一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法
专利汇可以提供一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出一种基于双光梳 光谱 的 温度 场和浓度场测量系统和方法，系统包括同步模 块 、两个光学 频率 梳、2×1光纤 耦合器 、光学带通 滤波器 、1×8光 开关 、光电探测器、 信号 采集与处理模块、激光发射装置、探测器阵列；同步模块提供工作时钟；两个光学频率梳产生的飞秒脉冲经2×1光纤耦合器耦合，光学 带通滤波 器 滤波，由1×8光开关切换连接到光电探测器和激光发射装置，光电探测器和探测器阵列上产生的双光梳干涉信号由信号采集与处理模块采集后提取吸收谱信息，计算不同谱线的积分吸收率，结合 迭代 重建 算法 获得局部积分吸收率，计算得到温度分布和浓度分布。本发明利用光频梳的精密光谱分辨能 力 实现温度场和浓度场的测量，具有广阔的应用前景。，下面是一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法专利的具体信息内容。
1.一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，系统包括同步模块、第一光学频率梳、第二光学频率梳、2×1光纤耦合器、光学带通滤波器、1×8光开关、光电探测器、信号采集与处理模块、激光发射装置、探测器阵列；其中，同步模块为第一光学频率梳、第二光学频率梳、1×8光开关、信号采集与处理模块提供工作时钟；重复频率差固定的第一光学频率梳、第二光学频率梳产生的超短飞秒光学脉冲经2×1光纤耦合器耦合，经过光学带通滤波器滤波接入1×8光开关通过开关切换产生8个输出，分别接到一个光电探测器和七边形传感器的七个激光发射装置，激光发射装置将光纤内的激光展成扇形激光照射到探测器阵列，光电探测器和探测器阵列上产生的双光梳干涉信号被信号采集与处理模块采集后进行处理分析，从中提取吸收谱信息，计算不同吸收谱线处的积分吸收率，结合迭代重建算法得到待测区域内的局部积分吸收率二维分布，进而计算得到温度和浓度二维分布。
2.基于权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，其特征在于同步模块的时钟分发以及通过光开关切换的方式使得两个光学频率梳激光器在光电探测器和七边形传感器的探测器阵列上产生干涉信号，并被信号采集与处理模块低通滤波后采集：
内部包含高稳定时钟信号源的同步模块为第一光学频率梳、第二光学频率梳、1×8光开关、信号采集与处理模块提供工作时钟；将第一光学频率梳、第二光学频率梳锁定到该高稳定时钟信号源，其重复频率分别为fr1、fr2(fr1
第一光学频率梳、第二光学频率梳产生的覆盖一定光谱范围的超短飞秒光学脉冲通过
2×1光纤耦合器耦合后，通过光学带通滤波器选择激光的光谱范围，该光学带通滤波器的光谱范围依据待测区域内的气体组分进行选择，光学带通滤波器的带宽BW满足式(1)，使得两个光学频率梳的多外差干涉产生的干涉信号间不发生频谱混叠：
光学带通滤波器的输出接入1×8光开关的输入，1×8光开关通过开关切换和分时策略将输入激光通过光开关的8个输出端口分时输出；1×8光开关的切换频率固定为fsw，完成一轮切换的时间为1/fsw，且每个输出端口激光输出的时间保持一致为1/(8fsw)；1×8光开关的一个输出直接耦合到光电探测器，用于检测未经过吸收的两个超短光学脉冲的干涉信号，作为参考信号；其余七个输出分别接到七边形传感器的激光发射装置，激光发射装置将光纤内的激光展成扇形激光，该扇形激光覆盖七边形传感器的五条边上的探测器阵列，不包括激光发射装置所在顶点的两条临边在内；每条边上探测器阵列上集成的m个光电二极管，用于检测经过待测区域吸收后的两个超短光学脉冲的干涉信号，作为测量信号；每次扫描通过光开关控制七个激光发射装置使用分时扫描的方式依序发射扇形激光束，从每个角度发射的扇形激光束可以覆盖七边形传感器的五条边，每次扫描完成后可得到35m条激光路径上的测量信号；
