激光吸收光譜技術(shù)：“穿透式”測量燃燒場

　　高性能的航發(fā)燃燒室是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)誕生過程中不可繞過的一關(guān)。而燃燒室的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，離不開對復(fù)雜燃燒場的燃燒反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行深入探究，其關(guān)鍵在于獲得精確可靠的燃燒場溫度、組分濃度等參數(shù)測量數(shù)據(jù)。 為了有效還原被測燃燒參數(shù)的真實(shí)狀態(tài)，通常選擇不干擾燃燒場的非接觸式測量技術(shù)。

　　激光吸收光譜（LAS）技術(shù)具有非侵入式測量、高氣體選擇性、多參數(shù)檢測、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及適合工業(yè)化應(yīng)用等特點(diǎn)，測量結(jié)果幾乎不受燃燒產(chǎn)物和微小顆粒的影響，測量精度高、響應(yīng)迅速，被廣泛應(yīng)用于燃燒監(jiān)測與診斷領(lǐng)域。 LAS技術(shù)使用單個激光光路，可以對燃燒場進(jìn)行“穿透式”的測量，而因?yàn)槿紵龍龅臏囟取⒔M分濃度等典型參數(shù)的分布，更能反映燃燒場的真實(shí)燃燒狀態(tài)。將LAS技術(shù)與計(jì)算機(jī)層析成像(CT)技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)燃燒參數(shù)分布的成像測量，為燃燒基礎(chǔ)研究、燃燒過程控制和燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供指導(dǎo)。

　　LAS技術(shù)的原理與發(fā)展

　　LAS技術(shù)的理論基礎(chǔ)是比爾-朗伯特定律(Beer-Lambert)，即當(dāng)一束單色光穿過被測目標(biāo)氣體時(shí)，部分光強(qiáng)會被目標(biāo)氣體所吸收，而剩余的光強(qiáng)信號即表征了目標(biāo)氣體的吸收光譜(圖2)。通過計(jì)算吸收光譜可以得到氣體的溫度及濃度等信息，實(shí)現(xiàn)燃燒參數(shù)的測量。

　　圖 2 激光吸收光譜的測量原理圖

　　一般情況下，使用單條激光光路布置的LAS技術(shù)可以測得燃燒參數(shù)沿激光路徑的均值。目前，國內(nèi)外很多研究人員使用該方案成功測量了不同感興趣對象。

　　斯坦福大學(xué)的Hanson等測量了加熱裝置管式爐的溫度;斯坦福大學(xué)的R. M. Spearrin等實(shí)現(xiàn)了超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)溫度測量;中科院安光所的劉文清等實(shí)現(xiàn)大氣痕量CO濃度測量;浙江大學(xué)的岑可法等利用單路LAS測量了平焰燃燒爐火焰的煙灰體積分?jǐn)?shù)、溫度和H2O濃度;中科院力學(xué)所的林鑫等測量了發(fā)動機(jī)點(diǎn)火、燃燒和關(guān)機(jī)全過程時(shí)，出口的溫度及H2O濃度。

　　使用單條激光布置的LAS技術(shù)，難以對激光路徑上的參數(shù)分布情況進(jìn)行更加精細(xì)的測量。為克服單路LAS技術(shù)只能獲得流場參數(shù)平均信息的不足，研究人員將LAS技術(shù)與CT技術(shù)結(jié)合，在同一測量平面內(nèi)，增加不同角度的光路，以獲得流場內(nèi)參數(shù)空間分布，其測量原理如圖 3所示。通過獲取多個角度多條激光路徑上的光譜數(shù)據(jù)，利用成像算法對待測區(qū)域進(jìn)行重建，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜燃燒場參數(shù)二維分布的可視化測量。

　　圖 3 利用多路LAS的層析成像測量原理

　　1、 LAS成像系統(tǒng)研制

　　為獲得更高精度的重建結(jié)果，光學(xué)測量模塊光線分布的設(shè)計(jì)就顯得尤為關(guān)鍵，一般情況下需盡可能設(shè)計(jì)多條光線穿過流場區(qū)域。

　　但是，在實(shí)際的燃燒流場測量中，由于實(shí)驗(yàn)空間有限，無法安裝大量的測量設(shè)備，通常采用移動旋轉(zhuǎn)或光線固定模式來彌補(bǔ)一次投影光線數(shù)目的不足，如圖 4(a)所示，但這種測量方法時(shí)間分辨率較低。采用圖 4(b)所示的固定光路成像傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對非定常流場的瞬時(shí)測量。

　　圖 4 (a)掃描旋轉(zhuǎn)結(jié)光路結(jié)構(gòu);(b)固定光路結(jié)構(gòu)

　　相應(yīng)地，為了有效獲取多個激光光路的數(shù)據(jù)，成像系統(tǒng)通常具有數(shù)十路同步采集通道，以同時(shí)采集傳感器探測的光強(qiáng)信號。由于數(shù)十路同步采集通道對應(yīng)的數(shù)據(jù)量很大，可采用不同的方案來搭建適合不同應(yīng)用場景的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　北航徐立軍等研制了可短時(shí)高速采集高幀率原始信號的系統(tǒng)，需將大容量內(nèi)存芯片集成到數(shù)據(jù)采集卡上，來緩存多路高速ADC采集的數(shù)據(jù)[圖5(a)]。愛丁堡大學(xué)研制了能夠長期監(jiān)測但幀率較低的系統(tǒng)[圖5(b)]。

