一种用于轴对称燃烧场监测的激光吸收光谱层析成像系统的制作方法

本发明涉及一种用于轴对称燃烧场监测的激光吸收光谱层析成像系统，应用于燃烧诊断技术领域。

(二)

背景技术：

轴对称燃烧场广泛存在于工业生产、科学研究等领域，对轴对称燃烧场温度、组分浓度进行精确测量对于优化燃烧器设计、提高燃烧效率、降低污染排放具有重要的意义。为此科研人员提出了一系列测量方法，主要分为接触式测量和非接触式测量两类：接触方法主要包括热电偶法、燃气分析法等，然而这类方法有实时性差、破坏流场等缺点；非接触方法以光学测量方法为主，主要包括自发拉曼散射法、相干反斯托克斯拉曼散射法、激光诱导荧光法、激光吸收光谱法等，然而，自发拉曼散射法光路设计困难、信号噪声较大；相干反斯托克斯拉曼散射法光路复杂，造价昂贵；激光诱导荧光法造价昂贵、难以获得定量结果；而激光吸收光谱法因为结构简单、环境适应性强、造价相对低廉、可靠性高，受到了广泛的关注。

然而激光吸收光谱法存在缺少空间分辨能力的缺点，对于单路激光吸收光谱技术，测量结果是路径温度和被测组分浓度的加权平均，不包含温度和组分浓度的空间分布信息，因此无法获得轴对称燃烧场的温度、组分浓度分布信息。为解决这一问题，科研人员提出了一系列方法：如2005年r.villarreal等发表于《应用光学》(appliedoptics)的44卷31期，第6786-6795页，题为《基于可调谐半导体激光器的频率分辨吸收层析成像》(frequency-resolvedabsorptiontomographywithtunablediodelasers)，将燃烧器放置于程控位移台上，通过移动被测对象实现扫描信息的获取，从而实现燃烧场重建；2010年f.wang等发表于《测量科学与技术》(measurementscienceandtechnology)的21卷4期，题目为《基于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度和温度分布二维层析成像》(two-dimensionaltomographyforgasconcentrationandtemperaturedistributionsbasedontunablediodelaserabsorptionspectroscopy)的文章中，将光源放置于旋转台上，利用镀金柱面反射镜使光线穿过被测场后折返一次，照射在放置于光源位置的探测器上，实现了扇形束扫描；2014年c.liu等发表于《ieee仪器与测量学报》(ieeetransactionsoninstrumentationandmeasurement)的63卷12期，第3067-3075页，题目为《通过结合扇形束tdlas和剥洋葱反卷积重建轴对称温度和气体浓度分布》(reconstructionofaxisymmetrictemperatureandgasconcentrationdistributionsbycombiningfan-beamtdlaswithonion-peelingdeconvolution)，利用透镜组将激光束展宽成扇形束，并利用探测器阵列接收；2014年c.liu等发表于《应用物理学b》(appliedphysicsb)的120卷3期，第407-416页，题目为《用于平焰燃烧炉火焰平坦性验证的双倍分辨率一维波长调制光谱层析成像》(resolution-doubledone-dimensionalwavelengthmodulationspectroscopytomographyforflameflatnessvalidationofaflat-flameburner)，利用多个准直镜形成平行束，结合探测器阵列实现单角度投影获取。然而上述方法都存在一些问题，如，将燃烧器放置于位移台上会影响火焰的稳定性；利用旋转台和反射镜使光学结构复杂、扫描速度较慢；探测器阵列由于探测器数量有限，因此空间分辨率不高。为此，考虑采用扫描振镜调制光线，利用光纤束收集光线，实现空间分辨。

扫描振镜是一种由伺服电机和光学反射镜组成的空间光调制系统，相比机械位移台，具有扫描速度快、扫描精度高、稳定性好等优势。光纤束，全名光纤传像束，在本发明中只利用其传输光强的特性，而并没有利用其传输图像的特性，故下文中均称其为光纤束。光纤束是一种无源器件，由多根光纤排列成束构成，如果有成像需求，则可以规定排列规则，其中的每个光纤都可以单独的传输信息，光纤之间不存在串扰。由于光纤尺寸处于微米级，光纤之间间隙极小，因此可以实现较高的空间分辨率。光纤束出口尺寸较大，因此采用一个积分球来接收光线之后，再利用光电探测器接收。

基于上述背景，本文发明一种用于轴对称燃烧场监测的激光吸收光谱层析成像系统。在单路激光吸收光谱测量装置的基础上，加入扫描振镜、光纤束、积分球等结构，实现了高精度扇形束扫描，进而实现对燃烧场温度、组分浓度的测量。

(三)

技术实现要素：

本发明提出一种用于轴对称燃烧场监测的激光吸收光谱层析成像系统，采用扫描振镜对激光光源实施空间调制，采用光纤束、积分球、光电探测器组成的结构对扫描激光进行收集，实现对被测燃烧场温度、浓度分布的测量。

所用元件包括：激光光源、扫描振镜、光纤束、积分球、光电探测器和数据采集模块等。

本发明采用的技术方案时：激光光源照射在扫描振镜上，经过扫描振镜反射后穿过被测燃烧场，照射到光纤束上，光纤束出口处放置一个积分球，积分球出口处放置光电探测器接收信号，光电探测器输出信号通过数据采集卡采集，通过调谐激光光源，使激光光源扫描一定的光谱范围，激光穿过被测燃烧场之后光谱发生吸收，通过计算可以得到吸收率投影值，利用阿贝尔逆变换处理吸收率投影值，得到被测燃烧场吸收率分布，通过解算吸收率获取被测燃烧场温度和浓度分布。

本发明的优点在于：1.本发明中只使用了一个光电探测器，从而解决了多个探测器响应特性不均一带来的误差，提高了测量的精度；2.采用光纤束、积分球和光电探测器用于探测激光信号，空间分辨率极高；3.采用扫描振镜实现对激光光源的空间调制，调制速度快，精度高。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

附图标示

101、被测燃烧场102、激光光源103、扫描振镜104、光纤束105、积分球106、光电探测器107、数据采集模块

(五)具体实施方式

在图1中，激光光源(102)和扫描振镜(103)放置在被测燃烧场(101)一端，光纤束(104)、积分球(105)和光电探测器(106)放置在另一端；光纤束(104)出口连接积分球(105)入口，积分球(105)出口处放置光电探测器(106)，光电探测器(106)输出信号通过数据采集模块(107)采集。

步骤1：激光光源照射在扫描振镜上，经过扫描振镜反射，激光穿过被测燃烧场，照射到光纤束上，通过偏转扫描振镜，将激光扫描到光纤束的各个空间位置上，形成一个扇形束；

步骤2：光纤束出口处放置一个积分球，激光进入积分球之后发生多次反射，均匀的散射在积分球内部，积分球出口处放置光电探测器接收信号，通过数据采集模块采集信号；

步骤3：激光光源通过调谐，扫描一定宽度的频带，激光穿过被测燃烧场之后光谱发生吸收，通过计算可得吸收率投影值；

步骤4：利用阿贝尔逆变换处理吸收率投影值，计算得到被测燃烧场每个位置的吸收率，即被测燃烧场吸收率分布；通过解算吸收率获取该位置的温度和浓度，进而得到测量区域燃烧场的温度和浓度分布。