超音速流场激光光谱诊断中的温度/压力修正方法研究

Oxygen is the oxidizer for the aeroengine combustion of most ramjet. The real time measurement of inlet oxygen mass and flux for the accurate calculation of oxygen velocity and concentration is vital to control aeroengine fuel supply and improve combustion efficiency. Laser spectroscopy makes up for the shortcomings of traditional sensors because it is more adaptive to environment and has a prominent advantage for oxygen detection. However, the large scale fluctuation of inlet gas pressure and temperature during supersonic flight would be a challenge to obtain accurate measurement of oxygen. .The research aims to develop the method of oxygen pressure and temperature correction during oxygen mass flow measurement based on laser spectroscopy under the urgent need for supersonic flow diagnoses in the study of aeroengine. The research contents include: the method of temperature retrieval and correction based on oxygen absorption spectroscopy; the method of oxygen molecule concentration retrieval based on spectrum parameters fitting; the method of flow velocity measurement based on Doppler shift of the absorption line center frequency; the method of temperature correction in high temperature gas concentration detection; the method of spectrum retrieval for the elimination of effects of gas pressure changes for the fast, real-time, and accurate measurement of oxygen mass flow in supersonic flow. .The research gives a full play of advantages of TDLAS technique, including non-intrusive measurement, fast time response, high sensitivity. This would provide new technological support for aeroengine research and development.

氧气是大部分飞行器发动机燃烧过程中必需的氧化剂，对发动机进气道氧气浓度和流速进行在线实时监测、准确获取氧气的质量流量是控制发动机燃料供给、优化发动机燃烧效率的关键。激光光谱技术弥补了传统传感器环境适应性等不足，氧气探测优势明显。但是，超音速飞行过程中气体的压力、温度波动较大，影响氧气测量的准确性。.本申请针对航空航天发动机研究中超音速流场诊断的迫切需求，对激光光谱氧气质量流量监测中温度和压力修正方法进行研究：研究分子吸收谱线的氧气温度反演与修正方法，研究基于特征光谱拟合的氧气分子数浓度快速反演方法，研究基于氧气分子吸收谱线频移的气流流速测量方法，研究高温气体浓度探测中的温度修正方法，研究消除气压变化影响的光谱反演方法，实现对超音速气流氧气质量流量的快速、在线、准确测量。.本项目充分发挥半导体激光光谱测量非浸入式测量、响应速度快、灵敏度高等优势，为航空航天发动机研究与发展提供新的技术支持。

氧气是大部分飞行器发动机燃烧过程中必需的氧化剂，对发动机进气道氧气浓度和流速进行在线实时监测、准确获取氧气的质量流量是控制发动机燃料供给、优化发动机燃烧效率的关键。激光光谱技术弥补了传统传感器环境适应性等不足，用于氧气探测优势明显，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体温度、浓度和流速测量系统应用日趋成熟。但是，超音速飞行过程中、冲压发动机进气道内气体的压力、温度波动较大，这严重影响氧气质量流量测量的准确性。.本项目针对我国航空航天发动机对氧气浓度及其质量流量监测的需求，开展基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的氧气浓度和流速在线监测中影响测量精度的温度和气压修正方法研究。根据项目研究计划、按照时间先后顺序主要开展了以下研究：根据冲压发动机的结构和工作特点，研究了超音速流场的温度压力特征和基本参数；根据超音速流场中氧气质量流量测量的要求和各种组分参数，确定了激光器波长扫描范围和吸收谱线对，对半导体激光器调制特性进行了研究并对调制过程中的非线性进行了补偿，补偿后的λI曲线线性度良好，线性拟合残差不到1pm，大大降低由失真带来的参数测量误差；在此基础上确定了“双光谱吸收谱线对”流场测量方案，两个激光器（波长分别为764nm和759nm）合束后复用同一套光路，再采用时分复用方式轮流获取吸收谱线对、实现两组谱线对在高温和低温氧气测量中的优势互补；研究了高温氧气吸收谱线特性，分析并验证了不同吸收谱线的线强与温度的关系；研究了高压氧气谱线特性，利用高压气体吸收池验证了气压和谱线展宽的正比关系；设计了气体质量流量探测系统方案，研究了气体浓度测量的温度压力修正方法，提出了发动机进气道隔离段流场中氧气质量流量的测量步骤；研究了气体浓度流速测量中的微弱信号处理方法，设计了一种改进的平衡探测方法，在平衡探测的基础上提出了提高吸收光谱信噪比、简化气体浓度反演过程的“二阶导数谱”方法，该方法用FIR数字滤波算法实现，与传统直接吸收法相比，信噪比改善约20dB。.高温炉、高压气池及风洞实验证明，本研究提出的超音速流场参数测量方案及其温度压力修正方法可以实现氧气质量流量的快速在线监测、并有效提高基于半导体激光吸收光谱技术的流场参数检测准确度，为航空航天发动机研究提供技术支持，为发展适用于飞行器的氧气质量流量快速在线监测技术奠定基础，为航空航天发动机优化控制等研究提供新的方法。