本发明涉及温度场测量装置技术领域，尤其是一种激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置。
背景技术：
航空发动机是一种复杂而精密的热力机械，直接影响到飞机的性能、可靠性和经济性。燃烧室是发动机必不可少的重要部件，通过燃烧释放燃料中的化学能，将化学能转化为热能，产生高温、高压燃气，提高发动机的做功能力。设计燃烧室时，需要保证燃烧稳定性好，燃烧效率高，排放污染少。
基于tdlas技术的燃烧场温度、组分浓度测量，具有非侵入通过燃烧场内部、响应时间快、抗电磁干扰能力强。测量仪器设备系统易安装在比较小的空间里等优点，便于安装在燃烧现场中，用于监测燃烧状态。
现有的测量仪器系统采用的信号接收模块采用独立的发射与接收装置，其存在的缺点是同时搭建发射和接收两套装置，空间利用率低，并且增加的发射接收装置会影响光路的布置，无法全面获取整个温度场中的光路信息，导致测量精度低。
技术实现要素：
本发明提供了一种激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，解决了现有测量装置光路布置复杂，提取光路有效信息少的缺点。
本发明采用的技术方案如下：
一种激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，包括函数发生器、激光控制器、分布反馈式激光器、光纤分束器、中空回射器和信号处理组件，还包括反射镜和激光发射接收装置，所述反射镜、激光发射接收装置与光纤分束器调制后的光束数目分别对应；所述光纤分束器将所述分布反馈式激光器调制后的激光分成多束，每一束由对应的所述激光发射接收装置发射到对应的反射镜，所述反射镜由驱动机构驱动旋转，分布于空间中，确保光路扫过整个待测区域，经所述中空回射器平行返回，被所述激光发射接收装置接收并转换为电信号，得到光强信号。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述激光发射接收装置的结构包括沿光路依次设置的对激光光束进行准直的准直器、楔形棱镜和光电探测器；所述楔形棱镜为半透半反棱镜，其靠近所述准直器一端镜面镀所述分布反馈式激光器出光对应波段的半透半反膜，背对所述准直器一端镜面镀增透膜，确保经所述中空回射器反射回的激光能更好的进入所述光电探测器。
所述楔形棱镜呈截面为梯形的楔形结构，其一面相对于对应的另一面倾斜设置。
所述楔形棱镜是一块一面相对于对应的另一面倾斜1°的圆形棱镜，主要目的是消除信号的干涉效应。
所述光电探测器的带宽为10mhz，通过固定架安装在激光发射接收装置尾部，经所述中空回射器平行返回的激光被所述光电探测器接收并转换为电信号，得到光强信号。
所述驱动机构采用高速步进电机，每个反射镜与对应的所述高速步进电机相连，由高速步进电机驱动进行转动。
所述激光控制器、所述分布反馈式激光器分别对应布置有两个，所述函数发生器分别通过两个通道将调制信号分别输入两个分布反馈式激光控制器，所述激光控制器对相应的分布反馈式激光器的输出波长、光强进行调制；所述光纤分束器将所述分布反馈式激光器调制后的激光分成四束。
激光发射接收装置共设置有四个，分别布置在光路的四个角落，激光发射接收装置的布置位置确保不遮挡经过中空回射器的光路。
所述信号处理组件包括信号采集系统和计算机，所述光强信号均由对应的所述激光发射接收装置传输至所述信号采集系统，由所述计算机进行处理。
本发明的有益效果如下：
本发明优化了测量装置结构紧凑，实现了信号收发一体，减少了测量部件，小型化集成，可实现快速重建温度场，能够获得更加全面的光路信息，提高了测量精度。
本发明的激光发射接收装置实现了同发同收功能，楔形棱镜一端面能很好避免其它波段的光进入探测器，使探测器饱和；另一端面确保经中空反射器反射回的激光能更好的进入探测器。本发明的激光发射接收装置，根据实际需要可布置在光路的四个角落，确保不遮挡经过中空回射镜的光路，反射镜通过电机控制旋转角度，从而能获取更多光路信息，同时使整个光路结构布置更紧凑。
