基于TDLAS测量燃烧过程中的多目标光谱诊断关键技术研究

As high sensitivity, high resolution, in-situ and non-contact measurement technology, tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) has been successfully applied to the air pollution detection, medical diagnostics, and chemical reaction process in recent years.With the development of diode lasers and its advantage of low cost, the TDLAS technology has been an increasingly important method for monitoring of combustion process in the industrial applications. Because the spectrum is easy susceptible to the interference of other gases in NIR, especially hot band of water at high temperature, how to extract useful spectral information from the complex background spectrum has been studied by spectroscoptist until now. The project is planned to investigate the algorithm of spacial distribution measurement of the temperature and concentration at high temperature combined with Radon transform inversion, and to study the novel method of extract useful spectral information from the complex background spectrum in order to improve the sensitivity and resolution of TDLAS at high temperature in combustion process. The results could not only directly be applied in the combustion process monitoring, but also expand the application of TDLAS in spacial distribution measurement which has a certain guiding significance.

作为高灵敏度、高分辨率、实时快速、非接触测量的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，最近几年已经成功地应用于大气污染成分探测、医学诊断和化学反应过程等领域。随着半导体激光器的发展及其具备的价格优势，该技术在高温燃烧过程监测应用中日趋受到重视。由于近红外区气体光谱易受其它气体吸收的干扰，特别是高温水汽热带的干扰，因此如何从复杂背景光谱中提取目标光谱信息一直是光谱技术不断努力的方向。本项目拟从理论和实验上研究一种与Radon变换相结合的创新性方法反演测量区域内的温度与浓度分布，同时研究高温复杂光谱干扰情况下提取目标光谱信息的新方法，旨在提高该光谱技术在高温燃烧过程中监测温度和浓度时的分辨率和灵敏度。研究成果不仅在实时燃烧过程监测方面具有重要的直接应用价值，而且在扩展该光谱技术反演测量对象的分布方面也具有普遍指导意义。

做为高灵敏度、高分辨率、实时快速、非接触测量的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，最近几年已经成功地应用于大气污染成分探测、医学诊断和化学反应过程等领域。随着半导体激光器的发展及其具备的价格优势，该技术在高温燃烧过程监测应用中日趋受到重视。由于近红外区气体光谱易受其它气体吸收的干扰，特别是高温水汽热带的干扰，因此如何从复杂背景光谱中提取目标光谱信息一直是光谱技术不断努力的方向。.本项目通过TDLAT实现燃烧场气体分布重建的原理进行研究，以燃烧过程中丰富的副产物H2O作为目标分子，利用“谱线群对”的思想获取所选谱线的光谱信息，并将所选的谱线用TDLAT技术实现燃烧场气体温度和浓度分布的二维仿真重建并通过仿真结果和误差分析确定了其方法的正确性。在此基础上对单峰和双峰高斯模型不同峰值位置的分布重建进行了研究，并对多角度的平行光束的重建结果进行了分析。最后将模拟的结果应用与在测温区间内具有不同相对灵敏度的谱线群对，对所选谱线相对灵敏度的大小对温度场重建误差的影响进行了研究，为提高温度分布重建的精确度提供了一定的参考。.通过结合CT和TDLAS技术，搭建单路温度测量实验装置，和预平面火焰炉燃烧气体分布重建的测量系统来实现燃烧场的气体分布重建。在水平和竖直两个方向5*5的光路在探测器紧密排列的情况下，总的重建区域面积为250mm ×250mm，重建区域内包括60mm的燃烧火焰炉。燃烧火焰炉放置在所要重建的目标区域的不同位置气体温度浓度二维分布也得到了重建。同时又改变光路数和改变火焰炉中的气体流量比，分别对气体分布进行了重建。最后，利用实时采集的多组实验数据对燃烧火焰炉的稳定性进行了一定的分析。从实验的结果看，其重建出来的位置和温度浓度的大致范围是符合实际的实验环境，确定了基于可调谐半导体激光吸收光谱与计算层析断层扫描相互结合实现燃烧场燃烧副产物水汽温度和浓度二维分布重建的可行性，研究成果可用于优化燃烧控制和提高燃烧效率，从而达到减排的目标。