基于双光梳-光学双共振光谱技术的温度层析系统和方法与流程

本发明属于精密光谱和高温层析领域，具体涉及一种基于双光梳-光学双共振光谱技术的温度层析系统和方法。

背景技术：

1、发生在复杂的高温流场中的燃烧反应是工业化社会获得能量的重要方式，供给了当今社会80%以上的生产活动。面对燃烧过程中存在的极端且剧烈的温度、压力和物质组分等参数的改变，科学家们致力于对高温流场进行诊断，试图探索燃烧反应的基础规律，为改良燃烧室结构和研发国产发动机等提供指导。传统的高温流场探测手段依赖于温度/压力/流速传感器的参数诊断和取样分析等侵入式技术，对燃烧体系有较大干扰，也难以满足极端高温的测量需求，如工作温度超过2000k的航空发动机等。激光诊断技术具有非侵入性、高灵敏度、高速和多参数测量等技术优势，成为高温流场诊断的主流手段，甚至被认为是推动燃烧机理研究发展的重要技术。基于吸收光谱的高温流场诊断技术利用朗伯-比尔定律测得路径上探针分子的吸收光谱，其谱线线强公式 s(t)可表示为：

2、；

3、其中， t0=296k； h为普朗克常数； c为光速； k为玻尔兹曼常数；为跃迁基态的能量； v0为吸收谱线的中心频率；q(t)为配分函数（直接吸收光谱时分复用技术双线测温.激光杂志,2015,36(08):58-62）。谱线线强公式 s(t)表明：跃迁线强不随跃迁线型、谱线宽度等谱线自身性质而变化，只受温度的影响。因此，对两条吸收谱线进行积分获得的积分面积 a1和 a2，其比值只与温度相关（ a1/ a2= s1(t)/ s2(t)），可用于测定气体温度。基于吸收光谱的激光诊断技术可直接用于反演获得燃烧场的温度、压力、流速和组分浓度等多维度信息，具有成本低廉、易小型化、响应速度快、抗干扰能力强等应用优势。

4、然而，吸收光谱技术测量的是激光路径上的积分信号，对路径上各个位置的参数解析需要使用阿贝尔逆变换算法反演重构。这一技术难以满足高空间分辨的燃烧诊断需求。为此，科学家们进一步发展了多束光路交叉测量的方式，通过断层扫描对横截面的浓度和温度分布进行测量（一种火焰温度场测量装置和方法.cn11125749a；基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法.cn112082672a），但无法解析纵截面的高温场分布。同时，这种方案多用于开放燃烧场测量，无法满足燃烧室或发动机内部的燃烧场诊断，且受限于激光器和探测器的数量，其空间分辨率较低。因此，燃烧诊断领域亟需寻找具有高空间分辨能力的高温流场诊断方案，满足工业和航空航天领域对高温流场的探测需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于双光梳-光学双共振光谱技术的温度层析系统和方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于双光梳-光学双共振光谱技术的温度层析系统，包括：双光梳光源模块、双共振层析测温模块和光谱探测及分析模块；

3、所述双光梳光源模块，用于输出重复频率差为的信号光梳光信号和本振光梳光信号；

4、所述双共振层析测温模块包括分束器、非线性频率变换器、时域延迟器和高温流场探测区；

5、所述分束器，用于将所述信号光梳光信号分为第一泵浦光梳光信号和第一探测光梳光信号；

6、所述非线性频率变换器，用于对所述第一泵浦光梳光信号进行非线性频率变换，输出第五泵浦光梳光信号，使第五泵浦光梳光信号和第一探测光梳光信号的频率满足双共振条件；

7、所述时域延迟器，用于对所述第五泵浦光梳光信号进行反射；

8、所述高温流场探测区，用于将所述第一探测光梳光信号进行透射，通过反射后的第五泵浦光梳光信号和透射后的第一探测光梳光信号加载燃烧产物激发的光学双共振跃迁光谱后，输出包含燃烧产物的双共振跃迁谱线信息的第三探测光梳光信号；

9、所述光谱探测及分析模块，用于对所述第三探测光梳光信号和本振光梳光信号进行合束，输出合束光信号，随后对合束光信号进行数字化得到数字信号，并对数字信号进行时域相干平均、快速傅里叶变换、光频域还原、谱线拟合与分析操作，得到高温燃烧场信息；并驱动时域延迟器的步进，完成层析扫描测量。

10、进一步地，所述双光梳光源模块由信号光梳光源、本振光梳光源和标准信号参考源组成；所述信号光梳光源用于输出信号光梳光信号；所述本振光梳光源用于输出本振光梳光信号；所述标准信号参考源用于将重复频率差设为。

11、进一步地，所述分束器由第一二分之一波片和偏振分束棱镜组成；所述第一二分之一波片用于改变所述信号光梳光信号的偏振态，所述偏振分束棱镜用于将改变偏振态后的信号光梳光信号分为第一泵浦光梳光信号和第一探测光梳光信号；通过旋转第一二分之一波片的角度以调节第一泵浦光梳光信号和第一探测光梳光信号的功率比；所述第一泵浦光梳光信号输入至非线性频率变换器；所述第一探测光梳光信号输入至高温流场探测区所述分束器由第一二分之一波片和偏振分束棱镜组成；所述第一二分之一波片用于改变所述信号光梳光信号的偏振态，所述偏振分束棱镜用于将改变偏振态后的信号光梳光信号分为第一泵浦光梳光信号和第一探测光梳光信号；通过旋转第一二分之一波片的角度以调节第一泵浦光梳光信号和第一探测光梳光信号的功率比；所述第一泵浦光梳光信号输入至非线性频率变换器；所述第一探测光梳光信号输入至高温流场探测区。

