本發(fā)明涉及溫度場測量，尤其是一種激光光譜法的高溫燃燒溫度場重構系統(tǒng)。

背景技術：

1、航空發(fā)動機燃燒室的惡劣工作環(huán)境、復雜的結構、有限的測量空間使光學傳感器的布局受到很大限制。一方面僅能采集到有限角度的測量數(shù)據(jù)，這給燃燒參數(shù)高精度分布反演造成巨大挑戰(zhàn)。另一方面，大多數(shù)測量手段僅能實現(xiàn)航空發(fā)動機燃燒室燃燒參數(shù)的定性測量，難以獲得燃燒參數(shù)分布的定量信息。而少數(shù)能獲得定量信息的測量手段，通常選擇探測面積大的探測器來提高測量數(shù)據(jù)的信噪比，這進一步減小了在有限空間中可以安裝的探測器數(shù)量，難以重構得到空間分辨率高的燃燒參數(shù)分布結果。

2、激光吸收光譜技術具有測量系統(tǒng)簡單，易于小型化，抗干擾能力強等優(yōu)勢，在高溫燃燒爐、核反應堆室和發(fā)動機燃燒室等燃燒設備的溫度和速度測量領域發(fā)揮了重要作用。結合計算層析成像技術，利用采集到的多個角度激光光譜信號，通過成像算法反演求解燃燒室火焰溫度和組分濃度分布。

3、現(xiàn)有的用于測量燃燒場狀態(tài)的激光吸收光譜系統(tǒng)，一方面，普遍采用是傳統(tǒng)小靶面的紅外探測器，測量時激光光束的對準需求高，且容易受到測量環(huán)境的影響，例如劇烈燃耗時的強機械振動、高熱輻射和強湍流，系統(tǒng)的抗干擾能力弱；另一方面，為了保證盡可能多的有效光路以獲取更豐富的測量區(qū)域的信息，絕大部分測量系統(tǒng)圍繞測量區(qū)域同時搭建多套發(fā)射和接收機械裝置，空間利用率低，且前期調試繁雜費時。并且傳統(tǒng)場重構算法對初值敏感，迭代時間長，還容易陷入局部最優(yōu)解。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種激光光譜法的高溫燃燒溫度場重構系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有測量裝置抗干擾能力弱、空間利用率低、有效路徑數(shù)不足、調試復雜的缺點。

2、本發(fā)明采用的技術方案如下：

3、一種激光光譜法的高溫燃燒溫度場重構系統(tǒng)，包括函數(shù)發(fā)生器、激光控制器、分布反饋式激光器、光纖合束器、光開關、發(fā)射端組件、光學積分球探測模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號分析與處理模塊；

4、所述光纖合束器將兩束經所述函數(shù)發(fā)生器和激光控制器調制后、分布反饋式激光器發(fā)出的激光合成一束，并接入所述光開關；

5、所述光開關具有一個輸入通道、64個輸出通道，每個輸出通道連接一個所述發(fā)射端組件，發(fā)射端組件將激光發(fā)射到測量區(qū)域，被所述光學積分球探測模塊接收并轉換為電信號，然后傳輸給所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后輸入所述信號分析與處理模塊；

6、所述信號分析與處理模塊用于：通過數(shù)字鎖相、低通濾波處理測量區(qū)域的背景光強、透射光強；依據(jù)beer-lambert定律，通過最小二乘算法擬合出積分吸收面積；對高溫燃燒溫度場進行求解。

7、進一步技術方案為：

8、所述光開關按設定程序通過內部的切換器，將激光依次從第1個輸出通道、第2個輸出通道、第3個輸出通道、……、第64個輸出通道輸出，并從相應的所述發(fā)射端組件發(fā)出，使得光路掃過整個測量區(qū)域。

9、所述切換器的切換不同輸出通道的時間不大于10ms。

10、各發(fā)射端組件圍繞測量區(qū)域的四周排布，并在每一側設置一個所述光學積分球探測模塊，四個光學積分球探測模塊分布于測量區(qū)域四角處。

11、所述光學積分球探測模塊包括光學積分球和近紅外探測器；

12、經過測量區(qū)域到達所述光學積分球靶面的光信號通過其內部腔體的作用被所述紅外探測器接收并轉換為電信號；

13、所述紅外探測器探測到的電信號經過信號線輸入到所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并以數(shù)字信號形式存儲在所述信號分析與處理模塊中；

14、所述近紅外探測器的帶寬為10mhz。

15、所述激光光譜法的高溫燃燒溫度場重構系統(tǒng)，還包括光纖收納盒，其將發(fā)射端組件延伸出的光纖收納入盒中。

16、所述通過最小二乘算法擬合出積分吸收面積，包括：

17、將光譜吸收率在波數(shù)域上的積分作為積分吸收面積a，表達式如下：

18、

19、上式中：

20、其中，l是經過氣體介質的光程長度，p(l)是經過氣體介質光程長l的氣體總壓力，x(l)是經過氣體介質光程長l的是氣體濃度，sv(t(l))代表溫度為t(l)的線強，t(l)代表經過氣體介質光程長l的氣體溫度，表示為吸收光譜的線型函數(shù)并滿足歸一化條件，v是頻率，

