CN114235155A - 一种基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃烧场二维重建技术领域，具体涉及一种基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法。本发明的一种基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，包括以下步骤：S1：流场建模；S2：吸收谱线积分吸光度替代；S3：利用多条吸收谱线组合求解温度的二维分布。本发明提供的基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，可以解决现有多光谱重建中存在的由于选取的光谱类型和数量不合适导致的重建精度低的技术问题，提高了宽范围温度和组分浓度的二维测量精度。

Description

一种基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法
技术领域
本发明涉及燃烧场二维重建技术领域，特别是一种基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法。
背景技术
在吸收光谱测量温度时，一般需要2条吸收谱线即可以测量出沿着光路上的温度和组分浓度的平均值；通过在同一平面内增加不同角度的投影光线，利用重建算法即可以得到温度和组分的二维分布。
当被测区域的温度范围变化较大时，如在桌面测量中，测量区域往往涵盖常温区域和燃烧的高温区域(温度大于1000K)，采用两条吸收谱线进行温度场二维重建时，往往会遇到以下情况：当高温区域范围占比不大时，若采用低温谱线对(由两条能级低的谱线构成)测量温度时，由于能级低的谱线在高温区域，吸收谱线强度变化量小灵敏度度降低，会导致高温区域测量不准。若采用高温谱线对(由一条能级低的谱线和一条能级高的谱线构成)测量时，由于能级高的谱线在低温区域吸收谱线强度弱，测量信噪比低，很难测到信号，导致投影光线数目减少，影响被测区域的重建结果甚至难以实现对被测区域的温度和组分浓度的二维分布测量。
目前，基于多条吸收谱线测量已经有部分研究，但是存在各种问题：
1.Ma等人(Ma,et al,Applied Optics,2008,47(21)3751-3759)提出了基于多条谱线的超光谱测量流场二维分布的测量方法，此方法是利用优化算法求解非线性方程，计算量大，重建时间较长；
2、宋俊玲等人(宋俊玲等，红外与激光工程，2019，48(3)0306004)提出了一种光谱组合优化方法，但只是简单的将3条吸收谱线进行组合、人为划分重建区域组合重建结果，无法根据实际情况或者数据结果进行区分温度的低温和高温区域。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于解决现有技术中下态能级高的高温谱线信噪比在测量低温区信噪低、低温谱线测量高温区误差大、只采用两条吸收谱线无法准确测量宽温度范围被测流场温度和组分浓度分布的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，包括以下步骤：
S1：流场建模；
S2：吸收谱线积分吸光度替代；
S3：利用多条吸收谱线组合求解温度的二维分布。
其中，步骤S1包括:
S11：仿真一个与实际被测区域相同温度和组分浓度的二维分布流场；
S12：确定光线分布方式；
S13：选取需要测量的特征分子的多条吸收谱线，且下态能级涵盖低能级和高能级；
S14：计算每条吸收谱线对应每条光线的积分吸光度。
其中，步骤S2包括:
S21：找到下态能级高的吸收谱线对应的积分吸光度小于设定阈值对应的光线M；
S22：利用低温谱线对求解光线M对应的平均温度和组分浓度；
S23：利用求解的平均温度和组分浓度，求解光线M对应高温谱线的平均积分吸光度A3_avg；
S24：将光线M对应的高温谱线的仿真积分吸光度A3_sim与平均积分吸光度A3_avg进行曲线拟合；
S25：利用拟合曲线L求解高温谱线对应光线M的积分吸光度A3_sim_mod。
其中，步骤S3包括:
S31：利用低温谱线对求解温度和组分浓度二维分布；
S32：利用高温谱线对求解温度和组分浓度二维分布，其中积分吸光度小于设定阈值的采用A3_sim_mod替代；
S33：计算光线M穿过的网格，将其温度和组分浓度结果采用低温谱线对求解结果，其他网格结果为采用高温谱线对的求解结果。
其中,步骤S13中的吸收谱线的数目为3条，步骤S2和步骤S3中的设定阈值选取0.001cm-1。
有益效果
