一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法

本发明涉及一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法，属于燃气涡轮发动机燃烧室测温。

背景技术：

0、技术背景

1、在高温温度场的测量中，目前的接触式测温方法有热电偶、总温探针、热流传感器等，但随着燃烧室火焰温度升高此方法越来越难以满足耐热性的要求，同时接触式测温需要布置大量传感器元件，过程复杂，部分传感器会影响燃烧室内的流场，因此需要发展可靠有效的非接触式测温技术。

2、非接触式测温方法主要为光学测温法，包含激光光谱法、数字成像法、辐射光谱法和分子发射光谱法等。激光光谱法和数字成像处理法存在仪器复杂、对工作环境要求高等问题，不适合安装于航空发动机上；辐射光谱法通过测量被测对象本身热辐射能值来反映被测对象的温度，其测量精度受被测物体发射率精度影响，然而燃烧室火焰发射率受温度、燃气成分等因素的影响，精确确定火焰发射率较为困难。基于发射光谱的火焰温度探测技术通过在不同波长点同时测量辐射强度，再根据约束函数反演物体的真实温度，其动态响应好，对被测温度场的影响小，同时具有抗干扰和可靠性较高的优点。

3、公开号为cn113418613a的专利公开了一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法，此方法利用对应不同波长光谱的多个通道在不同温度段之间的比值反演温度，测温精度较高，但同时多个通道采集了不同波长的光谱信号，意味着消耗了较多的计算资源；公开号为cn111928950a的专利公开了一种紫外双波长辐射测温方法，在未知物体的光谱发射率的情况下，应用双波长辐射测温，所述双波长在200nm至400nm范围，逼近测量高温物体的表面真实温度，但是该方法并没有考虑到波长范围过宽易受到热辐射和黑体辐射的干扰，对于温度反演的灵敏度、精确度和线性度都存在很大的影响。

4、综上所述，羟基紫外光谱火焰温度探测器设计过程中的基于比值法的双波段选择问题的解决方法目前存在空缺，这就需要设计一种准确实用的波段优选方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于燃气涡轮发动机燃烧室非接触式测温的探测波段优选方法，以提高通过两波段光谱强度比反演火焰温度的灵敏度、精确度和线性度。

2、本发明所采用的技术方案是：一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法，解决通过比值法基于羟基紫外光谱探测火焰温度的双波段选择问题，该方法具体包括以下步骤：

3、步骤1：使用lifbase光谱分析软件对羟基发射光谱进行分析，计算燃烧室工作范围内火焰温度下的系列羟基发射光谱数据；

4、步骤2：定义波段优化目标为测温线性度、测温灵敏度和光谱强度的综合函数，对量化后的影响按因素设置相应系数，将多因素优化问题转换为单目标优化问题；

5、步骤3：基于步骤1的系列光谱数据计算优化目标函数，采用遗传算法进行单目标优化；

6、步骤4：对系数施加±5％的随机扰动，验证优化结果对于系数的敏感性，必要时返回步骤2修正系数，最终得到两个优化的探测波段。

7、所述步骤1中使用lifbase光谱分析软件对羟基发射光谱进行分析，其方法是使用lifbase分别计算多组温度下羟基在a2∑+→x2∏r跃迁时电子带系发射光谱的相对强度。

8、所述步骤2中将多因素优化问题转换为单目标优化问题，其特征为：通过比值法基于羟基紫外光谱探测火焰温度的双波段选择原则是：两个波段的光谱强度之比与温度的关系要尽可能线性、灵敏度尽量大、光谱强度尽量大，确定探测波段具体范围的影响因素是：1)两波段光谱强度之比与温度之间建立反演关系，它们之间需具有较好的线性关系，即两波段光谱强度之比与温度的关系用一次函数拟合的误差较小；2)两波段光谱强度之比对于温度变化有较高的灵敏度，即一次函数拟合关系式的斜率较大；3)所选取波段范围具有较高的光谱强度，确保传感器信号信噪比较高，将上述影响因素量化为：1)尽可能小的拟合误差(|err|)；2)尽可能大的斜率(|k|)；3)尽可能大的光谱强度总和(ea+eb)，其中，两波段光谱强度的计算表达式如下：

9、

10、

11、其中，i(λ，t)为光谱线强度，λca和λcb为两段光谱的中心波长，wa和wb为两段光谱的半峰带宽；

12、根据相关因素对优化目标的贡献特点确定综合目标函数表达式如下：

13、j＝(p1·(ea+eb)+p2·|k|-p3·|err|)·p4

14、其中，p1、p2、p3对应每一因素的系数，用于定义光谱强度总和(ea+eb)、斜率(|k|)、拟合误差(|err|)三个因素对目标函数的影响程度，p4为惩罚系数，设定光谱强度阈值eth和拟合误差阈值|errth|，为保证优化得到的结果中ea、eb均大于eth，|err|小于|errth|，p4取值为

