李寧 呂曉靜 翁春生

(南京理工大學(xué),瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210094)

(2017年8月26日收到;2017年12月12日收到修改稿)

1 引 言

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜是一種具有高靈敏度、高光譜分辨率、極快響應(yīng)速度、高可靠性和強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的非接觸式燃?xì)鉁y(cè)試技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)鉁囟?、組分濃度、速度等參數(shù)的同步在線測(cè)量,通過(guò)與CT技術(shù)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)燃?xì)舛鄥?shù)二維重建,在爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等新一代超音速發(fā)動(dòng)機(jī)研制與關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試中具有重要作用[1?5].

圖1 100和140 mA電流驅(qū)動(dòng)下不同波長(zhǎng)DFB激光器掃描范圍隨掃描頻率的變化Fig.1.Wavelength coverage of DFB laser driven by injected current at amplitude of 100 and 140 mA with different frequencies.

高壓環(huán)境下燃?xì)庠诰€測(cè)試是可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)研究的難點(diǎn)之一.可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜利用高頻鋸齒波電流驅(qū)動(dòng)窄線寬半導(dǎo)體激光器對(duì)特定吸收譜線在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描.目前商用分布反饋式激光器(DFB)單次波長(zhǎng)掃描范圍受限,在低頻(＜1 kHz)電流驅(qū)動(dòng)下波長(zhǎng)掃描范圍可達(dá)到2 cm?1以上,而在高頻條件下(＞50 kHz)單次波長(zhǎng)掃描范圍不足1 cm?1.圖1為實(shí)驗(yàn)獲得Nel公司可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器在不同頻率電流驅(qū)動(dòng)下的波長(zhǎng)掃描范圍.一方面,波長(zhǎng)掃描范圍減小將導(dǎo)致利用傳統(tǒng)非吸收區(qū)域擬合獲取初始激光強(qiáng)度的計(jì)算誤差迅速增加.另一方面,沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)等新型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)測(cè)試環(huán)境壓力高于1 atm,導(dǎo)致吸收譜線線寬迅速增加,有限激光器掃描波長(zhǎng)范圍內(nèi)難以找出非吸收區(qū)域,無(wú)法從透射激光強(qiáng)度信號(hào)中獲取初始激光強(qiáng)度.

部分學(xué)者采用直接吸收方法進(jìn)行高壓環(huán)境下的氣體測(cè)量研究,如Sander等[6]采用溫度驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)掃描方法,半導(dǎo)體激光器掃波長(zhǎng)描范圍達(dá)到20 cm?1,成功獲得1 MPa壓力下7143 cm?1波段H2O的氣體吸收譜線特征.Nagali等[7]利用電流驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)掃描方法對(duì)激波管內(nèi)1800 K溫度、6.5 MPa壓力環(huán)境下7117和7462 cm?1波段H2O的光譜吸收特性進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證高壓環(huán)境測(cè)量中光譜參數(shù)的精度.部分學(xué)者則采用波長(zhǎng)掃描范圍更寬(30 cm?1)的垂直腔發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSEL)獲取完整的吸收光譜信號(hào),如Wang等[8]采用VCSEL激光器對(duì)10 atm壓力下13140 cm?1波段O2的光譜特性進(jìn)行研究,分別通過(guò)直接吸收方法和波長(zhǎng)調(diào)制方法驗(yàn)證了VCSEL激光器適用于高壓氣體測(cè)量.近些年來(lái),部分學(xué)者對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)中一次諧波和二次諧波信號(hào)進(jìn)行深入研究,Li等[9]對(duì)高壓環(huán)境下激光器特性對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制測(cè)量的影響進(jìn)行分析,包括調(diào)制深度、激光器非線性特性等.采用基于一次諧波標(biāo)定的二次諧波測(cè)量方法,調(diào)制深度達(dá)到0.65 cm?1,實(shí)現(xiàn)了高壓環(huán)境下H2O的濃度測(cè)量.Liu等[10]利用相同方法,在調(diào)制深度0.8 cm?1條件下,對(duì)20 atm壓力環(huán)境下7185和7294 cm?1波段H2O的疊加光譜進(jìn)行了分析.Farooq等[11]采用相同方法,對(duì)3633和3645 cm?1波段CO2氣體在10 atm壓力環(huán)境下的溫度和濃度進(jìn)行測(cè)試研究,對(duì)30 atm壓力環(huán)境下的特征吸收譜線光譜參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[12].Rieker等[13,14]采用類似技術(shù)對(duì)10 atm壓力環(huán)境下5006 cm?1波段CO2特征譜線以及25 atm壓力、1050 K溫度環(huán)境下7203.9與7435.6 cm?1波段H2O的特征譜線進(jìn)行分析,并成功獲得氣體濃度與溫度測(cè)量結(jié)果.Goldenstein等[15]針對(duì)4025—4045 cm?1波段H2O氣體在50 atm壓力環(huán)境下的濃度和溫度進(jìn)行測(cè)量.國(guó)內(nèi)蔡廷棟等[16,17]也采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)對(duì)5 atm壓力和500 K溫度、10 atm壓力和1000 K溫度環(huán)境下5006 cm?1波段的CO2濃度進(jìn)行測(cè)量.基于一次諧波標(biāo)定的二次諧波測(cè)量方法需要激光器性能穩(wěn)定,同時(shí)需要在測(cè)量前完成大量激光器標(biāo)定工作.