本发明提供的基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，可以解决现有多光谱重建中存在的由于选取的光谱类型和数量不合适导致的重建精度低的技术问题，提高了宽范围温度和组分浓度的二维测量精度。
附图说明
图1是本发明测量宽范围温度二维分布方法的流程图。
图2是本发明流场建模的流程图。
图3是本发明吸收谱线积分吸光度替代的流程图。
图4是本发明求解温度的二维分布的流程图。
图5是本发明实施例中原始模型温度二维分布图。
图6是本发明实施例中原始模型组分浓度二维分布图。
图7是本发明实施例中的流场光线分布图。
图8是本发明实施例中吸收谱线3积分吸光度小于0.001cm-1的光线M图。
图9是本发明实施例中ax0与A3_avg_norm的拟合曲线图。
图10是本发明实施例中A3_sim、A3_avg与A3_sim_mod计算结果图，其中实线部分表示A3_sim，左图中圆圈表示A3_avg，右图中圆圈表示A3_sim_mod。
图11是本发明实施例中不同谱线温度和组分浓度重建结果图。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，包括以下步骤：
S1：流场建模；
S2：吸收谱线积分吸光度替代；
S3：利用多条吸收谱线组合求解温度的二维分布。
如图2所示，步骤S1包括：
S11：仿真一个与实际被测区域相同温度和组分浓度的二维分布流场；
S12：确定光线分布方式；
S13：选取需要测量的特征分子的多条吸收谱线，且下态能级涵盖低能级和高能级；
S14：计算每条吸收谱线对应每条光线的积分吸光度。
如图3所示，步骤S2包括:
S21：找到下态能级高的吸收谱线对应的积分吸光度小于设定阈值对应的光线M；
S22：利用低温谱线对求解光线M对应的平均温度和组分浓度；
S23：利用求解的平均温度和组分浓度，求解光线M对应高温谱线的平均积分吸光度A3_avg；
S24：将光线M对应的高温谱线的仿真积分吸光度A3_sim与平均积分吸光度A3_avg进行曲线拟合；
S25：利用拟合曲线L求解高温谱线对应光线M的积分吸光度A3_sim_mod。
如图4所示，步骤S3包括:
S31：利用低温谱线对求解温度和组分浓度二维分布；
S32：利用高温谱线对求解温度和组分浓度二维分布，其中积分吸光度小于设定阈值的采用A3_sim_mod替代；
S33：计算光线M穿过的网格，将其温度和组分浓度结果采用低温谱线对求解结果，其他网格结果为采用高温谱线对的求解结果。
下面结合一个实施例对本发明的基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法进行具体说明。
实施例
本实施例中的吸收谱线数目为3条，设定阈值选取0.001cm-1。
步骤1：流场建模即初始化
1.1仿真一个与实际被测区域相同的温度和组分浓度二维分布流场，确定光线分布情况，原始模型分布如图5和图6所示，光线分布如图7所示。
1.2选取H2O的3条吸收谱线，计算每条光线对应的吸收谱线的积分吸光度，计算吸光度公式如下：
Figure BDA0003351404840000041
其中，Sv为吸收谱线强度，T为温度，P为压强，l为光线穿过网格的长度，Av为积分吸光度。
选取吸收谱线参数：
Figure BDA0003351404840000051
步骤2：吸收谱线替代过程
2.1.根据实验中积分吸光度小于0.001cm-1时，信噪比较低，实验中较难测量出来，根据1.2仿真的积分吸光度，找到吸收谱线3(即下态能级较高)积分吸光度小于0.001cm-1对应的光线M(表示为1条或者多条光线)，这些光线对应的区域温度为低温区域，如图8所示。
2.2.利用吸收谱线1和2计算光线M对应的积分吸光度，根据公式
Figure BDA0003351404840000052
Figure BDA0003351404840000053
可以求出光线M穿过区域的平均温度和组分浓度。
2.3.将步骤2.2计算的温度和组分，带入公式(1)，求出吸收谱线3对应的积分吸光度A3_avg。
2.4.在2.1节中吸收谱线3对应的实际(仿真结果)对应的积分吸光度为A3_sim，将步骤2.3得到的A3_avg和A3_sim的分别除以对应光线穿过网格的长度，标记为A3_avg_norm和A3_sim_norm，得到比值ax0＝A3_avg_norm./A3_sim_norm，对ax0进行曲线拟合得到拟合曲线L如图9所示。
2.5利用拟合曲线L和A3_avg_norm重新计算得到A3_sim_mod_norm，此时并不包含长度信息，再乘以对应的长度，得到A3_sim_mod，此数值即为利用实验中的下态能级低的两条吸收谱线替代下态能级高谱线获得的积分吸光度。
