(一)本发明提出一种基于激光吸收光谱的发动机燃烧室推力非接触式测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱的非接触式流场参数测量。
背景技术：
0、(二)背景技术
1、推力测量是评估高超声速飞行器推进系统性能的重要指标，量化分析推进系统的推力对发动机研制具有重要的应用价值。传统的推力测量使用测力天平，不仅操作复杂，而且精度受环境噪声等外界因素的影响较大。若能直接测量喷管出口截面的速度和压力，则能够直接根据推力定义计算出推进系统的推力。传统的接触式压力传感器和皮托管难以满足高温条件下原位压力和流速的测量。这类接触式测量需要将物理探针放入待测流场中，通过探针与气流的接触，得到待测流场的压力和速度等信息，操作简单，但是探针会对流场造成干扰，降低测量精度。非接触式光学测量技术不会对流场本身产生干扰，在发动机流场参数测量中具有巨大优势。
2、可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,tdlas)技术是一种光学非接触式测量技术，凭借其非侵入、高选择性、高精度、结构简单和成本低等优点，已被广泛应用于发动机燃烧室流场的温度、浓度、压力和速度测量。在速度测量方面，tdlas利用交叉光路的多普勒频移实现流场速度的非接触式测量。leyens.chang等人在2010年《aiaa期刊》第48卷，第11期2687-2693页的论文《基于水蒸气吸收谱线的可调谐二极管激光质量流量传感》(mass flux sensing via tunable diode laserabsorption of water vapor，aiaa journal)中采用交叉光路布局，利用h2o在1341.5nm和1349nm附近两条吸收谱线的多普勒频移实现了流场速度的非接触式测量。在1500m/s的流场速度下，该方法实现了0.1％的测量不确定度。fei li等人在2012年《应用光学》第51卷，第20期4788-4797页的论文《非均匀流中基于二极管激光吸收速度测量的不确定性分析》(uncertainty in velocity measurement based on diode-laser absorption innonuniform flows，applied optics)利用两束交叉光路中吸收特征的多普勒频移推断流场速度，并研究了流动的不均匀性导致速度测量的不确定性。在1.83马赫的流场速度下，使用波长调制技术量化分析了边界效应对速度测量的影响，速度误差总体小于1.2％。上述方法均采用波长调制技术测量吸收光谱的多普勒频移，但是，波长调制技术只适合弱吸收的场合，只能在气体浓度小于10％时才能保证测量精度。
3、根据比尔朗伯定律，tdlas的温度、浓度、压力三个物理量是耦合在一起的，其中温度可以利用双色法单独解耦出来，对于浓度和压力测量，通常需要其它辅助测量手段获得其中一个物理量，进而推导出另外一个物理量。在温度测量方面，tdlas利用双色测温法无需其它测量手段辅助便能完成流场温度的非接触式测量。j.j.girard等人在2017年《燃烧与火焰》第178卷，158-167页的论文《使用4.2μm附近带间级联激光吸收测量火焰温度和二氧化碳浓度的紧凑型光学探头》(compact optical probe for flame temperature andcarbon dioxide using interband cascade laser absorption near 4.2μm，combustionand flame)中使用4.2μm附近激光吸收光谱测量不同高度的火焰温度，在1200k至2000k的温度范围内，实现了温度测量精度误差15k，温度测量的不确定度为20-50k。ajay krish等人在2020年《定量光谱学与辐射传输杂志》第247卷，106959-106972页的论文《使用可调谐激光对冲击加热的2000-8400k氧气气流进行紫外线吸收截面温度测量》(ultravioletabsorption cross-section measurements of shock-heated o2 from 2000-8400kusinga tunable laser，journal of quantitative spectroscopy&radiative transfer)中利用211.2nm和236.9nm两个氧气吸收谱线测量测量冲击加热氧气的横截面温度，实验中温度测量上限高达10700k，与斯坦福模型计算的横截面温度之间的误差在15％以内。