洪延姬

（裝備學(xué)院激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101416）

0 引 言

對于潔凈燃燒以及更高性能推進(jìn)系統(tǒng)的不斷追求是發(fā)展先進(jìn)診斷工具的主要推動力［1－2］。最基本的診斷方式之一是測量流場的溫度和質(zhì)量流量［1－3］。在燃燒動力學(xué)中，溫度對化學(xué)反應(yīng)速率有重要影響，可作為燃燒效率的指示器［4］。溫度有潛力用作實(shí)時(shí)燃燒控制系統(tǒng)的控制變量以改善燃燒效率及降低污染物排放［5］。質(zhì)量流量對于推進(jìn)系統(tǒng)具有根本意義，直接出現(xiàn)在吸氣式發(fā)動機(jī)［6］和火箭推進(jìn)系統(tǒng)［7］的推力方程中。與發(fā)動機(jī)工作相關(guān)的其他參數(shù)如沖壓阻力［8］，進(jìn)氣道流動紊亂［9］，比沖［10］等也依賴于質(zhì)量流量。

傳統(tǒng)的溫度和質(zhì)量流量測量方法是使用壁面?zhèn)鞲衅骷扒秩胧教结槪?，11－12］。隨著對燃燒和推進(jìn)流場研究的不斷深入，傳統(tǒng)測量技術(shù)所表現(xiàn)出的局限性日益凸顯。如壁面?zhèn)鞲衅鞑荒苊舾辛鲌龅臏囟然驂毫μ荻?；侵入式探針或測量耙設(shè)備復(fù)雜、故障率高［11］；高溫下長期工作時(shí)探針可能燒毀［13］。而對于推進(jìn)流場，探針也往往會擾亂流動、產(chǎn)生激波結(jié)構(gòu)［14］。為克服傳統(tǒng)診斷技術(shù)的局限，發(fā)展非接觸的激光測量技術(shù)就成為必然選擇。

激光測量包括散射［15－17］、熒光［18－19］、干涉［20］和吸收［1－5，11，14］等方法。其中吸收光譜技術(shù)具有信號強(qiáng)度高、設(shè)備和數(shù)據(jù)分析簡單等優(yōu)勢［1－3］。應(yīng)用半導(dǎo)體激光器開展氣體探測始于20世紀(jì)70年代中期，然而并沒有導(dǎo)致應(yīng)用的快速增長。那時(shí)可用的主要是鉛鹽激光器，同時(shí)工作在多個波長（多縱模），工作溫度80K，因而需要復(fù)雜的閉環(huán)低溫制冷設(shè)備，激光功率只有幾十μW，相應(yīng)波段的探測器也需工作在液氮的溫度，使用極其不便［3，21］。20世紀(jì)80年代普遍應(yīng)用高功率染料激光器探測氣動和燃燒流場，推動了光學(xué)測量共性技術(shù)的發(fā)展，但普遍認(rèn)識到這些激光器的尺寸、費(fèi)用和操作的復(fù)雜性將應(yīng)用限制于實(shí)驗(yàn)室或大尺度的工業(yè)設(shè)備［3，22］。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，在通訊工業(yè)的需求刺激下，室溫可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器（TDL）發(fā)展迅速。早期的室溫通訊波段的Fabry－Perot（FP）激光器存在跳模，且波長不穩(wěn)定，對應(yīng)用來說吸引力不大［3，21－22］。其后，單模、窄線寬、長壽命的分布式反饋（DFB）激光器的出現(xiàn)，吸收光譜技術(shù)才獲得了廣泛應(yīng)用，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS：tunable diode laser absorption spectroscopy）也開始成為專有名詞［21］。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，商業(yè)的通訊TDL已經(jīng)很成熟，性能和可靠性高，重量、尺寸、功耗和費(fèi)用低。特別是這類激光器普遍用光纖耦合輸出，顯著降低了工程應(yīng)用的難度和代價(jià)［1－3］。DFB激光器的可用波長范圍從760nm到3μm［22］，包括H2O、O2、CO2、CH4等許多工業(yè)和環(huán)境小分子氣體在這一譜范圍呈現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收特性［23］。隨著中紅外差頻激光器［1－2］、量子級聯(lián)激光器和間帶級聯(lián)激光器［22］、超連續(xù)譜激光器［24］等新型激光源的出現(xiàn)，將進(jìn)一步擴(kuò)展氣體探測能力和范圍。