产生的参考信号和测量信号经信号采集与处理模块前端集成的低通滤波器(低通滤波器的带宽小于fr1/2)滤除高频激光脉冲信号以及频率不小于fr1/2的干涉信号高频分量，避免发生频谱混叠；信号采集的时钟频率和第一光频梳的重复频率fr1或是第二光学频率梳的重复频率fr2保持一致。
3.基于权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，其特征在于从光电探测器和探测器阵列获得的光频梳多外差干涉信号中提取吸收谱，计算得到积分吸收率：
每个光学频率梳的总光波电场是其不同纵模的光波电场叠加，经2×1光纤耦合器耦合和光学带通滤波器滤波后，位于光学带通滤波器通带范围内的光波电场可以表示为：
其中，Ep、fp、 是第一光学频率梳中第p个纵模的电场强度、频率、初相位，Eq、fq、 是第二光学频率梳中第q个纵模的电场强度、频率、初相位，t是时间，且所有满足光学带通滤波器通带范围的纵模序数p构成集合P，所有满足光学带通滤波器通带范围的纵模序数q构成集合Q；
经过激光路径上气体分子吸收后的包含吸收谱信息的干涉信号经过信号采集与处理模块前端集成的带宽小于fr1/2的低通滤波器滤波后，信号可以表示为：
其中，α(fp)和α(fq)是气体分子在光频fp和fq处的吸收率；
同样地，不存在吸收的的参考光路干涉信号经过信号采集与处理模块前端集成的带宽小于fr1/2的低通滤波器滤波后，信号可以表示为：
包含吸收谱信息的干涉信号和不包含吸收谱信息的干涉信号进行傅里叶变换分别得到其频谱的幅值谱信号Im(f)、Iref(f)，f为射频范围内的频率，小于fr1/2，其离散化后频率间隔为frep，
其中，δ为冲激函数；
根据吸收率的定义，光频梳发出的激光经过待测气体后的吸收率R(f)可表示为：
此时得到的吸收率R(f)是随射频频率变化的，由于射频频率分量和光频频率分量的对应关系，吸收率R(f)可对应为随激光波数v[cm-1]变化的吸收率α(v)，即所覆盖光谱范围内的吸收谱；
测得的吸收谱包含待测气体分子的若干吸收谱线，截取吸收谱中不同波段的吸收谱线，针对每个吸收谱线处的吸收峰，选用Voigt线型函数对其进行拟合，分别计算其吸收面积，可计算出一条激光路径上若干吸收谱线的积分吸收率。
4.基于权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，其特征在于利用迭代重建算法从不同激光路径获得的积分吸收率中计算待测区域的局部积分吸收率，进而计算得到温度分布和浓度分布，具体包括以下两个步骤：
步骤一：利用迭代重建算法计算待测区域的局部积分吸收率；
获得各条激光路径上所选的若干谱线的积分吸收率后，将传感器的有效成像区域进行网格划分，通过迭代重建算法计算局部积分吸收率的二维分布，获得多条吸收谱线的局部积分吸收率，进而计算温度分布和气体分子浓度分布；具体而言，激光发射装置的数量为7个，每条边的探测器阵列上的光电二极管数量为m个，扇形激光束可以照射到层析成像传感器的5条边，因此激光路径数量M＝35m，每次扫描每条吸收谱线可获得M个积分吸收率，之后结合迭代重建算法实现局部积分吸收率的二维分布重建，通过K(K≥2)条吸收谱线的局部积分吸收率计算温度分布和气体分子浓度分布；
第i条激光路径上第k(k＝1,2,…，K)条谱线处的积分吸收率，可以表示为
其中，P是总气压，L是激光吸收路径长度，Xabs是被测气体分子的摩尔分数，Sk(T)是被测气体分子所选的第k条吸收谱线的线强度；
将被测区域划分为N个网格，假设每个网格中的气体分子浓度、温度、压力等参数均匀，第j个网格内温度、气体分子浓度记作Tj、Xabs,j，则式(9)可以离散化并写作其中 是第j个网格内第k条谱线的局部积分吸收率，li,j是第i条路径穿过第j个网格的吸收长度，将式(10)写作矩阵形式，
其中
其中[]T表示矩阵的转置，灵敏度矩阵L的定义为
