基于吸收光谱断层诊断技术的气体参数二维重建方法研究

Using absorption spectroscopy tomography technology can measure the gas parameters of combustion flow field under the severe environment of high temperature and high speed, such as gas temperature, concentration, pressure and velocity. However, due to the complexity of the combustion experimental system and the restriction of the space availability, it is very difficult to improve the two-dimensional reconstruction performance by installing large-scale detection instrumentation, it is imperative to establish effective two-dimensional reconstruction approach and analyze the effect law of ray distribution to measurement results, to realize the gas parameter two-dimensional reconstruction under a smaller number of projection rays. This project will investigate two-dimensional reconstruction of gas parameters based on absorption spectroscopy tomography from two aspects, including reconstruction theoretical methods and impact mechanism of ray distribution. We will first establish two-dimensional distribution model of dynamic combustion flow field based on real flow field states, explore new two-dimensional reconstruction approach of gas parameters based on compressed sensing theory, reveal the impact mechanism of multiple parameters of non-uniform flow fields to spectral-line form, explain the effect law of ray distribution to the measurement results, establish two-dimensional measurement system of non-uniform flow fields, and realize real-time two-dimensional measurement of gas parameters. The proposed reconstruction approach and experimental measure method will greatly improve the diagnosis efficiency of combustion flow field, which can provide important theoretical foundation and engineering reference for the application of absorption spectroscopy tomography for the combustion flow field diagnosis.

采用吸收光谱断层诊断技术可以实现高温、高速等恶劣环境条件下燃烧流场气体温度、浓度、压强和速度等多参数的二维测量。然而，由于燃烧实验系统的复杂性和空间可用性的限制，通过安装大规模探测设备以提高二维重建结果质量变得非常困难，迫切需要建立有效的二维重建方法，分析光线分布对测量结果的影响规律，实现投影光线数目较少条件下的气体参数二维测量。本项目从重建理论方法和光线分布影响机理两个方面入手，拟根据实际流场状态建立动态燃烧流场二维分布模型，探索基于压缩感知理论的气体参数吸收光谱断层诊断新方法，揭示非均匀流场多个参数对光谱线型的影响机理，阐述光线分布对测量结果的影响规律，建立非均匀流场二维测量系统，实现对燃烧流场气体参数的实时测量。本项目提出的重建方法和实验测量手段将提高燃烧流场诊断的效率，为吸收光谱断层诊断技术在燃烧流场诊断方面的应用提供重要的理论基础和工程参考。

随着航空航天技术的不断发展和国防建设需求的日益增长，发动机燃烧流场诊断和性能评估受到越来越多的关注。高效的燃烧流场测量手段，可以为提升发动机的燃烧效率提供重要参考。然而，由于燃烧系统的复杂性和空间可用性的限制，安装大规模探测设备以提高重建结果质量变得非常困难，迫切需要建立有效的二维重建方法，分析光线分布对重建结果的影响规律，实现在投影光线数目较少条件下的气体参数二维测量。. 项目以燃烧场气体参数二维分布为研究对象，结合吸收光谱技术和计算机断层诊断技术，探索了吸收光谱断层诊断气体参数新方法，揭示了非均匀流场多个参数对光谱线型的影响机理，阐述了光线分布对测量结果的影响规律，实现了对燃烧流场气体参数的实时二维测量。. 项目围绕气体二维重建方法、光线分布对重建结果的影响规律和二维重建实验三个方面内容开展研究。. 在气体二维重建方法方面，1）针对二维重建正则化过程中计算时间长的问题，将正则化矩阵进行稀疏化处理，有效缩短了二维重建时间；2）针对被测流场温度分布范围大，双波长方法温度灵敏度受限的问题，提出了多条吸收谱线的组合优化方法，提高重建结果质量；3）分析非均匀流场多个参数对光谱线型的影响机理。. 在光线分布对重建结果影响方面，1）研究不同网格数目、光线数目、投影角度和光线分布对重建结果的影响；2）研究平行光束、扇形光束和非规则光线分布方式对重建结果的影响规律，提出光线分布优化策略。. 在二维重建实验研究方面，1）搭建针对标准火焰实验测量系统，对所提出的二维重建方法和优化的光线布局方案进行验证；2）建立超燃冲压发动机燃烧室内流场测量系统，开展瞬态流场气体温度、组分浓度二维测量研究。. 本项目提出的重建方法和实验测量手段，为吸收光谱断层诊断技术在燃烧流场诊断方面的应用提供重要的理论基础和工程参考。