TDLAS技術(shù)是通過被測氣體組分對激光的共振吸收，使激光能量產(chǎn)生衰減，進(jìn)而對氣體參量進(jìn)行分析和判斷，具有非接觸、響應(yīng)快、靈敏和可靠的原位測量能力，由于可將激光用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，特別適合在靜態(tài)燃燒室和推進(jìn)發(fā)動機(jī)上應(yīng)用［1－3］。應(yīng)用TDLAS技術(shù)可獲得溫度、組分濃度、速度、質(zhì)量流量等關(guān)鍵的流場參數(shù)信息［1－3，11，14］。除了可用于縮比和全尺寸系統(tǒng)的地面測試外，還可以提供足夠快的反饋使TDLAS技術(shù)有潛力用于燃燒和推進(jìn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制［1－3，5］。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，TDLAS傳感器的小型化技術(shù)已獲得突破，使飛行應(yīng)用成為可能［3］。

由于設(shè)備和數(shù)據(jù)分析的簡單，先前的TDLAS傳感器大都基于直接吸收譜（DAS：direct absorption spectroscopy）技術(shù)［11，14，25－27］。掃描波長直接吸收技術(shù)可實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定測量［26］，然而為推斷基線，掃描范圍需要達(dá)到線型的無吸收翼，限制傳感器的帶寬一般到幾kHz。另外，高壓下的譜線混疊導(dǎo)致應(yīng)用困難。固定波長直接吸收技術(shù)可顯著提高測量帶寬［27］，然而在弱吸收時(shí)，由于光束轉(zhuǎn)向、基線誤差等噪聲源無法消除使得測量誤差增大。

波長調(diào)制譜（WMS：wavelength modulation spectroscopy）是吸收譜的擴(kuò)展，由于將探測信號移到更高頻率上，WMS可顯著降低激光強(qiáng)度和電噪聲以及其它低頻噪聲，提高信噪比（SNR）［4，28－29］。通常，為實(shí)現(xiàn)定量測量，需要在一個已知成分和條件的環(huán)境中標(biāo)定WMS信號，而這在實(shí)際應(yīng)用中往往是困難的。一些研究者提出了免標(biāo)定的 WMS測量方法［30－32］，然而這些方法只在一定條件下才能應(yīng)用。比如許多環(huán)境條件要事先知道并且穩(wěn)定，目標(biāo)吸收譜線與其他譜線要完全分離，激光需要掃描穿過整個吸收譜線等等。近年來，Li和Rieker等人發(fā)展了包含真實(shí)二極管激光器特性的 WMS理論［33－35］，簡記為WMS－2f／1f。WMS－2f／1f技術(shù)不再依賴于探測器的增益和平均激光強(qiáng)度，可將實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果直接比較推斷氣體參數(shù)而無需現(xiàn)場標(biāo)定。WMS－2f／1f技術(shù)幾乎不受流場環(huán)境和參數(shù)范圍的限制，可在燃燒和推進(jìn)等惡劣流場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)絕對測量，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

美國Stanford大學(xué)的Hanson教授在應(yīng)用TDLAS技術(shù)開展燃燒診斷方面做出開創(chuàng)性工作，發(fā)表了第一篇關(guān)于高溫氣體溫度測量［36］和第一篇關(guān)于質(zhì)量流量測量［37］的文章，其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直處在技術(shù)發(fā)展前沿。近年來，TDLAS技術(shù)及應(yīng)用研究日益增多，所涉及的領(lǐng)域和側(cè)重點(diǎn)也有很大不同。本文重點(diǎn)介紹TDLAS技術(shù)及其在燃燒場診斷中的應(yīng)用，內(nèi)容以Hanson小組的工作為主，也涉及部分其他研究單位及國內(nèi)的研究概況。

1 理論與方法

TDLAS只關(guān)注氣體的共振吸收。因?yàn)楣舱癖幌拗频侥承┨囟ǖ牟ㄩL，激光就成為理想的光源。通訊二極管激光器（如DFB）的譜線寬～2MHz，遠(yuǎn)小于大氣壓下吸收躍遷的典型寬度（H2O分子～3GHz），因此可認(rèn)為是單色光源。吸收譜的基本方程是Beer－Lambert定律，描述了當(dāng)頻率為ν的單色光穿過吸收氣體時(shí)，入射和透射強(qiáng)度的關(guān)系［1－3］