另一方面,基于波分復(fù)用技術(shù)的激光吸收光譜測(cè)量應(yīng)用日益增多[18?20].波分復(fù)用技術(shù)將4個(gè)甚至更多波長(zhǎng)激光信號(hào)耦合入一根光纖內(nèi)[21?23],但后續(xù)分光和探測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜,尤其當(dāng)激光器波長(zhǎng)位置接近或激光器數(shù)量較多時(shí),為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量帶來(lái)不便.

本文提出一種基于光強(qiáng)與吸收率同步擬合的吸收光譜直接測(cè)量方法.該方法可以同時(shí)獲取可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)掃描過(guò)程中光強(qiáng)變化和吸收譜線的光譜吸收率信號(hào),適用于高壓,尤其是基線難以確定的工況環(huán)境.同時(shí),該方法無(wú)需分光裝置也可準(zhǔn)確計(jì)算波分復(fù)用系統(tǒng)中各個(gè)波長(zhǎng)的吸收光譜信號(hào),更加適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境,具有重要理論研究意義和工程應(yīng)用前景.

2 測(cè)量與直接吸收光譜多參數(shù)擬合方法

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器掃描一個(gè)或多個(gè)相鄰特征吸收譜線時(shí),激光強(qiáng)度變化根據(jù)Beer定律進(jìn)行描述:

其中It為穿越待測(cè)氣體介質(zhì)后透射激光強(qiáng)度,I0為無(wú)氣體吸收時(shí)初始激光強(qiáng)度;P為氣體介質(zhì)壓力;L為激光在氣體介質(zhì)中傳播光程;X為體積濃度;M為激光器掃描波長(zhǎng)范圍內(nèi)特征譜線數(shù)量;?m(ν)為第m條特征譜線線型函數(shù),在整個(gè)頻域范圍內(nèi)積分值為1;ν為波數(shù);Sm(T)為第m條特征譜線線強(qiáng)函數(shù);αm(ν)定義為第m條特征譜線光譜吸收率.

傳統(tǒng)直接吸收測(cè)量方法利用透射激光強(qiáng)度It非吸收區(qū)域擬合獲得初始激光強(qiáng)度I0,此方法要求激光器波長(zhǎng)掃描范圍遠(yuǎn)大于特征譜線線寬.例如常溫常壓下6332.7 cm?1位置的CO2特征吸收譜線全線寬為0.156 cm?1,電流驅(qū)動(dòng)激光器波長(zhǎng)掃描范圍應(yīng)大于1 cm?1才能獲得It非吸收區(qū)域信號(hào),從而進(jìn)行擬合計(jì)算,如圖2所示.

圖2 掃描6332.7 cm?1處CO2特征譜線透射激光強(qiáng)度與擬合初始激光強(qiáng)度(T=296 K,P =1 atm,L=100 cm,X=0.1)Fig.2.Transmitted laser intensity across the absorption feature of CO2at 6332.7 cm?1and fitted incident laser intensity(T=296 K,P=1 atm,L=100 cm,X=0.1).

