[发明专利]基于主被动光学层析融合探测的火焰多参数场协同测量方法

说明书

基于主被动光学层析融合探测的火焰多参数场协同测量方法，属于高温热辐射测量技术领域。为了目前还没有一种火焰温度、组分浓度及压力等多参数三维空间分布测量方法。本发明所述方法通过探测到的红外可调谐激光投射信号，采用红外激光层析吸收光谱求解得到火焰的光谱辐射物性参数分布，结合由红外光场相机探测到的火焰光场辐射图像信号，通过反问题求解得到高温火焰的三维温度场，再根据红外吸收光谱的比尔郎伯特定律的解耦形式，由激光探测信号以及多参数协同重建的反问题求解思路，求解得到火焰的组分浓度及压力场分布。本发明用于实现对高温火焰的多个参数的协同重建。

技术领域

本发明属于高温热辐射测量技术领域，具体涉及一种火焰多参数场的测量方法。

背景技术

高温燃烧现象广泛存在于航空航天、能源动力、钢铁冶金、化工等领域，如火箭发动机、燃气轮机、内燃机、电站锅炉、煤气化反应器等高温设备中。火焰温度场的测量对于燃烧诊断具有十分重要的意义。火焰温度场检测精度受火焰内部半透明介质(CO₂、H₂O、CO等气体，燃烧生成物、添加剂等粒子)物性参数场(吸收系数、散射系数、粒子复折射率)的影响，而这些辐射物性场参数既是光谱函数，也是温度函数，同时又与浓度场、压力场等参数场密切相关。由于多相流动和高温化学反应引起的燃烧火焰本身瞬时脉动，导致火焰温度场、物性场、浓度场和压力场等多物理场均表现为强烈的瞬时脉动特性。因此，对火焰温度场进行检测的同时必须对物性场、浓度场和压力场等多物理场进行在线协同测量。

目前针对高温火焰的燃烧诊断技术主要以非接触式测量方法为主，大体上可分为基于辐射图像法的被动层析探测方法和基于激光光谱的主动层析探测方法两类。由于燃烧火焰自身可向外释放包含丰富内部信息的辐射信号，利用CCD、外热像仪等探测器即可捕捉探测到这些信号。基于激光的主动光学层析探测方法则是采用激光经过高温火焰时物理特性的变化作为探测信号，基于不同方向上的激光探测投影信号。

由于火焰多物理场之间相互耦合关联，瞬时多物理场同时重建过程存在“强非线性、高欠定性、高串扰、大计算量”等瓶颈问题，导致火焰多物理量场三维在线协同检测十分困难。而单一的主、被动层析探测方法受限于探测器的空间布置、光谱辐射物性参数的已知性等问题，无法实现对高温火焰的温度、组分浓度及压力等多参数三维空间分布测量。目前还无已知的相关火焰探测技术可实现高精度高效率的火焰温度、组分浓度及压力等多参数三维空间分布测量。

发明内容

本发明为了目前还没有一种火焰温度、组分浓度及压力等多参数三维空间分布测量方法，提出了一种基于主被动光学层析融合探测的火焰瞬时多物理场协同测量方法及装置。

基于主被动光学层析融合探测的火焰多参数场协同测量装置，包括：可调谐二极管激光控制器、波分复用光纤、光电探测器、红外光场相机，以及数据采集处理系统；数据采集处理系统为一台计算机；

波分复用光纤一端连接激光阵列；

可调谐二极管激光控制器的输出端口连接至波分复用光纤的输入端；

波分复用光纤连接的激光阵列与光电探测器均匀布置布在火焰周围，以火焰为中心呈对称分布；

光电探测器的光电探测信号输出端连接至数据采集处理系统；

红外光场相机布置在火焰的可探测区域，其辐射光场图像信号的输出端连接至数据采集处理系统。

基于主被动光学层析融合探测的火焰多参数场协同测量方法，是基于主被动光学层析融合探测的火焰多参数场协同测量装置实现的；所述方法包括以下步骤：

步骤一：调整电流输入，开启可调谐二极管激光控制器，使激光阵列发出的连续激光按着设计光路沿光纤入射到火焰区域，使激光阵列围绕火焰旋转，每次旋转n°，直至激光阵列返回初始位置，光电探测器随激光阵列同步旋转，每次旋转由光电探测器采集一次激光的透射信号并将探测信号输出至数据采集处理系统记录并处理，得到激光测量信号I_l；