本发明反射镜由高速步进电机驱动转动，能快速获取光路中信息，从而提高了重建温度场的时间分辨率。
本发明装置各部件的参数可以成立一个统一的温度场检测标准，具有可重复性，可调节可操作性强。
附图说明
图1为本发明的测量装置的结构示意图。
图2为本发明的激光发射接收装置的结构示意图。
图中：1、函数发生器；2、激光控制器；3、分布反馈式激光器；4、光纤分束器；5、反射镜；6、高速步进电机；7、激光发射接收装置；701、准直器；702、楔形棱镜；703、光电探测器；704、固定架；8、中空回射器；9、信号采集系统；10、计算机。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，包括函数发生器1、激光控制器2、分布反馈式激光器3、光纤分束器4、中空回射器8和信号处理组件，还包括反射镜5、高速步进电机6和激光发射接收装置7，反射镜5、高速步进电机6、激光发射接收装置7与光纤分束器4调制后的光束数目分别对应；光纤分束器4将分布反馈式激光器3调制后的激光分成多束，每一束由对应的激光发射接收装置7发射到对应的反射镜5，反射镜5由高速步进电机6带动旋转，分布于空间中，确保光路扫过整个待测区域，经中空回射器8平行返回，被激光发射接收装置7接收并转换为电信号，得到光强信号。
如图2所示，激光发射接收装置7的结构包括沿光路依次设置的对激光光束进行准直的准直器701、楔形棱镜702和光电探测器703；
具体地，激光发射接收装置7为实现同发同收功能的主要器件。准直器701对激光光束进行准直，确保激光光束在整个光路结构中不至于太发散而无法接收到光；激光发射接收装置7中心为一块半透半反镀膜楔形棱镜702，采用半透半反棱镜可以使50％的激光经反射面反射穿过待测区域，这束激光经中空回射器8平行反射回来后再次穿过半透半反棱镜打在光电探测器703的靶面上，半透半反棱镜靠近准直器701一端的镜面镀分布反馈式激光器3出光对应波段的半透半反膜，这样能很好避免其它波段的光进入光电探测器703，使光电探测器703饱和。半透半反棱镜背对准直器701一端镜面镀增透膜，确保经中空回射器8反射回的激光能更好的进入光电探测器703。
作为一种实施方式，楔形棱镜702是一块一面相对于另一面倾斜圆形棱镜，主要目的是消除信号的干涉效应。具体地，楔形棱镜702截面为直角梯形，斜边相对于直角边倾斜1°。激光发射接收装置7尾部的光电探测器703，采用自主设计带宽10mhz的光电探测器703。光电探测器703整体通过固定架704固定。经中空回射器8平行返回的激光被光电探测器703接收并转换为电信号，得到光强信号。
作为一种实施方式，每个反射镜5与高速步进电机6相连，由高速步进电机6驱动进行转动。反射镜5也可采用其他驱动、传动机构带动旋转。
高速步进电机6驱动反射镜5转动，能快速获取光路中信息，从而提高了重建温度场的时间分辨率。
作为一种实施方式，激光控制器2、分布反馈式激光器3分别对应布置有两个，函数发生器1分别通过两个通道将调制信号分别输入两个分布反馈式激光控制器2，激光控制器2对相应的分布反馈式激光器3的输出波长、光强进行调制；
作为一种实施方式，光纤分束器4将分布反馈式激光器3调制后的激光分成四束。
作为一种实施方式，激光发射接收装置7共设置有四个，分别布置在光路的四个角落，激光发射接收装置7的布置位置确保不遮挡经过中空回射器8的光路。使整个光路结构布置更紧凑。
作为一种实施方式，信号处理组件包括信号采集系统9和计算机10，光强信号均由对应的激光发射接收装置7传输至信号采集系统9，由计算机10进行处理。
本实施例的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的测量方法，基于的测量装置包括如图1和图2所示：