本文不再采用上述傳統(tǒng)方法計(jì)算吸收光譜,而將初始激光強(qiáng)度和吸收率同時(shí)作為未知量進(jìn)行擬合求解.傳統(tǒng)DFB激光器初始激光強(qiáng)度和波長(zhǎng)變化與輸入驅(qū)動(dòng)電流近似呈線性關(guān)系,但在高頻電流驅(qū)動(dòng)下非線性特性逐漸顯現(xiàn),可采用二次關(guān)系式進(jìn)行描述:

其中a2,a1和a0分別為初始激光強(qiáng)度隨掃描波長(zhǎng)變化非線性系數(shù)、線性系數(shù)和常數(shù).因此,光強(qiáng)與吸收率非線性同步擬合目標(biāo)函數(shù)F可以表示為

λ(v)為擬合計(jì)算中不同透射激光強(qiáng)度的區(qū)域權(quán)重函數(shù),用于加權(quán)透射激光強(qiáng)度在擬合中所占比重,抑制激光強(qiáng)度較小時(shí)測(cè)量信噪比降低所導(dǎo)致的擬合誤差增大.本文中權(quán)重函數(shù)λ(v)采用與激光強(qiáng)度變化一致的線性表達(dá)式

其中v1,v2分別為電流驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)掃描過(guò)程中波長(zhǎng)變化的上下限.擬合過(guò)程主要變量除了表述激光強(qiáng)度變化的a2,a1和a0外,還包括描述特征譜線吸收信息的譜線中心波長(zhǎng)、線寬以及光譜吸收率.計(jì)算可采用多種非線性擬合算法,如Levenberg-Marquardt算法、遺傳算法、退火算法等,在此不再贅述.本文中以Levenberg-Marquardt算法[24,25]為例進(jìn)行分析計(jì)算.

利用激光吸收光譜技術(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量或多種氣體測(cè)量,需同步掃描多條氣體特征譜線.由于單一激光器波長(zhǎng)掃描范圍受限,且適合的特征譜線所在波長(zhǎng)位置可能較為分散,因此需采用波分復(fù)用技術(shù)將多個(gè)波段激光信號(hào)耦合入一根光纖內(nèi),穿越待測(cè)氣體后通過(guò)光柵或其他設(shè)備將不同波段的激光信號(hào)分開(kāi)并獨(dú)立計(jì)算.本文提出的擬合方法無(wú)需分光設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波段激光信號(hào)的分析.根據(jù)(3)式,不同波段激光器掃描多條氣體特征譜線時(shí)光強(qiáng)與吸收率非線性同步擬合目標(biāo)函數(shù)F可表示為

其中N為測(cè)量中所用激光器的數(shù)量.(5)式表明對(duì)合波后透射激光強(qiáng)度進(jìn)行擬合,可實(shí)現(xiàn)不同波段激光吸收光譜信號(hào)的分析計(jì)算.需要注意的是,利用擬合方法進(jìn)行計(jì)算需滿足以下條件:1)不同波段激光器輸出激光強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的非線性系數(shù)或線性系數(shù)需有所差異,以減小擬合過(guò)程中不同波段透射激光強(qiáng)度方程之間的相關(guān)性,現(xiàn)實(shí)中激光器在電流驅(qū)動(dòng)下輸出特性、光纖耦合效率等均存在明顯差異,滿足擬合方法應(yīng)用于波分復(fù)用吸收光譜計(jì)算要求;2)耦合后各個(gè)波段透射激光強(qiáng)度信號(hào)需提供較多的吸收光譜信息,合波時(shí)通過(guò)溫度調(diào)節(jié)方式將各個(gè)特征吸收譜線中心進(jìn)行調(diào)諧,減少由于吸收信號(hào)疊加所導(dǎo)致的吸收光譜信息缺失,有利于準(zhǔn)確擬合計(jì)算不同波段初始激光強(qiáng)度及光譜吸收率結(jié)果.

實(shí)際測(cè)量中通過(guò)溫度調(diào)諧方式調(diào)整各個(gè)激光器的波長(zhǎng)位置,減少合波后特征吸收譜線間的相互影響,利用光路設(shè)計(jì)或電流掃描波形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同波段激光強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的線性或非線性差異.測(cè)量得到合波后的透射激光強(qiáng)度信號(hào),由HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境確定譜線中心波長(zhǎng)、線寬、光譜吸收率和描述激光強(qiáng)度變化參數(shù)等初始條件,代入(5)式中進(jìn)行擬合求解,最終獲取完整的吸收光譜信息.

