激光吸收光譜技術：“穿透式”測量燃燒場

　　高性能的航發(fā)燃燒室是先進航空發(fā)動機誕生過程中不可繞過的一關。而燃燒室的設計和優(yōu)化，離不開對復雜燃燒場的燃燒反應規(guī)律進行深入探究，其關鍵在于獲得精確可靠的燃燒場溫度、組分濃度等參數測量數據。 為了有效還原被測燃燒參數的真實狀態(tài)，通常選擇不干擾燃燒場的非接觸式測量技術。

　　激光吸收光譜（LAS）技術具有非侵入式測量、高氣體選擇性、多參數檢測、環(huán)境適應性強及適合工業(yè)化應用等特點，測量結果幾乎不受燃燒產物和微小顆粒的影響，測量精度高、響應迅速，被廣泛應用于燃燒監(jiān)測與診斷領域。 LAS技術使用單個激光光路，可以對燃燒場進行“穿透式”的測量，而因為燃燒場的溫度、組分濃度等典型參數的分布，更能反映燃燒場的真實燃燒狀態(tài)。將LAS技術與計算機層析成像(CT)技術相結合，可實現燃燒參數分布的成像測量，為燃燒基礎研究、燃燒過程控制和燃燒室結構設計等提供指導。

　　LAS技術的原理與發(fā)展

　　LAS技術的理論基礎是比爾-朗伯特定律(Beer-Lambert)，即當一束單色光穿過被測目標氣體時，部分光強會被目標氣體所吸收，而剩余的光強信號即表征了目標氣體的吸收光譜(圖2)。通過計算吸收光譜可以得到氣體的溫度及濃度等信息，實現燃燒參數的測量。

　　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技術可以測得燃燒參數沿激光路徑的均值。目前，國內外很多研究人員使用該方案成功測量了不同感興趣對象。

　　斯坦福大學的Hanson等測量了加熱裝置管式爐的溫度;斯坦福大學的R. M. Spearrin等實現了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內溫度測量;中科院安光所的劉文清等實現大氣痕量CO濃度測量;浙江大學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數、溫度和H2O濃度;中科院力學所的林鑫等測量了發(fā)動機點火、燃燒和關機全過程時，出口的溫度及H2O濃度。

　　使用單條激光布置的LAS技術，難以對激光路徑上的參數分布情況進行更加精細的測量。為克服單路LAS技術只能獲得流場參數平均信息的不足，研究人員將LAS技術與CT技術結合，在同一測量平面內，增加不同角度的光路，以獲得流場內參數空間分布，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據，利用成像算法對待測區(qū)域進行重建，實現復雜燃燒場參數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果，光學測量模塊光線分布的設計就顯得尤為關鍵，一般情況下需盡可能設計多條光線穿過流場區(qū)域。

　　但是，在實際的燃燒流場測量中，由于實驗空間有限，無法安裝大量的測量設備，通常采用移動旋轉或光線固定模式來彌補一次投影光線數目的不足，如圖 4(a)所示，但這種測量方法時間分辨率較低。采用圖 4(b)所示的固定光路成像傳感器，可以實現對非定常流場的瞬時測量。

　　圖 4 (a)掃描旋轉結光路結構;(b)固定光路結構

　　相應地，為了有效獲取多個激光光路的數據，成像系統(tǒng)通常具有數十路同步采集通道，以同時采集傳感器探測的光強信號。由于數十路同步采集通道對應的數據量很大，可采用不同的方案來搭建適合不同應用場景的多路數據采集系統(tǒng)。

　　北航徐立軍等研制了可短時高速采集高幀率原始信號的系統(tǒng)，需將大容量內存芯片集成到數據采集卡上，來緩存多路高速ADC采集的數據[圖5(a)]。愛丁堡大學研制了能夠長期監(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)在線實時數據處理系統(tǒng)

　　2、LAS層析成像算法發(fā)展

　　當數據采集系統(tǒng)接收到數據后，在計算機上利用成像算法獲得燃燒參數分布圖像，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二維分布的關鍵，根據吸收光譜與層析成像之間是否具有線性關系，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，當激光光譜數據量足夠且投影角度完備時，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Villarreal等利用Abel逆變換實現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行重建，之后又通過光路設計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，并根據數學模型建立一組未知向量的線性方程組，結合測量數據求解線性方程組，其數學模型如圖 6所示。

　　與解析類重建算法相比，迭代類重建算法在數學建模過程中將真實的成像幾何結構和成像物理效應考慮進來，更適合解決實際成像問題，得到的重建圖像精度更高。

　　圖 6 LAS層析成像的數學模型和坐標系

　　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，應用于本生燈聲波激勵火焰參數測量。愛丁堡大學Liu等針對傳統(tǒng)雙線法，提出了一種相對熵圖像重建方法。

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

　　比如，Ma等設計了多角度扇形束傳感器，并將其應用于弗吉尼亞大學的超音速燃燒設施以及美國宇航局直連超音速燃燒測試段;上海交通大學蔡偉偉等利用模擬退火算法對構建的非線性模型進行化求解，之后又提出了一種基于卷積神經網絡的重建方法，利用大量測量數據建立高效的神經網絡，有效降低了計算成本。

　　圖 7 非線性成像方法的數學模型

　　由上得知，LAS技術在實驗室火焰測量中取得了不少成果。同時，研究學者也將LAS技術用于現場燃燒場的參數監(jiān)測中，推動了LAS技術在工業(yè)現場的應用。

　　比如，美國空軍研究實驗室和澳大利亞防御科學技術委員會合作發(fā)起的HIFiRE 工程，為驗證LAS傳感器在飛行過程中的測量性能提供了機會;美國弗吉尼亞理工大學的Ma等測量了通用電子J85航空發(fā)動機出口處氣體的溫度和濃度分布;南京理工大學的呂曉靜等采用多譜線吸收光譜技術對脈沖爆轟發(fā)動機的燃氣管外流場溫度分布進行了測量;北航徐立軍等則利用LAS層析成像系統(tǒng)對高溫標準風洞出口溫度和濃度的分布進行了監(jiān)測。

　　總結與展望

　　自誕生以來，LAS技術經過數十年世界各國研究人員的不懈努力，在光譜獲取方法、數據采集系統(tǒng)和圖像重建算法等關鍵技術方面均獲得了長足進步，在實驗室和工業(yè)現場均取得重要進展。

　　目前，在我國先進航空發(fā)動機研制仍需加快推進的現狀下，LAS技術仍需深入研究，以適應航空發(fā)動機燃燒室狹窄、高溫、高壓、高湍動等苛刻的測量環(huán)境，為燃燒機理的構建及先進燃燒室的設計提供可靠的數據支撐。

　　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，研制先進航空發(fā)動機的目標也一定會在努力中實現!

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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