函数发生器1、两个激光控制器2、两个分布反馈式激光器3、光纤分束器4、四个激光发射接收装置7、四个反射镜5以及对应的步进电机、中空回射器8、信号采集系统9、计算机10。
函数发生器1将调制信号输入激光控制器2中，激光控制器2对分布反馈式激光器3的输出波长、光强进行调谐；通过光纤分束器4分成四束，每一束由激光发射接收装置7发射到反射镜5，反射镜5与高速步进电机6相连，步进电机带动反射镜5转动，光路扫过待测区域，经中空回射器8平行返回，被激光发射接收装置7中的光电探测器703接收并转换为电信号，得到光强信号。背景信号和透射信号均由对应的光电探测器703传输至信号采集系统9，通过计算机10进行处理。
测量方法具体包括以下步骤：
步骤一，函数发生器1将调制频率fm1信号通过通道一输入一号激光控制器2中，一号激光控制器2对一号分布反馈式激光器3的输出波长和光强进行调谐；
函数发生器将调制频率fm2信号通过通道二输入二号激光控制器2中，二号激光控制器2对二号分布反馈式激光器3的输出波长和光强进行调谐；
步骤二，将步骤一的两束调制光进行耦合，并经光纤分束器4分为四束，每一束由相应的激光发射接收装置7发射到反射镜5，反射镜5随着高速步进电机6转动，光路扫过待测区域，经中空回射器8平行返回，通过激光发射接收装置7中的光电探测器703接收并转换为电信号，得到光强信号；
步骤三，通过光学标准具，分别获得一号、二号分布反馈式激光器3对应的标准具信号iv(t)，从而得到时间频率响应特性v(t)；
步骤四，经过数字锁相、低通滤波过程处理测量的背景光强、透射光强，提取扣除背景归一化的二次谐波，依据beer-lambert定律，通过归一化二次谐波及步骤3所得时间频率响应特性v(t)，利用最小二乘算法拟合出积分吸收面积a，根据双波长线强比值法测出温度，进一步计算出浓度值；
首先使用数字锁相技术处理背景光强i0(i)和实际测量的透射光强it(i)，分别得到信号第i束激光n次谐波的x分量和y分量展开式，展开式如式(1)所示，其中，n取值为1或2：
其次，经低通滤波器提取各信号的谐波分量，如式(2)所示：
得到的第i束激光背景光强信号和透射光强信号的谐波分量，可以表示为式(3)：
最后，对得到的第i束激光谐波信号，进行扣除背景的一次谐波归一化处理得到式(4)：
当测量路径上的介质气体分布均匀时，可由下式计算得到路径上的温度、浓度平均值：
s(t)是气体的吸收线强，a为积分吸收面积，x是气体的体积分数，l是所测光程的具体长度，p为气体总压，单位为atm，φv是线型函数，且经过归一化后
步骤五，二维瞬态温度场的求解。
基于二维层析重建技术的测量原理，为了得到所测区域内二维空间内的参数信息，需要将重建区域进行离散化，首先将测量区域划分为100×100(即n＝10000)的网格，假设每个离散网格内的温度等参数是均匀分布的。
第i条激光射线经过测量区域后，在每个离散网格内的有效光程长度为li，j，即为激光射线的路径矩阵，具体值可以通过几何关系(离散网格的宽度和激光射线与坐标轴的夹角α)确定。
当路径上介质气体分布不均匀时，对式(5)进行变换，光线经过离散网格内介质气体的吸收，离开测量区域时强度减弱，离散得到的第i条光线中的两条谱线的吸收方程式：
其中，av1，i和av2，i是第i条射线穿过测量区域后的路径吸收积分值，i为激光射线束的编号，j为离散网格编号，αv1，j和αv2，j代表每个离散网格内的气体吸收系数。
公式(11)和公式(12)为两条h2o吸收谱线的具体离散方程组：
其中，αv1，j＝(pstx)v1，j和和αv2，j＝(pstx)v2，j为离散网格内两条吸收谱线的吸收系数，m为测量区域内总的射线数，n为所划分的网格总数。
art算法在基于不完全投影值的重建过程中能得到比较理想的结果，因此被广泛应用于二维燃烧场的重建。对于art算法来说，其求解过程是一条射线接一条射线进行的，当每一条射线被考虑之后，图像就被更新一次，即完成一次迭代，如果图像没有达到收敛的要求，那么上述过程将会被继续重复，直到满足收敛条件为止。