3 仿真分析

為體現(xiàn)該方法在激光吸收光譜測(cè)量方面優(yōu)勢(shì),利用仿真分別對(duì)高壓多譜線疊加和多波長(zhǎng)波分復(fù)用條件下的光譜分析計(jì)算能力進(jìn)行驗(yàn)證.

圖3為5 atm壓力條件下6330—6337 cm?1范圍內(nèi)的CO2特征譜線透射激光強(qiáng)度模擬和擬合計(jì)算結(jié)果.在壓力作用下四條特征譜線明顯加寬,譜線間疊加嚴(yán)重,無(wú)法確定透射激光強(qiáng)度中的非吸收區(qū)域,同時(shí)激光強(qiáng)度變化非線性明顯.利用(3)式對(duì)透射激光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行擬合,計(jì)算得到初始激光強(qiáng)度的非線性系數(shù)、線性系數(shù)和常數(shù)分別為?0.02,0.3與8.9,準(zhǔn)確獲得了初始激光強(qiáng)度.同步擬合計(jì)算光譜吸收率,計(jì)算誤差0.54%.

圖3 5 atm壓力條件下掃描6330—6337 cm?1波段的CO2特征譜線模擬與擬合結(jié)果(T=296 K,P=5 atm,L=100 cm,X=0.1)(a)模擬透射激光強(qiáng)度與擬合初始激光強(qiáng)度;(b)CO2光譜吸收率計(jì)算結(jié)果Fig.3.Simulated transmitted laser intensity across the absorption features of CO2from 6330 cm?1to 6337 cm?1and fitting results(T=296 K,P=5 atm,L=100 cm,X=0.1):(a)Simulated transmitted laser intensity and fitted incident laser intensity;(b)calculated CO2absorbance.

圖4為利用7185和7444 cm?1波段激光器進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)采集得到的合波后透射激光強(qiáng)度信號(hào)的模擬結(jié)果,兩個(gè)波段激光強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的非線性差異明顯.利用(5)式對(duì)合波后的透射激光強(qiáng)度進(jìn)行擬合,可獲得每個(gè)激光器的透射激光強(qiáng)度、初始激光強(qiáng)度以及光譜吸收率信息,無(wú)需任何分光設(shè)備,適用于激光器波長(zhǎng)接近和分光難度較大的測(cè)試環(huán)境,符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求.

圖4 7185 cm?1和7444 cm?1波段合波后透射激光強(qiáng)度模擬圖與非線性擬合結(jié)果(T=1227 K,P=1 atm,L=20 cm,X=0.1)Fig.4.Simulated multiplexed transmitted laser intensities across the absorption features of H2O at 7185 cm?1,7444 cm?1and non-linear fitting results(T=1227 K,P=1 atm,L=20 cm,X=0.1).

模擬研究不同波段激光器能量輸出特性的比值R(a2,7185/a2,7444,a1,7185/a1,7444)對(duì)合波后透射光譜吸收率擬合計(jì)算的影響,如圖5(a)所示.當(dāng)兩個(gè)波段激光器非線性系數(shù)或線性系數(shù)接近時(shí),擬合計(jì)算光譜吸收率誤差e同步增大.相對(duì)而言,擬合誤差對(duì)于激光器非線性系數(shù)比值更為敏感.此外,兩個(gè)波段激光器線性系數(shù)比值在較大范圍內(nèi)變化(0.05—0.67)都可獲得較好的擬合計(jì)算結(jié)果,有利于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,同時(shí)也表明線性系數(shù)比值在擬合過(guò)程中對(duì)于抑制誤差至關(guān)重要.

圖5(b)為改變特征譜線在合波后透射激光信號(hào)中的相對(duì)位置Δv(對(duì)激光器工作溫度進(jìn)行調(diào)節(jié))對(duì)光譜吸收率擬合誤差e的影響.當(dāng)兩條特征譜線相對(duì)位置小于譜線全線寬(仿真中特征吸收譜線全線寬約為0.1 cm?1)時(shí),特征吸收譜線間相互干擾將導(dǎo)致兩個(gè)波段內(nèi)光譜吸收信息迅速減少,擬合計(jì)算誤差迅速增大.相對(duì)位置Δv大于全線寬時(shí),位置變化對(duì)于計(jì)算結(jié)果基本無(wú)影響.