12、进一步地，所述非线性频率变换器由第二二分之一波片、第一平凸透镜、非线性晶体和第二平凸透镜组成；所述第二二分之一波片用于调整第一泵浦光梳光信号的偏振态以满足非线性晶体的相位匹配条件，输出第二泵浦光梳光信号；所述第一平凸透镜用于对第二泵浦光梳光信号进行聚焦，输出第三泵浦光梳光信号；所述非线性晶体用于对第三泵浦光梳光信号进行非线性频率变换，输出第四泵浦光梳光信号；所述第二平凸透镜用于对第四泵浦光梳光信号进行准直，输出第五泵浦光梳光信号并输入至时域延迟器。

13、进一步地，所述时域延迟器由机械位移平台、以及固定在机械位移平台上的回返镜和第一反射镜组成；所述回返镜用于对输入的第五泵浦光梳光信号进行延时反射并输入至第一反射镜；所述第一反射镜用于对第五泵浦光梳光信号进行反射并输入至高温流场探测区；所述机械位移平台用于调整第五泵浦光梳光信号的时间延迟。

14、进一步地，所述高温流场探测区由滤波片、第二反射镜、二向色镜及高温燃烧区组成；所述滤波片对输入的第一探测光梳光信号进行透射，输出第二探测光梳光信号；所述第二反射镜用于对第二探测光梳光信号进行反射并输入至高温燃烧区；输入的第五泵浦光梳光信号经二向色镜进行反射并输入至高温燃烧区；反射的第五泵浦光梳光信号和反射的第二探测光梳光信号在高温燃烧区重合时，加载高温燃烧区内的燃烧产物激发的光学双共振跃迁光谱后，输出第三探测光梳光信号以及残余的第五泵浦光梳光信号；所述第三探测光梳光信号经二向色镜透射后输入至光谱探测及分析模块；所述残余的第五泵浦光梳光信号输入至第二反射镜，经第二反射镜反射后由滤波片过滤，防止残余的第五泵浦光梳光信号干扰光路。

15、进一步地，所述光谱探测及分析模块由光电探测及数据采集装置和数据处理及分析装置组成；

16、所述光电探测及数据采集装置由第三反射镜、合束片和光电探测器组成；所述第三反射镜用于对输入的第三探测光梳光信号进行反射；所述合束片用于对反射的第三探测光梳光信号和所述本振光梳光信号进行合束，输出合束光信号并输入至光电探测器；所述光电探测器用于接收合束光信号并生成双光梳干涉信号并输入至数据处理及分析装置；

17、所述数据处理及分析装置由数据采集卡和电子计算机组成；所述数据采集卡对输入的双光梳干涉信号进行数字化，得到数字信号并传输至电子计算机；所述电子计算机用于对数字信号进行时域相干平均、快速傅里叶变换、光频域还原、谱线拟合与分析操作得到高温燃烧场信息，并用于控制机械位移平台以调整机械位移平台的步进固定长度用于改变第五泵浦光梳光信号的时间延迟，使双共振点遍历高温流场，完成高温流场层析。

18、本发明还提供了一种基于双光梳-光学双共振光谱技术的温度层析方法，包括以下步骤：

19、（1）双光梳光源模块输出重复频率差为的信号光梳光信号和本振光梳光信号，所述信号光梳光信号传输至述双共振层析测温模块，所述本振光梳光信号传输至光谱探测及分析模块；

20、（2）所述双共振层析测温模块包括分束器、非线性频率变换器、时域延迟器和高温流场探测区；

21、分束器将所述信号光梳光信号分为第一泵浦光梳光信号和第一探测光梳光信号，所述第一泵浦光梳光信号传输至非线性频率变换器，所述第一探测光梳光信号传输至高温流场探测区；

22、非线性频率变换器对所述第一泵浦光梳光信号进行非线性频率变换，输出第五泵浦光梳光信号，使第五泵浦光梳光信号和第一探测光梳光信号的频率满足双共振条件；

23、时域延迟器对所述第五泵浦光梳光信号进行反射；

24、高温流场探测区将所述第一探测光梳光信号进行透射，通过反射后的第五泵浦光梳光信号和透射后的第一探测光梳光信号加载燃烧产物激发的光学双共振跃迁光谱后，输出包含燃烧产物的双共振跃迁谱线信息的第三探测光梳光信号，传输至光谱探测及分析模块；

25、（3）光谱探测及分析模块对所述第三探测光梳光信号和本振光梳光信号进行合束，输出合束光信号，随后对合束光信号进行数字化得到数字信号，并对数字信号进行时域相干平均、快速傅里叶变换、光频域还原、谱线拟合与分析操作，得到高温燃烧场信息；并驱动时域延迟器的步进，完成层析扫描测量。

26、本发明还提供了一种基于双光梳-光学双共振光谱技术的温度层析装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述基于双光梳-光学双共振光谱技术的温度层析方法。

27、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述基于双光梳-光学双共振光谱技术的温度层析方法。

28、本发明的有益效果是：

29、（1）本发明提出的双光梳-光学双共振光谱探测系统可解决传统激光测温技术难以避免的光路积分问题，本发明只探测光学路径中双共振点位的光谱信息，可通过调整时间延迟，实现对整个纵向空间光路的高温流场分布层析；

30、（2）本发明使用的超短脉冲光梳光源系统，其脉冲时域宽度为数百甚至数十飞秒，空间持续长度为微米量级，可以实现微米量级高空间分辨率的高温场层析测量；

31、（3）本发明使用的双光梳光源具有高频率精度和宽带光谱特性，直接输出光谱可覆盖整支振动跃迁谱带，无需任何额外锁定即可激发稳定的光学双共振跃迁，可满足对复杂燃烧场的连续测量和长时监控的需求。