基于光纤环形腔结构的发动机内气体腔增强吸收光谱技术研究

Measurement of weak-absorption, low-concentration gas in aeroengines has been a bottleneck to the development of laser absorption spectroscopic technique. An advisable solution scheme is to use the optical resonant cavity to enhance the detection sensitivity by increasing the absorption path. This project proposes a cavity enhanced absorption spectrum measurement system consisting of a fiber ring cavity, which can overcome the limitations of the FSR in the former optical resonant cavity constructed by a couple of mirrors. Then a mathmatical model is estabished about this fiber ring cavity enhanced absorption spectroscopy system.The research of the oxygen's absorption properties near 760nm is carried on based on this fiber ring cavity enhanced absorption spectroscopy system.fiber ring cavity enhanced absorption spectrum measurement methods are studied under a favorable condition that FSR is controllable. And experimental research is carried out in shock tube or engine platform. The researches for fiber ring cavity enhanced absorption spectroscopy in this project lay a solid technical foundation for the engineering application of the cavity enhanced absorption spectroscopy, have the important theoretical significance and engineering value.

在航空发动机内对弱吸收、低浓度气体的测量一直是激光吸收光谱测量技术发展的一个瓶颈问题。利用光学谐振腔来增大吸收光程是非常好的提高检测灵敏度的方法，但是现有的光学谐振腔都是利用镜面构建，可靠性差，FSR受限于腔长。本项目提出利用光纤环形腔构建腔增强吸收光谱测量系统，克服FSR的局限，建立光纤环形腔增强吸收光谱系统的数学模型，并利用该系统对760nm附近氧气光谱吸收特性进行研究，研究在FSR可控条件下光纤环形腔增强吸收光谱测量方法，开展基于激波管或发动机等实际工程平台的实验研究。项目研究将为腔增强吸收光谱技术走向实用化奠定坚实的技术基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。

在发动机燃烧流场诊断应用中，氧气浓度测量对于判断发动机工作性能、指导发动机设计改进等有着重要的意义。然而目前发动机内部氧气的TDLAS测量仍然面临着吸收信号非常弱的问题。这主要由三个方面造成，一是氧气对近红外波段激光的吸收谱线强度很弱，且随燃烧温度的升高而减小；二是发动机内的氧气经过燃烧之后，浓度很小；三是发动机内部尺寸非常有限，吸收光程很短。.本课题针对燃烧平台上氧气测量所面临困难开展了氧气吸收腔增强技术研究。提出了基于光纤环形腔结构吸收增强方案，从理论上给出了光纤环形腔增强吸收光谱模型，搭建了测量系统，但由于光纤端面耦合效率极低和光纤内部损耗大等原因，无法有效获取吸收增强信号。提出了采用光纤环与反射镜相结合的腔增强方案，建立了实验室平台和激波管平台的测量系统，校正了光学腔的腔镜反射率，在实验室平台上验证了该腔增强测量对氧气浓度测量的有效性，误差在5%以内，获得了明显得吸收增强效果，在激波管平台上开展了静态条件和破膜条件实验，有效测量到正反激波到达前后激波管内部氧气浓度的变化情况，验证了该腔增强测量系统在工程应用中可靠性。.该课题发展的氧气光谱吸收腔增强测量系统，在航空航天发动机流场诊断方面有重要的应用价值。本课题的研究为发动机内部氧气测量提供了可行的方案，并且验证了该方案在工程应用中的可靠性，为后续发动机燃烧诊断研究提供技术支撑和有效工具。