wenbinzhou等人在2023年《ieee仪器与测量学报》第72卷，1-11页的论文《使用fmcw干涉仪提取噪声免疫的吸收轮廓用于tdlas测温传感》(noise immune absorption profile extractionfor the tdlas thermometry sensor by using an fmcw interferometer，ieeetransactions on instrumentation and measurement)中使用h2o近红外7185.59cm-1和7444.35cm-1谱线，基于激光吸收光谱测温技术对发动机燃烧室出口尾喷焰进行温度测量，在600k-1200k的温度范围内对高湍流火焰的测温误差小于10％。
4、在浓度测量方面，tdlas通常需要已知气体压强，才能准确实现气体浓度的非接触式测量。gregory b.rieker等人在2009年《应用光学》第48卷，第29期5546-5560页的论文《恶劣环境中气体温度和浓度的免标定波长调制光谱测量》(calibration-freewavelength-modulation spectroscopy for measurements of gas temperature andconcentration in harsh environments，applied optics)中首先使用免标定波长调制光谱技术的比色法测量了气体温度，然后在已知路径长度和气体压强下，推导出流场中气体浓度。在燃烧室高速流场中，气体压强在测量过程中通常是变化的，因此使用固定气体压强反演气体浓度存在较大误差。hongbin lu等人在2021年《传感器》第21卷，第7期2448-2462页的论文《基于tdlas技术的氨泄漏监测遥感系统》(a remote sensor system based ontdlas technique for ammonia leakage monitoring，sensors)中使用波长调制光谱技术对开放路径上氨气泄漏源进行监测，可以实现16.6ppm的氨气浓度检测下限。在实际使用中，波长调制光谱技术不能直接从谐波分量中获得气体浓度，需要利用标准参考气体对谐波信号进行标定，建立谐波信号与气体浓度的对应关系。气体浓度测量的准确性依赖于标定结果的准确性，且当气体压强发生变化时，需要重新用标准参考气体对谐波信号进行标定，实用性较差。nicolas sobanski等人在2021年《应用科学》第11卷，第3期1222-1243页的论文《量子级联激光吸收光谱法在高精度二氧化氮测量中的研究进展》(advances inhigh-precision no2 measurement by quantum cascade laser absorptionspectroscopy，applied sciences)中采用直接吸收光谱技术对80mbar压强、300k温度、1ppbv浓度的二氧化氮进行测量，在110米的有效光程和150s的积分时间下，传感器可以实现0.8ppbv的浓度检测下限。但是，该方案需要已知气体压强，且需要对气体进行采样，会破坏气体原有状态。
5、在压力测量方面，tdlas通常需要已知气体浓度，才能准确实现气体压力的非接触式测量。anil p.nair等人在2020年《应用物理b》第49卷26-138页的论文《射频调制的mhz激光吸收光谱用于旋转爆震火箭流中压力、温度和物质浓度的测量》(mhz laser absorptionspectroscopy via duplexed rf modulation for pressure,temperature,and speciesin rotating detonation rocket flows，applied physics b)中利用co在4.98μm光谱线的洛伦兹展宽计算旋转爆震发动机中动态气体压强，在2000k-3000k的温度下，该方法的压力测量范围为0.6atm至1.5atm，压强的测量误差小于3.7％。该方法需要准确知道流场中各种物质的摩尔浓度，压强测量的准确性依赖于气体物质浓度的准确性。ruifeng wang等人在2024年《光学学报》第49卷，第4期1033-1036页的论文《基于双色激光吸收光谱的压力传感用于燃烧诊断》(pressure sensing with two-color laser absorption spectroscopyfor combustion diagnostics，optics letters)中利用h2o在1343nm和1392nm附近两条吸收谱线的碰撞展宽线宽的线性组合来测量压力，在1300k的温度下，该方法的压力测量范围为1bar至5bar，压强的测量误差小于3％。该方法需要在固定压强下标定线性组合系数，气体压强测量的准确性依赖于标定结果的准确性。