其中，τν為透射系數(shù)（或透過率），It為透射激光強(qiáng)度，I0為入射激光強(qiáng)度，αν為譜吸光度，L是吸收光路長度，cm；p為氣體的總靜壓，atm；χi為吸收組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，p·χi也稱為吸收氣體的分壓，S為吸收躍遷的線強(qiáng)度，cm－2／atm；T為氣體溫度，K；φ是線型函數(shù)，cm。方程（1）適合于所有具有分立吸收譜的原子和分子。

吸收躍遷的線強(qiáng)度是吸收組分基本的譜特性，對于給定的躍遷頻率，如果在某個參考溫度下的線強(qiáng)度S（T0）已知，在任何溫度下的線強(qiáng)度都可以計(jì)算得到［3－4］

其中，S（T0）是在參考溫度T0（通常T0＝296K）的線強(qiáng)度，Q（T）是吸收分子的配分函數(shù)，h是普朗克常量，J·s；c是光速，cm／s；k是玻爾茲曼常數(shù)，J／K；hc／k的數(shù)值為1.438cm?K，E″是躍遷的低能態(tài)能量，cm－1；ν0是躍遷的中心頻率，cm－1。

吸收線型是譜線展寬的結(jié)果。在燃燒研究中，有兩種主要的譜線展寬機(jī)制：多普勒展寬和碰撞（或壓力）展寬［4］。多普勒展寬產(chǎn)生高斯線型函數(shù)，而碰撞展寬產(chǎn)生洛倫茲線型函數(shù)，整個線型用Voigt函數(shù)描述（是高斯線型函數(shù)和洛倫茲線型函數(shù)的卷積）。低能態(tài)能量E″是吸收前的分子能態(tài)，決定了線強(qiáng)度對溫度依賴關(guān)系，線強(qiáng)度的峰值溫度由E″唯一決定，因而來自相同組分的兩條吸收譜線（具有不同的E″）信號之比是溫度的函數(shù)，形成所謂的雙線測溫法［1－3］。一旦溫度得到，可由任一譜線的吸收信號確定組分濃度。雙線測溫得到的是視線平均溫度，適合在溫度、壓力和組分濃度等參數(shù)接近均勻的流場中應(yīng)用，對于溫度沿視線具有嚴(yán)重非均勻分布的情況，通過探測共光路的多個吸收躍遷推斷溫度的分布函數(shù)［38］或者與層析成像（Tomography）技術(shù)相結(jié)合對溫度的二維分布進(jìn)行重構(gòu)［39］。

近紅外區(qū)域?qū)τ谌紵龍龅臏y量特別有吸引力，兩種主要的燃燒產(chǎn)物H2O和CO2在近紅外區(qū)域都有大量的吸收譜線，圖1給出了H2O和CO2在溫度為1500K時(shí)的吸收線強(qiáng)度［40］。由于H2O在2v1，2v3和v1＋v3吸收帶（約1.3～1.5μm）與成熟的通訊二極管激光器的波長范圍相重合，吸收也比CO2強(qiáng)很多，因此應(yīng)用也更普遍。

圖1 H2O和CO2在1500K時(shí)的近紅外吸收線強(qiáng)度［40］Fig.1 Absorption line strengths of H2O and CO2at 1500Kin the NIR

對于具體的實(shí)際應(yīng)用，選擇優(yōu)化的吸收譜線是傳感器開發(fā)的一個重要研究內(nèi)容［28，41］。HITRAN數(shù)據(jù)庫提供了大氣成分和燃燒產(chǎn)物中許多小分子的定量光譜參數(shù)［23］，為吸收譜線的選擇和傳感器設(shè)計(jì)提供了重要工具。但涉及高溫應(yīng)用的傳感器開發(fā)仍需驗(yàn)證所選躍遷的數(shù)據(jù)庫參數(shù)［3］，包括高溫條件下的譜線位置、線強(qiáng)度、低能態(tài)能量和展寬參數(shù)等。

