一种同时测量气体温度和速度的光学测量方法

本发明涉及光散射与光谱技术，尤其涉及一种基于虚拟成像相位阵列(vipa)标准具的同时测量气体温度和速度的光学测量方法。

背景技术：

1、在大气监测中，飞行员需要准确的气象信息来进行航线规划、飞行高度的选择以及飞行操作，温度和风速的信息对于飞行员来说尤为关键。在喷气发动机检测中，气体温度速度可用于防止过热和过冷、确定发动机吸气和排气速度，有助于评估发动机的效率和性能。在燃烧场监测中，对于航空发动机超高温尾焰，准确控制燃烧尾焰中的气体温度和速度对于确保燃烧效率和排放控制在理想范围内至关重要。目前有众多接触式和非接触式的测量方法，其中基于激光的瑞利布里渊散射光谱测温和测速方法是代表之一，但对于温度速度的同时测量缺乏一定的研究手段。

2、目前存在的自发瑞利布里渊散射光谱探测技术中,多使用扫描光栅单色仪、光拍频方法及扫描法布里-珀罗标准具进行光谱探测，这些方法可同时满足光谱分辨率和消光比的精确需求,但由于需要对波长进行扫描,获取完整的光谱信息时需要相对较长的时间，根据插入损耗不同可能需要几分钟到几小时不等,使得自发瑞利布里渊光谱探测限制在了点采样及静态测量的范围。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种同时测量气体温度和速度的光学测量方法，基于虚拟成像相位阵列(vipa)标准具实现自发瑞利布里渊散射信号的快速探测，缩短自发瑞利布里渊光谱的采集时间，以解决现有的散射信号探测领域的部分局限性，实现实时或近实时的光谱监测和动态变化分析。

2、本发明的目的是这样实现的。一种同时测量气体温度和速度的光学测量方法，窄线宽激光器输出窄线宽单纵模连续激光，通过分光镜分为两束，其中一束作为参考光经参考光路耦合进入第一多模光纤，另一束作为激发光入射到待测气体中，并与其相互作用产生瑞利布里渊散射，近后向180°的散射光经第一圆楔形棱镜、第二圆楔形棱镜提供12°偏向角调整光线角度，使散射光近似平行于收光光轴，通过长焦距透镜使散射光准直为近似平行的光束，经空间滤波系统滤除部分杂散光，通过光纤耦合系统将空间传输的散射光耦合进入第二多模光纤，传输至光纤准直器准直为平行光，入射至基于vipa标准具的分光系统进行二维光谱成像分析，由信号采集与处理系统对自发瑞利布里渊散射谱进行采集分析；通过自发瑞利布里渊散射的理论模型得到温度，同时通过多普勒效应的多普勒频移得到速度；

3、所述自发瑞利布里渊散射的理论模型得到温度，是由tenti s6模型对自发瑞利布里渊散射谱线进行拟合，以温度为唯一变量寻求最佳拟合值反演温度；

4、所述多普勒效应的多普勒频移得到速度，是由激光光源和气体分子发生相对运动时，激光作用于运动气体分子产生的散射光相对于入射激光发生多普勒频移，其频移量与气体运动的速度、散射光与入射光之间的夹角有关，并服从以下公式：

5、从运动的气体分子观察到的入射激光频率v′为：

6、

7、同样，在接收端观察运动气体分子产生的散射光，此时散射光作为运动的光源又经过一次多普勒频移，其频率v″为：

8、

9、因此，接收到的散射光相对于入射激光的多普勒频移vd为：

10、

11、其中，c表示光速，v0表示入射激光的频率，v表示气体分子的平均速度，θi和θr分别表示入射光方向与气体分子的速度方向的夹角和散射光方向与运动气体微粒的速度方向的夹角；

