤波过程，得到仿真的扣除背景一次谐波归一化 二次谐波信号，提取仿真谐波信号在第r条特征吸收谱线处的峰值，记为Κμ、Κμ;
[0017] 步骤四，二维瞬态温度场、浓度场的求解：
[0018]使用测量信号峰值Pi,r、Pj,r与仿真信号峰值Ki,r、Kj,r之间的相对偏差作为目标函 数进行迭代寻优计算，迭代直至目标函数收敛为止，其目标函数如下：
[_] D(XT) = ±± ^K±± P2J'r) (1)；
[0020] 式中，Χ、Τ为迭代计算出的浓度场、温度场，D(X，T)为实际测量信号峰值Pi,r、 Pj,r与 仿真信号峰值Κμ、Κμ之间的偏差。
[0021] 其中，所述步骤二的具体处理步骤为：
[0022] 首先使用数字锁相技术处理背景光强Io(i)、Io(j)和实际测量的透射光强It(i)、 It(j)，分别得到信号第i行、第j列处η次谐波的X分量和y分量展开式，展开式如式(2)所示， 其中，η取值为1或2:
[0023] x°nf(i) = I0(i)-cos(n-2Kfj) y°nf(i) = I0(i)-sin(n-2Kfj)
[0024] (J) = h (J) _ cos [η _ 2π fj) y°nf(j) = I0(j)-sin(n-2Kfj) (2);
[0025] Xnf(i) = It(i) · cos(n · 2Jifmt) ynf(i) = It(i) · sin(n · 2Jifmt)
[0026] Xnf(j) = It(j) · cos(n · 2Jifmt) ynf(j) = It(j) · sin(n · 2Jifmt)
[0027] 其次，经低通滤波器提取各信号的谐波分量，如式(3)所示：
[0028] Xlf (/) = lowpass filter (/)^ Y^f (/) = lowpass filter (/)^
[0029] X°nf (j) - lowpass filter [x°nf [j]) Y^f {j) - lowpass filter [y°nf [j]) (3);
[0030] Xnf(i) = lowpass filter(xnf(i)) Ynf(i) = lowpass filter(ynf(i))
[0031] Xnf(j) = lowpass filter(xnf(j)) Ynf(j) = lowpass filter(ynf(j))
[0032] 得到的第i行、第j列处背景光强信号和透射光强信号的幅值表示为式(4):
[0033] /?；： (/) = ^/(^:: (/))：+(};；；(/))： K U) = ^{K (./)V+(^；； (./))'
[0034] ] (4)； _μ，Η(μο)、(λ(，))2
[嶋]^(./)=V(^ (./))^4^ (/))2
[0036] 最后，对得到的第i行和第j列谐波信号，分别进行扣除背景一次谐波归一化处理， 得到：
[0037] j]綱-陣]|+[网-阐]2 (5), U/(〇JJ r ? , iff(/)^ Γ? f 0038 Vi/(j)=|_U'(j)H^tJJ (6);
[0039] 记S2f/if (i)、S2f/if (j)在第r条特征吸收谱线处的信号分别为S2f/if (i，)、S2f