6、基于以上背景，本发明提出一种基于激光吸收光谱的发动机燃烧室推力非接触式测量方法，首先利用激光吸收光谱技术测量发动机燃烧室流场中待测位置的气流温度、浓度和压力，然后利用激光吸收光谱的多普勒频移测量流场中气流速度，最后用气流推力与气流速度和压力之间的确定关系，获得发动机燃烧室产生的推力。本发明将激光吸收光谱测温技术和基于激光吸收光谱的多普勒测速技术结合，同时实现了发动机燃烧室高温高速流场中气体温度、浓度、压力和速度的非接触式测量。在获得气体的压力和速度后，根据气体的推力、压力、速度三者之间的关系推算出气体的推力，实现了发动机推力的非接触式测量，可广泛用于航空发动机等领域。
技术实现思路
0、(三)
技术实现要素：
1、本发明的目的是为了解决现有发动机燃烧室推力测量技术中的不足之处，提供一种基于激光吸收光谱的发动机燃烧室推力非接触式测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱、速度、推力测量三个技术领域。所述方法的测量系统所用元件包括两个可调谐二极管激光器、一个信号发生器、一个光纤耦合器、一个光纤分束器、一个光纤型标准具、两个准直镜、三个光电探测器、两个匀光片和一个数据采集卡。
2、为实现以上技术目的，本发明采用的技术方案是：所述发动机燃烧室推力测量方法利用激光吸收光谱技术测量发动机燃烧室流场中待测位置的气流温度和压力，利用激光吸收光谱的多普勒频移测量流场中气流速度，再用气流推力与气流速度和压力之间的确定关系，获得发动机燃烧室产生的推力。
3、所述基于激光吸收光谱的非接触式发动机燃烧室推力测量方法的测量系统包括两个可调谐二极管激光器、一个信号发生器、一个光纤耦合器、一个光纤分束器、一个光纤型标准具、两个准直镜、三个光电探测器、两个匀光片和一个数据采集卡。其中，所述信号发生器与两个可调谐二极管激光器相连，采用时分复用的策略对两个可调谐二极管激光器进行调制，并使每个可调谐二极管激光器的输出波段覆盖一个目标气体的吸收谱线；两个可调谐二极管激光器产生的可调谐激光用一个光纤耦合器进行合束，再用一个光纤分束器按1∶1∶1的功率比将可调谐激光分成三束，其中一束可调谐激光入射到一个光纤型标准具中，然后被一个光电探测器接收，用于实时标定可调谐激光波长，并将测量的激光吸收光谱从时域换转到频域；另外两束可调谐激光分别用一个光纤准直镜进行准直，两束准直后的激光通过光学窗口在水平面上交叉穿过发动机燃烧室内部，光束的交叉点位于燃烧室内部，然后两束可调谐激光分别穿过一个匀光片后被光电探测器探测；可调谐激光穿过燃烧室流场后，携带高温高速流场的温度、压力、气体浓度信息，并且由于激光多普勒效应，两路激光吸收光谱信号之间产生多普勒频移量；三路激光信号被光电探测器测得后，由数据采集卡上传至计算机中用于后续信号处理，具体实现过程如下：
4、步骤一：信号发生器产生两个激光调制信号，这两个激光调制信号采用时分复用的策略对两个可调谐二极管激光器进行调制，并使每个调制的激光频率均能覆盖一个目标气体的吸收谱线；两个可调谐二极管激光器产生的可调谐激光用一个光纤耦合器进行合束。一个光纤分束器按1∶1∶1的功率比将可调谐激光分成三束，并用ii表示可调谐激光的初始光强，其中一束可调谐激光入射到一个光纤型标准具中，然后被一个光电探测器接收，用于实时标定可调谐激光波长，并将测量的激光吸收光谱从时域换转到频域；另外两束可调谐激光分别用一个光纤准直镜进行准直，两束准直后的激光通过光学窗口在水平面上交叉穿过发动机燃烧室内部，光束的交叉点位于燃烧室内部，两个光束之间的夹角为θ，然后两束可调谐激光分别穿过一个匀光片后被光电探测器探测，两束可调谐激光的探测信号分别表示为：
5、it1(t)＝iiexp(-α1(v(t))) (1)
6、it2(t)＝iiexp(-α2(v(t))) (2)
7、其中，αi(v(t))，i＝1，2是两束可调谐激光穿过流场目标气体后产生的光谱吸收率，表示为：
8、