图10中实线部分为通过吸收谱线3对应的实际(仿真结果)对应的积分吸光度为A3_sim，左图中圆圈值为A3_avg，右图中的圆圈值为A3_sim_mod，可以看到，通过修正，利用低温值获得积分吸收面积接近真实结果A3_sim。
步骤3：利用激光光谱组合求解温度二维分布
3.1利用低温谱线对(谱线1和谱线2)的积分吸光度，根据代数迭代算法可以计算流场温度T12和组分浓度的二维分布χ12；
3.2利用高温谱线对(谱线2和谱线3)的积分吸光度(谱线3积分吸光度不包含小于0.001cm-1)，以及步骤2.5获得的A3_sim_mod，用于补充谱线3积分吸光度小于0.001cm-1的光线，根据代数迭代算法得到利用谱线2和谱线3获得的流场温度T23和组分浓度的二维分布χ23；
3.3温度与组分替代过程，找到谱线3积分吸光度小于0.001cm-1的光线穿过的所有网格，这些网格用高温谱线3是无法测出来的，说明网格温度区域为低温区域，适用于低温谱线测量，这些网格的重建温度为T′12和组分浓度的二维分布χ′12，其他网格为T′23和组分浓度的二维分布χ′23，构成新的重建温度(T′12，T′23)和组分浓度(χ′12，χ′23)。
利用低温谱线对、高温谱线对以及多条吸收谱线组合测量温度后的结果如图11所示。
计算重建结果偏差，计算偏差公式为
Figure BDA0003351404840000061
其中，M、N分别为x、y两个方向的网格数目，f为被测区域的物理特性(温度、浓度等)，“cal”表示重建结果，“orig”为初始值。
计算上述三种情况的误差如表1所示：
表1温度和浓度重建结果
温度结果 浓度结果
1+2 0.1070 0.1439
2+3 0.0976 0.1858
组合 0.0767 0.1270
从表1和图11可以得出，采用本发明提出的多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，在实际应用中可以有效提高重建结果质量。此外，吸收谱线的数目可以根据实际情况选择，并不限于3条，设定阈值可以根据实际测量设备的情况进行选择，并不限于0.001cm-1。0.001cm-1是目前测量设备能够测量的最低值，随着测量设备的发展，测量最低值也会随之降低，但这并不会影响本发明测量宽范围温度二维分布方法的实施。
以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用来限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：流场建模；
S2：吸收谱线积分吸光度替代；
S3：利用多条吸收谱线组合求解温度的二维分布。
2.根据权利要求1所述的基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，其特征在于，步骤S1包括:
S11：仿真一个与实际被测区域相同温度和组分浓度的二维分布流场；
S12：确定光线分布方式；
S13：选取需要测量的特征分子的多条吸收谱线，且下态能级涵盖低能级和高能级；
S14：计算每条吸收谱线对应每条光线的积分吸光度。
3.根据权利要求2所述的基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，其特征在于，步骤S13中的吸收谱线的数目为3条。
4.根据权利要求1所述的基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，其特征在于，步骤S2包括:
S21：找到下态能级高的吸收谱线对应的积分吸光度小于设定阈值对应的光线M；
S22：利用低温谱线对求解光线M对应的平均温度和组分浓度；
S23：利用求解的平均温度和组分浓度，求解光线M对应高温谱线的平均积分吸光度A3_avg；
S24：将光线M对应的高温谱线的仿真积分吸光度A3_sim与平均积分吸光度A3_avg进行曲线拟合；
S25：利用拟合曲线L求解高温谱线对应光线M的积分吸光度A3_sim_mod。
5.根据权利要求4所述的基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，其特征在于，步骤S3包括:
S31：利用低温谱线对求解温度和组分浓度二维分布；
S32：利用高温谱线对求解温度和组分浓度二维分布，其中积分吸光度小于设定阈值的采用A3_sim_mod替代；
S33：计算光线M穿过的网格，将其温度和组分浓度结果采用低温谱线对求解结果，其他网格结果为采用高温谱线对的求解结果。
6.根据权利要求4或5所述的基于多条吸收谱线测量宽范围温度二维分布的方法，其特征在于，设定阈值选取0.001cm-1。
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