12、而对于近后向180°散射条件下有θi＝θr＝θ，多普勒频移νd简化为：

13、

14、其中多普勒频移νd由参考光束与瑞利峰的频率差得到。

15、进一步，所述分光镜的分光比为90:10，其10％能量的部分经由衰减片、第一透镜和第一光纤法兰盘依次排列组成的参考光路进入第一多模光纤7并由所述光纤准直器射出，对所述基于vipa标准具的分光系统进行调节以及作为多普勒频移为零的参考光束；90％能量的部分入射到待测气体中。

16、进一步，所述空间滤波系统依次由第二透镜、狭缝以及第三透镜排列组成，通过长焦透镜准直的近似平行光束经所述第二透镜汇聚至其焦点，所述狭缝位于其焦点处滤除杂散光，而后经所述第三透镜准直为平行光。

17、进一步，所述光纤耦合系统依次由非球面透镜和第二光纤法兰盘排列组成，所述非球面透镜用于降低系统球差，使空间光束更好的耦合进入所述第二光纤法兰盘。

18、进一步，所述基于vipa标准具的分光系统依次由柱面聚焦透镜、vipa标准具和衍射光栅排列组成，经光纤准直器出射的平行光经过所述柱面聚焦透镜汇聚成线型光束，在其焦点处进入所述vipa标准具，在所述vipa标准具内部前后表面经多路反射产生光路延迟增加的输出光束阵列，而后经过所述衍射光栅将光束在其正交方向以角度色散展开进行二维光谱成像分析。

19、进一步，所述信号采集与处理系统依次由成像透镜、ccd相机和计算机排列组成，所述成像透镜将基于vipa标准具的分光系统进行二维光谱成像分析后的散射光谱信号汇聚到所述ccd相机的探测像面，所述ccd相机将散射光谱信号转换为映射在二维平面上的电压信号，并通过所述计算机对自发瑞利布里渊散射谱进行采集分析。

20、进一步，所述待测气体为不同使用场景所产生的检测对象，包括：在实验研究中的高低压和高低温及其组合的气室、气体燃烧场和风洞；在航空领域中的发动机排气和尾焰燃烧状态；在大气监测领域中的地面对大气层的测量和飞行器前方大气状态。

21、与现有技术相比，本发明的优势如下：

22、采用vipa标准具,突破了波长扫描的限制，插入损耗低且可同时采集所需光谱的全部频率,获取自发瑞利布里渊光谱只需几秒钟甚至更短，大大缩短了自发瑞利布里渊光谱的采集时间，使得实时或近实时的光谱监测和动态变化分析成为可能。由于vipa的特殊结构，能够在几秒钟甚至更短的时间内获取所需光谱范围内的信息，实现快速的光谱频率分析，并且其具有高色散效率和色散力度，可以根据频率将光分离到不同的角度，而衍射光栅可以进一步将不同波长的光以角度分散成不同的空间位置，将vipa标准具和衍射光栅正交组合实现更高的分辨率，以及通过ccd相机捕获整个光谱范围内的信息，将光强度与位置关联起来，从而快速且精确地分辨自发瑞利布里渊光谱中不同频率的成分。可以在多种不同的场景和用途中使用，增加了其实用性和价值；降低了需求多个不同解决方案的成本，从而节省资源；可以适应不同的环境和需求，提供更大的灵活性。

技术特征：

1.一种同时测量气体温度和速度的光学测量方法，其特征在于，窄线宽激光器(1)输出窄线宽单纵模连续激光，通过分光镜(2)分为两束，其中一束作为参考光经参考光路(3)耦合进入第一多模光纤(7)，另一束作为激发光入射到待测气体(8)中，并与其相互作用产生瑞利布里渊散射，近后向180°的散射光经第一圆楔形棱镜(9)、第二圆楔形棱镜(10)提供12°偏向角调整光线角度，使散射光近似平行于收光光轴，通过长焦距透镜(11)使散射光准直为近似平行的光束，经空间滤波系统(12)滤除部分杂散光，通过光纤耦合系统(16)将空间传输的散射光耦合进入第二多模光纤(19)，传输至光纤准直器(20)准直为平行光，入射至基于vipa标准具的分光系统(21)进行二维光谱成像分析，由信号采集与处理系统(25)对自发瑞利布里渊散射谱进行采集分析；通过自发瑞利布里渊散射的理论模型得到温度，同时通过多普勒效应的多普勒频移得到速度；