21、s(t)代表隨溫度變化的線強；

22、p代表氣體總壓力，x代表氣體濃度，l代表總光程長。

23、所述對高溫燃燒溫度場進行求解，包括：

24、s1、對計算區(qū)域進行離散化，當路徑上介質氣體分布不均勻時，對所述積分吸收面積表達式進行變換，光線經過離散網格內介質氣體的吸收，在第i條激光路徑上，頻率為v的積分吸收面積av,i為：

25、

26、上式中，j為離散網格編號，xv,j代表第j個離散網格內的氣體吸收系數(shù)；p代表氣體總壓力，xj代表第j個離散網格的氣體濃度，lij代表第i條激光束經過第j個離散網格的有效光程長度。

27、將上式改寫為如下矩陣，以進行層析成像；

28、lxv＝av

29、其中，l代表維度為m×n的靈敏度矩陣，m為激光路徑數(shù)，n為網格數(shù)，在測量前根據(jù)激光器的幾何分布計算；xv代表重建參數(shù)矩陣、av代表積分吸收面積矩陣；

30、s2、對s1構建的所述矩陣采用自適應梯度下降算法進行主迭代求解，以進行高溫燃燒溫度場圖像重構，并采用art算法平衡重構溫度場中的數(shù)據(jù)一致性約束和非負約束，所述art算法的數(shù)學描述如下：

31、

32、其中，x(k+1,i)、x(k,i)為第i條激光束在第k+1、第k步的迭代參數(shù)；k表示當前迭代步長；li指所述靈敏度矩陣的第i行；ai是吸光度的第i個元素；λ∈(0,2)是松弛因子，用于控制收斂速度；

33、s3、在重構過程中引入tv函數(shù)平滑約束項作為先驗正則化條件，對于二維重建參數(shù)x，tv函數(shù)平滑約束項為：

34、

35、其中，tv(x)表示重建參數(shù)x的tv函數(shù)平滑約束項的函數(shù)值，x(p,q)代表第p行，第q列的重建參數(shù)，x(p+1,q)代表第p+1行，第q列的重建參數(shù)，x(p,q+1)代表第p行，第q+1列的重建參數(shù)，p,q分別表示重建參數(shù)的行序數(shù)和列序數(shù)；

36、s4、基于所述二維重建參數(shù)x采用雙線測溫法計算每個離散網格的溫度，獲得重構的溫度場。

37、所述自適應梯度下降算法的自適應步長計算包括：

38、按照下式計算當前重構值與上一次重構值之間的差值：

39、

40、da＝|a(n)-a(n-1)|

41、其中，dxart是art算法在主迭代中第n次重構值x(n)art與第n-1次重構值x(n-1)art之間的差值；dxtv是tv函數(shù)平滑約束項的第n次重構值x(n)tv與第n-1次重構值x(n-1)tv的差值；da是第n次主迭代獲得的目標圖像投影積分面積a(n)與第n-1次迭代的投影積分面積a(n-1)之間的差值；

42、按照下式更新所述自適應梯度下降算法中tv函數(shù)平滑約束項的梯度下降迭代步長αtv：

43、

44、其中，參數(shù)α∈(0,1]用于控制第一次主迭代的迭代步長；

45、

46、其中，αred∈(0,1]，γmax∈(0,1]，ε為設定閾值。

47、所述激光控制器、分布反饋式激光器各布置兩個，所述函數(shù)發(fā)生器分別通過兩個輸出通道將調制信號輸入到相應的分布反饋式激光控制器，激光控制器對相應的分布反饋式激光器的輸出波長、光強進行調制。

48、本發(fā)明的有益效果如下：

49、本發(fā)明由可程控的光開關裝置實現(xiàn)64路測量光路的切換，最小切換響應時間可實現(xiàn)10ms，從而提高了重構溫度場的空間和時間分辨率。

50、本發(fā)明采用了相比于紅外探測器具有更大接收靶面的光學積分球，減弱了測量環(huán)境尤其是抖動產生的影響，且不受入射角度的影響，便于實際的安裝和調試，同時采用可控制的64路光開關可以實現(xiàn)光路的快速精準定位，能夠獲得更加全面的光路信息。

51、本發(fā)明積分球探測模塊對激光準直和對準的要求大大降低，即使在極其惡劣的環(huán)境下也能消除接收到的激光信號中的干擾條紋，從而提高激光信號的穩(wěn)定性。該模塊具有相比于傳統(tǒng)紅外探測器更大的接收靶面，在接收信號時能均化光強，最大限度避免測量環(huán)境尤其是振動對光路產生的影響。

52、本發(fā)明的小型化激光發(fā)射模塊，具有多自由度調節(jié)能力，從而緩解了激光功率的衰減。僅用4套光學積分球探測模塊，就可以捕獲整個光路。在如此少的接收器數(shù)量下工作，設備成本明顯降低，而測量的空間分辨率卻顯著提高。

53、本發(fā)明利用結合了art迭代算法的自適應梯度下降重構算法，實現(xiàn)了重構參數(shù)的一致性和非負性約束，同時自適應地控制了tv正則項的梯度下降迭代步長。不僅在重構精度上有所提高，并且在重構時間上有了很大的提升，進而提高了整個系統(tǒng)重構時間和空間分辨率。解決了傳統(tǒng)場重構算法對初值敏感，迭代時間長，還容易陷入局部最優(yōu)解的問題。

54、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。