通过迭代重建算法求解式(11)得到气体分子的K条吸收谱线的局部积分吸收率步骤二：通过K条吸收谱线的局部积分吸收率计算温度分布和浓度分布；
被测气体的特定吸收谱线的线强度S(T)是温度的单变量函数：
其中，h为普朗克常数，c为光速，kB是玻尔兹曼常数，Q(T)是配分函数，v0为吸收峰中心处的波数，T0为参考温度，E″为吸收跃迁的低能级能量；
第j个网格内任意两条不同吸收谱线的局部积分吸收率之比R是温度的函数：
进一步推导可以得到：
得到各个不同吸收谱线处的局部积分吸收率 后，以低能级能量E″为横坐标，为纵坐标，由多个点所确定的直线的斜率即可反映出路径的温度值，利用最小二乘方法拟合出的直线斜率为lj，进一步可以得到第j个网格内的温度：
求得第j个网格内的温度之后，则可确定待测气体在该温度下的线强度S(Tj)，进一步利用式(10)即可解算出待测气体分子在第j个网格内的浓度Xabs,j；对所有网格执行上述步骤可得到温度分布和浓度分布。
一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法
技术领域
背景技术
characterization using tunable diode-laser sensors)中使用中心波数为7185cm-1和
7444cm-1的两个分布反馈式(Distributed Feedback，DFB)激光器测试了超燃冲压发动机三个不同位置的气流速度、温度和H2O浓度三个参数。为了测量多种组分的浓度，也需要选用多个二极管激光器。2009年，G.B.Rieker等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第48卷第29期5546页的论文《在恶劣的环境中使用无校准波长调制光谱测量气体温度和浓度》(Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy for measurements of gas temperature and concentration in harsh environments)在测试超燃冲压发动机排气口的温度、CO2、H2O浓度的过程中使用了六个不同波段的DFB激光器，光栅分光后利用多个探测器接收不同波段的激光信号，增加了系统的复杂程度。除此之外，在利用TDLAS技术获取吸收谱特征的过程中，一般需要使用标准具标定波长扫描/调制过程中的波长变化，标定吸收模型。为了获得一定区域内温度、组分浓度的分布，层析成像技术被引入激光吸收光谱技术领域，通过多角度多激光束的投影获取气体参数的二维分布。比如，2018年，C.Liu等人发表在《电器和电子工程师协会仪器与测量汇刊》(IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement)第67卷第6期第1338-1348页的论文《基于TDLAS层析成像技术的旋流火焰横截面在线监测》(Online Cross-Sectional Monitoring of a Swirling Flame Using TDLAS Tomography)一文中使用H2O的两个特征谱线，利用五个角度60束激光的TDLAS层析成像系统，重建了旋转火焰横截面的温度和H2O浓度的二维分布，发现了呈现新月形的旋转高温区。
发明内容
具体实施方式
420)组包含吸收谱信息的干涉信号以及一组从光电探测器106获得的不包含吸收谱信息的参考干涉信号；光电探测器106和探测器阵列202的输出经过信号采集与处理模块107前端的低通滤波(带宽22MHz)后进行量化采集，采样时钟为第一光学频率梳101的重复频率，即
50.000MHz。
A420,1]，A2＝[A1,2,A2,2,…,A420,2]，A3＝[A1,3,A2,3,…,A420,3]，A4＝[A1,4,A2,4,…,A420,4]。
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