9、其中，p是流场中气体压强，l是流场中可调谐激光的吸收路径长度，x(l)是流场中目标气体的摩尔体积分数，t(l)是流场中目标气体的温度，s[v(l)]是所选吸收谱的谱线强度，是吸收谱线的线型函数，满足归一化条件，l表示吸收路径上的位置。
10、步骤二：初始激光强度ii通过数据拟合获得，选取光谱吸收区域两侧非吸收区域q1和q2，通过拟合非吸收区域q1和q2的数据获得不包含吸收项的基线ii；在获得基线ii后，两个谱线的吸收率曲线αi(v(t))由步骤一中公式(1)和(2)计算得到。可调谐激光在目标气体吸收谱线αi(v)的积分吸收面积ai，i＝1或2满足：
11、
12、若路径长度上的气压、温度以及目标气体浓度分布均匀，则两个吸收谱线的积分吸收面积之比是温度的单值函数：
13、
14、在获取两个吸收谱线的积分吸收面积后，用比色法计算得到路径平均温度t。
15、步骤三：根据步骤二中公式(4)，在已知目标气体的温度和路径长度，则利用hitran光谱数据库仿真获得目标气体吸收谱线αi(v)只需要浓度xabs和气压p两个变量，通过比较仿真和测量的目标气体吸收谱线，对浓度xabs和气压p进行最优化选取，使用二范数作为约束，目标函数表示为：
16、f(xabs，p)＝||αs(v，xabs，p)-αm(v)||2 (6)
17、其中，αs(v，xabs，p)和αm(v)分别表示仿真和测量的目标气体吸收谱线；当f(xabs，p)小于容差ε时，xabs和p为所求浓度和气压值。
18、步骤四：流场中气体速度是通过两束交叉的可调谐激光束的多普勒偏移量得到的，两束可调谐激光同一谱线的光谱轮廓峰值位置通过数据拟合获得，两者的差值即为多普勒偏移量；可调谐激光在目标气体处吸收谱线αi(v)满足voigt线型函数，表示为：
19、
20、其中，a是多普勒展宽δνd和洛伦兹展宽δvc的比值，表示为：ω是压力引起的谱线偏移距离，表示为：δ是参考温度的压力偏移系数，v0是谱线中心位置；选取光谱轮廓中吸收峰区域q3，用公式(7)拟合q3区域的光谱轮廓数据，得到两束可调谐激光同一谱线的光谱轮廓峰值位置，分别为v1和v2；两束可调谐激光同一谱线的多普勒偏移量δv＝v1-v2是速度的函数，表示成：
21、
22、其中，v0是谱线中心位置，θ是两束交叉可调谐激光束的夹角，u是流场气体速度，c是空气中的光速；若v0，θ，c和δv均已知，则通过公式(8)计算得到流场气体速度u。
23、步骤五：在已知燃烧室流场气体速度、测量位置的气体压力以及测量位置气体流过的横截面积，则发动机推力由下式计算得到，计算公式为：
24、
25、其中，是推进剂质量流量，由流量计提供，u是测量位置的气体速度，由公式(8)计算得到，pe是测量位置的气体压力，由公式(6)计算得到，pa是环境气体压力，通常为1标准大气压，ae是测量位置气体流过的横截面积，提前测量获得。
26、本发明优点是：将激光吸收光谱测温技术和基于激光吸收光谱的多普勒测速技术结合，实现了发动机推力的非接触式测量，可广泛用于航空发动机等领域。
1.一种基于激光吸收光谱的发动机燃烧室推力非接触式测量方法，所述发动机燃烧室推力测量方法利用激光吸收光谱技术测量发动机燃烧室流场中待测位置的气流温度和压力，利用激光吸收光谱的多普勒频移测量流场中气流速度，再用气流推力与气流速度和压力之间的确定关系，获得发动机燃烧室产生的推力；所述基于激光吸收光谱的非接触式发动机燃烧室推力测量方法的测量系统，包括两个可调谐二极管激光器、一个信号发生器、一个光纤耦合器、一个光纤分束器、一个光纤型标准具、两个准直镜、三个光电探测器、两个匀光片和一个数据采集卡；其中，所述信号发生器与两个可调谐二极管激光器相连，采用时分复用的策略对两个可调谐二极管激光器进行调制，并使每个可调谐二极管激光器的输出波段覆盖一个目标气体的吸收谱线；两个可调谐二极管激光器产生的可调谐激光用一个光纤耦合器进行合束，再用一个光纤分束器按1:1:1的功率比将可调谐激光分成三束，其中一束可调谐激光入射到一个光纤型标准具中，然后被一个光电探测器接收，用于实时标定可调谐激光波长，并将测量的激光吸收光谱从时域换转到频域；另外两束可调谐激光分别用一个光纤准直镜进行准直，两束准直后的激光通过光学窗口在水平面上交叉穿过发动机燃烧室内部，光束的交叉点位于燃烧室内部，然后两束可调谐激光分别穿过一个匀光片后被光电探测器探测；可调谐激光穿过燃烧室流场后，携带高温高速流场的温度、压力、气体浓度信息，并且由于激光多普勒效应，两路激光吸收光谱信号之间产生多普勒频移量；三路激光信号被光电探测器测得后，由数据采集卡上传至计算机中用于后续信号处理，其特征在于，包括以下步骤：