需要說(shuō)明的是,該方法不但適用于直接吸收光譜技術(shù),也適用于波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù).根據(jù)波長(zhǎng)調(diào)制理論模型以及調(diào)制參數(shù),同樣可以對(duì)相互疊加或利用波分復(fù)用技術(shù)合波后的二次諧波信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算,在此不再贅述.

圖5 激光器輸出特性及特征譜線位置對(duì)合波后光譜吸收率擬合誤差的影響 (a)激光器輸出非線性及線性系數(shù)比值對(duì)光譜吸收率擬合誤差的影響;(b)特征譜線相對(duì)位置對(duì)光譜吸收率擬合誤差的影響Fig.5.Effects of laser output characteristic and transitions locations in transmitted signal on absorbance fitting errors:(a)Effect of non-linear and linear coefficients ratio on absorbance fitting errors;(b)effect of relative transitions spacing on absorbance fitting errors.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方法在高壓環(huán)境以及高速爆轟燃?xì)鉁y(cè)量環(huán)境中的分析計(jì)算能力,分別搭建靜態(tài)高壓氣體吸收光譜測(cè)試系統(tǒng)和氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁y(cè)試系統(tǒng).

靜態(tài)高壓氣體吸收光譜測(cè)試系統(tǒng)中,高壓CO2氣體靜置于光程53 cm高壓氣體吸收池內(nèi),吸收池兩端為楔形鋁硅玻璃窗口,由壓力表監(jiān)測(cè)內(nèi)部氣體壓力.測(cè)量采用Nanoplus公司14針蝶形封裝DFB激光器,中心波數(shù)6333.5 cm?1.通過(guò)分光鏡將測(cè)量光束分為兩路,一路通過(guò)氣體吸收池后由光電探測(cè)器獲取透射激光強(qiáng)度,另一路由標(biāo)準(zhǔn)具獲取波長(zhǎng)變化情況.測(cè)量信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄,采樣率2 M sample/s,如圖6所示.

圖6 高壓環(huán)境CO2氣體測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)量結(jié)果 (a)靜態(tài)高壓氣體吸收光譜測(cè)試系統(tǒng)圖;(b)不同壓力下透射激光強(qiáng)度Fig.6.Tunable diode laser sensing for CO2in high pressure and results:(a)Tunable diode laser absorption spectroscopy system for static gas in high pressure;(b)transmitted laser intensities in various pressure.

采用本文擬合方法對(duì)不同壓力環(huán)境下的透射激光信號(hào)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7所示.可以看出,2 atm壓力條件下CO2特征譜線間相互獨(dú)立,但5 atm壓力以上譜線間相互疊加干擾嚴(yán)重,已經(jīng)無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)方法計(jì)算基線.利用本文方法擬合計(jì)算初始激光強(qiáng)度非線性系數(shù)為1.4×10?4,表明低頻掃描條件下激光強(qiáng)度隨鋸齒波驅(qū)動(dòng)電流基本呈線性變化.在10 atm范圍內(nèi)利用擬合方法計(jì)算光譜吸收率平均誤差為3.2%.

氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁y(cè)試系統(tǒng)如圖8所示.實(shí)驗(yàn)對(duì)象為無(wú)閥式氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)總長(zhǎng)190 cm,口徑80 mm.發(fā)動(dòng)機(jī)采用高能脈沖等離子體點(diǎn)火方式,通過(guò)改變點(diǎn)火頻率控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率.調(diào)整氣源供氣流量改變爆轟管內(nèi)氧化劑進(jìn)氣速度,滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率變化要求.測(cè)量中采用兩個(gè)Nel公司14針蝶形封裝DFB激光器,中心波數(shù)為7185.6和7444.35 cm?1,分別對(duì)應(yīng)該波段內(nèi)H2O特征吸收譜線.鋸齒波驅(qū)動(dòng)電流掃描頻率20 kHz,對(duì)應(yīng)測(cè)量時(shí)間分辨率50μs.利用溫度調(diào)節(jié)將兩個(gè)波段的H2O特征譜線在合波后透射激光信號(hào)中的相對(duì)位置調(diào)整至60個(gè)采樣點(diǎn)(根據(jù)激光器特性不同,換算至兩個(gè)激光器波段后相對(duì)位置分別約為0.7 cm?1和0.9 cm?1),有利于后續(xù)擬合計(jì)算.兩個(gè)波段激光經(jīng)過(guò)合波后通過(guò)光纖由測(cè)試間傳輸至發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試段,經(jīng)準(zhǔn)直后穿過(guò)爆轟管測(cè)試區(qū),再由光纖準(zhǔn)直鏡耦合入400μm芯徑多模光纖并傳輸至測(cè)試間,由光電探測(cè)器接收合波后的透射激光信號(hào),通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄,測(cè)量系統(tǒng)采樣率10 M sample/s.測(cè)試段窗口前設(shè)計(jì)N2吹掃裝置,防止窗口污染并實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口的冷卻保護(hù).測(cè)試段安裝有PCB動(dòng)態(tài)壓力傳感器,以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的壓力變化.