2.根据权利要求1所述的同时测量气体温度和速度的光学测量方法，其特征在于，所述分光镜(2)的分光比为90:10，其10％能量的部分经由衰减片(4)、第一透镜(5)和第一光纤法兰盘(6)依次排列组成的参考光路3进入第一多模光纤(7)并由光纤准直器(20)射出，对基于vipa标准具的分光系统(21)进行调节以及作为多普勒频移为零的参考光束；90％能量的部分入射到待测气体(8)中。

3.根据权利要求1所述的同时测量气体温度和速度的光学测量方法，其特征在于，所述空间滤波系统(12)依次由第二透镜(13)、狭缝(14)以及第三透镜(15)排列组成，通过长焦透镜(11)准直的近似平行光束经所述第二透镜(13)汇聚至其焦点，所述狭缝(14)位于其焦点处滤除杂散光，而后经所述第三透镜(15)准直为平行光。

4.根据权利要求1所述的同时测量气体温度和速度的光学测量方法，其特征在于，所述光纤耦合系统(16)依次由非球面透镜(17)和第二光纤法兰盘(18)排列组成，所述非球面透镜(17)用于降低系统球差，使空间光束更好的耦合进入所述第二光纤法兰盘(18)。

5.根据权利要求1所述的同时测量气体温度和速度的光学测量方法，其特征在于，所述基于vipa标准具的分光系统(21)依次由柱面聚焦透镜(22)、vipa标准具(23)和衍射光栅(24)排列组成，经光纤准直器(20)出射的平行光经过所述柱面聚焦透镜(22)汇聚成线型光束，在其焦点处进入所述vipa标准具(23)，在所述vipa标准具(23)内部前后表面经多路反射产生光路延迟增加的输出光束阵列，而后经过所述衍射光栅(24)将光束在其正交方向以角度色散展开进行二维光谱成像分析。

6.根据权利要求1所述的同时测量气体温度和速度的光学测量方法，其特征在于，所述信号采集与处理系统(25)依次由成像透镜(26)、ccd相机(27)和计算机(28)排列组成，所述成像透镜(26)将基于vipa标准具的分光系统(21)进行二维光谱成像分析后的散射光谱信号汇聚到所述ccd相机(27)的探测像面，所述ccd相机(27)将散射光谱信号转换为映射在二维平面上的电压信号，并通过所述计算机(28)对自发瑞利布里渊散射谱进行采集分析。

7.根据权利要求1所述的同时测量气体温度和速度的光学测量方法，其特征在于，所述待测气体(8)为不同使用场景所产生的检测对象，包括：在实验研究中的高低压和高低温及其组合的气室、气体燃烧场和风洞；在航空领域中的发动机排气和尾焰燃烧状态；在大气监测领域中的地面对大气层的测量和飞行器前方大气状态。

技术总结
本发明公开了一种同时测量气体温度和速度的光学测量方法，窄线宽激光器输出窄线宽单纵模连续激光，通过光纤耦合系统将空间传输的散射光耦合进入第二多模光纤，传输至光纤准直器准直为平行光，入射至基于VIPA标准具的分光系统进行二维光谱成像分析，由信号采集与处理系统对自发瑞利布里渊散射谱进行采集分析；通过自发瑞利布里渊散射的理论模型得到温度，同时通过多普勒效应的多普勒频移得到速度。本发明大大缩短了自发瑞利布里渊光谱的采集时间，使得实时或近实时的光谱监测和动态变化分析成为可能，可以在多种不同的场景和用途中使用，降低了需求多个不同解决方案的成本，从而节省资源；可以适应不同的环境和需求，提供更大的灵活性。

技术研发人员：吴涛,皮偲豪,闫宏达,叶谌雯,何兴道
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15