　　圖 5 (a)可變幀率采集系統(tǒng);(b)在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

　　2、LAS層析成像算法發(fā)展

　　當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，在計(jì)算機(jī)上利用成像算法獲得燃燒參數(shù)分布圖像，以滿足可視化測量的要求。層析成像算法是獲得高精度高空間分辨參數(shù)二維分布的關(guān)鍵，根據(jù)吸收光譜與層析成像之間是否具有線性關(guān)系，可以分為線性重建方法和非線性重建方法。線性重建算法又可以分為以Radon變換為理論基礎(chǔ)的解析重建算法和以解線性方程組為主要思想的迭代重建算法。

　　解析類重建算法，具有重建速度快和重建精度高的優(yōu)勢，當(dāng)激光光譜數(shù)據(jù)量足夠且投影角度完備時(shí)，解析類重建算法可得到高精度分布圖像。 比如，美國德克薩斯大學(xué)Villarreal等利用Abel逆變換實(shí)現(xiàn)了常壓下平焰燃燒爐火焰中的軸對稱溫度和CO2濃度分布重建。北京航空航天大學(xué)劉暢等利用柱透鏡形成扇形激光束，對軸對稱溫度和氣體濃度分布進(jìn)行重建，之后又通過光路設(shè)計(jì)將一維層析成像的分辨率提高了一倍。

　　迭代類重建算法，其基本思想是將待重建的圖像離散化，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立一組未知向量的線性方程組，結(jié)合測量數(shù)據(jù)求解線性方程組，其數(shù)學(xué)模型如圖 6所示。

　　與解析類重建算法相比，迭代類重建算法在數(shù)學(xué)建模過程中將真實(shí)的成像幾何結(jié)構(gòu)和成像物理效應(yīng)考慮進(jìn)來，更適合解決實(shí)際成像問題，得到的重建圖像精度更高。

　　圖 6 LAS層析成像的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)系

　　中科院安光所闞瑞峰等提出了兩步-ART迭代重建算法，并應(yīng)用于火焰溫度和水蒸氣濃度分布精確重建中。北航采用修正Landweber算法重建了平焰燃燒爐火焰溫度和水蒸氣濃度分布;又充分利用火焰溫度連續(xù)分布的特性，提出了Zernike稀疏擬合成像方法，應(yīng)用于本生燈聲波激勵火焰參數(shù)測量。愛丁堡大學(xué)Liu等針對傳統(tǒng)雙線法，提出了一種相對熵圖像重建方法。

　　當(dāng)測量環(huán)境較為復(fù)雜、布置的光路數(shù)目較少，但每一條光路上的光譜信息豐富時(shí)，可以采用非線性重建方法，數(shù)學(xué)模型如圖 7所示。近年來，隨著寬帶光源和相關(guān)波長復(fù)用技術(shù)發(fā)展，非線性重建算法也得到了快速發(fā)展，在復(fù)雜測量環(huán)境中具有不可替代的優(yōu)勢。

　　比如，Ma等設(shè)計(jì)了多角度扇形束傳感器，并將其應(yīng)用于弗吉尼亞大學(xué)的超音速燃燒設(shè)施以及美國宇航局直連超音速燃燒測試段;上海交通大學(xué)蔡偉偉等利用模擬退火算法對構(gòu)建的非線性模型進(jìn)行化求解，之后又提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重建方法，利用大量測量數(shù)據(jù)建立高效的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有效降低了計(jì)算成本。

　　圖 7 非線性成像方法的數(shù)學(xué)模型

　　由上得知，LAS技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室火焰測量中取得了不少成果。同時(shí)，研究學(xué)者也將LAS技術(shù)用于現(xiàn)場燃燒場的參數(shù)監(jiān)測中，推動了LAS技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用。

　　比如，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞防御科學(xué)技術(shù)委員會合作發(fā)起的HIFiRE 工程，為驗(yàn)證LAS傳感器在飛行過程中的測量性能提供了機(jī)會;美國弗吉尼亞理工大學(xué)的Ma等測量了通用電子J85航空發(fā)動機(jī)出口處氣體的溫度和濃度分布;南京理工大學(xué)的呂曉靜等采用多譜線吸收光譜技術(shù)對脈沖爆轟發(fā)動機(jī)的燃?xì)夤芡饬鲌鰷囟确植歼M(jìn)行了測量;北航徐立軍等則利用LAS層析成像系統(tǒng)對高溫標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞出口溫度和濃度的分布進(jìn)行了監(jiān)測。

　　總結(jié)與展望

　　自誕生以來，LAS技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年世界各國研究人員的不懈努力，在光譜獲取方法、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重建算法等關(guān)鍵技術(shù)方面均獲得了長足進(jìn)步，在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場均取得重要進(jìn)展。

　　目前，在我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)研制仍需加快推進(jìn)的現(xiàn)狀下，LAS技術(shù)仍需深入研究，以適應(yīng)航空發(fā)動機(jī)燃燒室狹窄、高溫、高壓、高湍動等苛刻的測量環(huán)境，為燃燒機(jī)理的構(gòu)建及先進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

　　這是一條前途光明、困難不斷的研究道路!相信隨著我國廣大研究人員的努力，難題一定會被攻克，研制先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的目標(biāo)也一定會在努力中實(shí)現(xiàn)!

　　參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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