圖7 擬合得到的1—10 atm壓力條件下CO2光譜吸收率圖Fig.7.CO2absorption spectrum from 1 atm to 10 atm calculated by non-linear fitting method.

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率10 Hz、填充率100%條件下測(cè)量得到爆轟波過(guò)后7.45 ms時(shí)刻的透射激光強(qiáng)度如圖9所示.對(duì)透射激光強(qiáng)度進(jìn)行擬合分析,分別獲得兩個(gè)波段內(nèi)透射激光強(qiáng)度和光譜吸收率信號(hào).結(jié)果表明:20 kHz掃描頻率下,兩個(gè)波段DFB激光器線性系數(shù)差異明顯,分別為0.18和0.46,符合仿真中激光器輸出特性差異的要求.根據(jù)雙譜線溫度計(jì)算方法,計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻爆轟燃?xì)鉁囟葹?183 K.

圖8 爆轟燃?xì)饧す馕展庾V測(cè)試系統(tǒng) (a)氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖;(b)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試段實(shí)物圖Fig.8.Detonation exhaust sensing system based on tunable diode laser absorption spectroscopy:(a)Diagram of gas-liquid two-phase pulsed detonation engine experimental system;(b)picture of testing section in engine.

圖9 爆轟波后7.45 ms時(shí)刻7444與7185 cm?1波段合波后透射激光強(qiáng)度Fig.9.Multiplexed transmitted laser intensities of 7444,7185 cm?1at 7.45 ms after detonation wave.

5 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)高壓環(huán)境下激光吸收光譜的測(cè)量以及多路波分復(fù)用條件下透射激光信號(hào)的分析,提出了基于光強(qiáng)與吸收率非線性同步擬合的吸收光譜測(cè)量方法,可同步獲取可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)掃描過(guò)程中單個(gè)或多個(gè)激光器光強(qiáng)變化和吸收譜線的光譜吸收率信號(hào).通過(guò)仿真研究了5 atm壓力環(huán)境下6330—6337 cm?1波段的CO2氣體疊加吸收光譜信號(hào)擬合方法以及波分復(fù)用吸收光譜測(cè)量過(guò)程中激光器特性和特征譜線在合波透射激光信號(hào)中相對(duì)位置對(duì)擬合結(jié)果的影響.結(jié)果表明:當(dāng)兩個(gè)波段激光器非線性系數(shù)或線性系數(shù)接近時(shí),擬合得到的光譜吸收率誤差e將同步增大;當(dāng)兩個(gè)波段激光器線性系數(shù)比值大于0.05時(shí)可以獲得較好的計(jì)算結(jié)果;同時(shí),當(dāng)兩條特征譜線在合波信號(hào)中相對(duì)位置大于譜線全線寬時(shí),位置變化對(duì)于計(jì)算結(jié)果無(wú)影響.分別對(duì)1—10 atm壓力環(huán)境下靜態(tài)CO2吸收光譜和氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程爆轟燃?xì)獠ǚ謴?fù)用光譜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證本方法在理論和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的可行性.基于光強(qiáng)與吸收率非線性同步擬合的吸收光譜測(cè)量方法可適應(yīng)于高壓環(huán)境單個(gè)激光器掃描多條吸收譜線以及多個(gè)激光器波分復(fù)用技術(shù),無(wú)需復(fù)雜的分光設(shè)備和多個(gè)探測(cè)裝置,適用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境,具有重要理論研究意義和工程應(yīng)用前景.

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