掃描波長直接吸收的應(yīng)用最普遍，其執(zhí)行過程示意圖如圖2所示。

激光頻率掃描穿過所選吸收躍遷的譜范圍，產(chǎn)生譜解析的吸收線型。對無吸收翼進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到零吸收基線，用Beer－Lambert關(guān)系可得到吸光度曲線。為將吸光度信號從時(shí)間域變?yōu)轭l率域，通常需要用標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行時(shí)－頻轉(zhuǎn)換。由兩條吸收躍遷的積分吸光度之比可得到溫度［1－3，26］，示意圖如圖3所示，圖3（a）為兩條躍遷吸光度隨波長的變化，圖3（b）為積分吸光度之比隨溫度的變化。

掃描波長直接吸收方法通過積分吸收信號，消除了線型函數(shù)，因而可實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定測量［1－3］。相比之下，固定波長方法在實(shí)際應(yīng)用中的主要問題是基線強(qiáng)度（方程（1）中的I0）的推斷困難，需要增加非共振參考光束或事先抽空被測區(qū)域［27，42－43］。另外由于無法消除線型函數(shù)，增加了應(yīng)用的復(fù)雜性。

圖2 掃描波長直接吸收譜的執(zhí)行過程Fig.2 Implementation of scanned wavelength direct absorption spectroscopy

圖3 直接吸收雙線測溫法示意圖Fig.3 Illustration of DAS two lines thermometry

很早就認(rèn)識到，通過快速調(diào)制激光波長并測量調(diào)制頻率的諧波吸收信號可改善吸收測量的靈敏度［44－45］，二次諧波探測的波長調(diào)制（WMS－2f）最為常用［4，28－29，42－45］。而用一次諧波（1f）信號歸一WMS－2f信號（WMS－2f／1f）可消除對激光強(qiáng)度和探測器增益的依賴，不但能實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定測量，而且可降低由于窗口污垢和激光強(qiáng)度的其他非共振損失帶來的強(qiáng)度攝動影響［33－35，46］。

掃描波長WMS－2f／1f的執(zhí)行過程如圖4所示。二極管激光器的注入電流除掃描外還疊加了高頻的正弦信號，使激光強(qiáng)度和頻率產(chǎn)生高頻的正弦調(diào)制，在探測器信號中產(chǎn)生諧波分量，可由鎖相放大器分離出1f和2f信號。固定波長WMS－2f／1f除將激光波長固定在譜線中心外，在執(zhí)行上和掃描波長方式無明顯差異。然而為將波長準(zhǔn)確固定在線心位置需要高精度波長計(jì)或在一個與被測流場參數(shù)接近的環(huán)境中確定，另外選擇優(yōu)化的調(diào)制指數(shù)有助于降低測量信號對波長偏差的敏感度［4］。

圖4 掃描波長調(diào)制譜的執(zhí)行過程Fig.4 Implementation of wavelength－scanned WMS

如果氣流具有平行于光束路徑方向的速度分量，吸收躍遷的中心頻率將出現(xiàn)多普勒頻移，可通過頻移效應(yīng)測量流場速度［1－3，46］。實(shí)際上，用與流速方向成不同角度的兩光束吸收譜線的中心頻差來確定相對頻移量在應(yīng)用上更為方便。激光器輸出分成強(qiáng)度相等的兩束，一束與法向成θ角指向上游，另一束以相同的角度指向下游，兩束光的中心頻差為：

其中，Δν是兩光束中心頻率差，cm－1；ν0是未移動時(shí)的線心頻率，cm－1；c是光速，cm／s；U是氣流速度，cm／s；2θ是兩光束的夾角。光束布局及多普勒頻移示意圖如圖5所示［46］。

在給定頻移分辨率時(shí)，通過增大兩條光束的夾角可提高速度測量的分辨率。然而多數(shù)發(fā)動機(jī)設(shè)備的空間約束限制了夾角范圍，通常不超過90°。由于多普勒頻移效應(yīng)，吸收躍遷的視在中心頻率會偏離未移動時(shí)的線心頻率ν0，因而固定波長方式不能用于測量速度。

2 應(yīng)用研究

圖5 速度測量的光束布局和多普勒頻移示意圖［46］Fig.5 Schematic of crossed－beam configuration and Doppler－shift velocimetry