15、

16、用于确保优化结果满足设定的阈值条件。

17、所述步骤3中使用遗传算法对步骤2得到的单目标优化问题进行求解，其方法是：1)对遗传算法所应用到的相应参数进行设置，如每一代种群的个体数量、最大遗传代数、交叉概率以及变异概率；2)利用步骤1中lifbase光谱分析软件确定一个初始光谱范围，并计算一定波段范围内的光谱强度，将其带入优化目标函数，进入步骤3)；3)进行遗传算法的交叉、变异优化，修正两个波段的光谱范围，进入步骤2)迭代计算，直至最终获得优化之后的两个波段。

18、所述步骤4中对系数施加±5％的随机扰动，验证优化结果对于系数的敏感性的方法是：将用于步骤3遗传算法迭代的综合目标函数的系数施加±5％的随机扰动，再次重复步骤3中遗传算法寻优过程，将两次优化结果进行对比，若误差小于2％，则认为系数设置比较合理，若误差大于2％，则重新选取系数，直至满足最终优化结果受系数变化不敏感的要求，从而验证系数设置的合理性和波段优化的有效性。

技术特征：

1.一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法，其特征在于：解决通过比值法基于羟基紫外光谱探测火焰温度的双波段选择问题，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法，其特征在于，所述步骤1，其方法是使用lifbase分别计算多组温度下羟基在a2∑+→x2∏r跃迁时电子带系发射光谱的相对强度。

3.根据权利要求1所述的一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法，其特征在于，所述步骤2，通过比值法基于羟基紫外光谱探测火焰温度的双波段选择原则是：两个波段的光谱强度之比与温度的关系要尽可能线性、灵敏度尽量大、光谱强度尽量大，确定探测波段具体范围的影响因素是：1)两波段光谱强度之比与温度之间建立反演关系，它们之间需具有较好的线性关系，即两波段光谱强度之比与温度的关系用一次函数拟合的误差较小；2)两波段光谱强度之比对于温度变化有较高的灵敏度，即一次函数拟合关系式的斜率较大；3)所选取波段范围具有较高的光谱强度，确保传感器信号信噪比较高，将上述影响因素量化为：1)尽可能小的拟合误差(|err|)；2)尽可能大的斜率(|k|)；3)尽可能大的光谱强度总和(ea+eb)，其中，两波段光谱强度的计算表达式如下：

4.根据权利要求1所述的一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法，其特征在于，所述步骤3，方法是：用遗传算法对步骤2得到的单目标优化问题进行求解：1)对遗传算法所应用到的相应参数进行设置，如每一代种群的个体数量、最大遗传代数、交叉概率以及变异概率；2)利用步骤1中lifbase光谱分析软件确定一个初始光谱范围，并计算一定波段范围内的光谱强度，将其代入优化目标函数，进入步骤3)；3)进行遗传算法的交叉、变异优化，修正两个波段的光谱范围，进入步骤2)迭代计算，直至最终获得优化之后的两个波段。

5.根据权利要求1所述的一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法，其特征在于，所述步骤4，方法是：将用于步骤3遗传算法迭代的综合目标函数的系数施加±5％的随机扰动，再次重复步骤3中遗传算法寻优过程，将两次优化结果进行对比，若误差小于2％，则认为系数设置比较合理，若误差大于2％，则重新选取系数，直至满足最终优化结果受系数变化不敏感的要求，从而验证系数设置的合理性和波段优化的有效性。

技术总结
本发明公开了一种面向火焰羟基紫外测温的波段优选方法，涉及发射光谱测温领域，解决羟基紫外光谱火焰温度探测器设计过程中的基于比值法的双波段选择问题。该方法包括如下步骤：1)利用LIFBASE光谱数据库获得不同温度下的羟基紫外光谱数据；2)波段优化过程中对测温线性度、灵敏度和光谱总强度这三个影响因素进行量化，对量化后的影响按因素设置相应系数，将多因素优化问题转换为单目标优化问题；3)采用遗传算法求解单目标优化问题；4)对系数施加小范围扰动，检验系数设置的合理性，最终得到两个优选的探测波段。本发明提供了一种羟基紫外测温波段优选方法，可提升火焰温度探测器的测温灵敏度、精确度和线性度。

技术研发人员：程涛,张天宏,钟翼
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14