利用迭代算法求解二维温度与浓度分布时，首先需要对离散网格内的气体吸收系数αv1，j和αv2，j进行求解，利用art算法计算吸收系数αj的具体表达形式如下：
其中，
1.一种激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，包括函数发生器(1)、激光控制器(2)、分布反馈式激光器(3)、光纤分束器(4)、中空回射器(8)和信号处理组件，其特征在于，还包括反射镜(5)和激光发射接收装置(7)，所述反射镜(5)、激光发射接收装置(7)与光纤分束器(4)调制后的光束数目分别对应；
所述光纤分束器(4)将所述分布反馈式激光器(3)调制后的激光分成多束，每一束由对应的所述激光发射接收装置(7)发射到对应的反射镜(5)，所述反射镜(5)由驱动机构驱动旋转，分布于空间中，确保光路扫过整个待测区域，经所述中空回射器(8)平行返回，被所述激光发射接收装置(7)接收并转换为电信号，得到光强信号。
2.根据权利要求1所述的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，其特征在于，所述激光发射接收装置(7)的结构包括沿光路依次设置的对激光光束进行准直的准直器(701)、楔形棱镜(702)和光电探测器(703)；
所述楔形棱镜(702)为半透半反棱镜，其靠近所述准直器(701)一端镜面镀所述分布反馈式激光器(3)出光对应波段的半透半反膜，背对所述准直器(701)一端镜面镀增透膜，确保经所述中空回射器(8)反射回的激光能更好的进入所述光电探测器(703)。
3.根据权利要求2所述的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，其特征在于，所述楔形棱镜(702)呈截面为梯形的楔形结构，其一面相对于对应的另一面倾斜设置。
4.根据权利要求2所述的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，其特征在于，所述光电探测器(703)的带宽为10m，通过固定架(704)安装在激光发射接收装置(7)尾部，经所述中空回射器(8)平行返回的激光被所述光电探测器(703)接收并转换为电信号，得到光强信号。
5.根据权利要求1所述的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，其特征在于，所述驱动机构采用高速步进电机(6)，每个反射镜(5)与对应的所述高速步进电机(6)相连，由高速步进电机(6)驱动进行转动。
6.根据权利要求1所述的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，其特征在于，所述激光控制器(2)、所述分布反馈式激光器(3)分别对应布置有两个，所述函数发生器(1)分别通过两个通道将调制信号分别输入两个分布反馈式激光控制器(2)，所述激光控制器(2)对相应的分布反馈式激光器(3)的输出波长、光强进行调制；所述光纤分束器(4)将所述分布反馈式激光器(3)调制后的激光分成四束。
7.根据权利要求6所述的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，其特征在于，所述激光发射接收装置(7)共设置有四个，分别布置在光路的四个角落，激光发射接收装置(7)的布置位置确保不遮挡经过中空回射器(8)的光路。
8.根据权利要求1所述的激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置，其特征在于，所述信号处理组件包括信号采集系统(9)和计算机(10)，所述光强信号均由对应的所述激光发射接收装置(7)传输至所述信号采集系统(9)，由所述计算机(10)进行处理。
技术总结