1993年，Hanson小組開展了激波管中氧氣的速度、溫度、壓力和質(zhì)量流量的測量研究［45］，標(biāo)志著TDLAS技術(shù)在氣動實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的開端。20年來，在燃燒和推進(jìn)流場中開展了廣泛的工程應(yīng)用研究，包括激波管中激波后氣體參數(shù)測量［47－49］和化學(xué)動力學(xué)研究［50－51］，內(nèi)燃機(jī)的譜線選擇［52］和參數(shù)測量［53］，汽輪機(jī)的溫度［54－55］和當(dāng)量比［56］測量以及反饋控制［57－58］，航空發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道空氣質(zhì)量流量測量［11，59］，脈沖爆震發(fā)動機(jī)的溫度、燃料分布監(jiān)測［60－62］和CO2濃度測量［63］，超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺的多參數(shù)測量及應(yīng)用［14，29，35，46，62－68］，飛行傳感器設(shè)計(jì)和試驗(yàn)［69－73］等。TDLAS技術(shù)的基本功能是測量溫度、組分濃度和速度等基本的流場參數(shù)，除此之外還可為推進(jìn)系統(tǒng)的性能研究提供其他幫助，以下分專題介紹幾種典型應(yīng)用。

2.1 激波管研究

激波管能提供在確定的溫度和壓力下接近定容的反應(yīng)條件，是化學(xué)動力學(xué)研究的理想工具。激波管參數(shù)的準(zhǔn)確測量是開展動力學(xué)研究的基礎(chǔ)，特別是當(dāng)激波后有顯著化學(xué)熱釋放（相比于氣體混合物的熱容量）時(shí)，激波后的溫度不能由理論給出，準(zhǔn)確測量波后溫度就具有重要的實(shí)際意義。Hanson小組用TDLAS傳感器在激波管中開展了廣泛研究，下面給出兩個例子，一個是測量非反應(yīng)激波管中反射激波后氣體的溫度和組分濃度，另一個測量碳?xì)淙剂系姆纸馑俾省?/p>

在激波管中精確測量溫度是困難的，主要是由于測試時(shí)間短及高溫下絕對標(biāo)定的困難。Hanson小組用固定波長WMS－2f／1f傳感器測量反射激波后溫度和組分濃度［47－48］。兩種傳感器分別用1.4μm附近的H2O吸收和2.7μm附近的CO2吸收，測量帶寬分別為100kHz和40kHz。兩種傳感器的測量過程相同，吸收視線位于激波管末端上游2cm處。CO2吸收實(shí)驗(yàn)的測試氣體是摻入2%CO2的Ar，驅(qū)動氣體是40%N2和60%He的混合物。TDLAS的溫度測量如圖6（a）所示，圖中給出的壓力由壓力傳感器得到。用理想激波關(guān)系式計(jì)算的反射條件：T5＝952K，p5＝1.197atm，在0～8ms的平均測量溫度為955K，圖6（b）給出了測量溫度與計(jì)算溫度的差值，標(biāo)準(zhǔn)差3K，折算成不確定度僅為0.32%。結(jié)果表明，WMS－2f／1f傳感器具有快速而準(zhǔn)確的測量能力，是化學(xué)動力學(xué)研究的有效手段。

碳?xì)淙剂戏纸馑俾士赏ㄟ^測量反應(yīng)物或產(chǎn)物的時(shí)間歷程得到。Hanson小組在激波管中研究了最簡單的甲基酯——甲基甲酸鹽（CH3OCHO）的分解速率［50］，實(shí)驗(yàn)溫度范圍1202～1607K，壓力1.36～1.72atm，初始燃料濃度0.1%～3%（用Ar稀釋）。CH3OCHO的高溫分解路徑有3條：CH3OCHO?CH3OH＋CO，CH3OCHO?2CH2O，CH3OCHO?CH4＋CO2。用激光吸收監(jiān)測3種分解產(chǎn)物的濃度：（1）用4.6μm量子級聯(lián)激光器測量CO，（2）用306nm的紫外激光測量CH2O，（3）用3.4μm的差頻發(fā)生器測量CH4。通過監(jiān)測每種目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生速率確定分解速率系數(shù)ki（i＝1，2，3），與Dooley等人的計(jì)算結(jié)果具有高度一致性，如圖7所示。同時(shí)也分別用9.67μm和9.23μm的CO2激光監(jiān)測CH3OH和反應(yīng)物（CH3OCHO）的時(shí)間歷程，分解過程中的氧平衡分析表明，研究中所用的多波長激光吸收技術(shù)可追蹤到燃料中超過97%的初始氧原子。

圖6 反射激波后溫度和壓力的測量結(jié)果及溫度測量與計(jì)算的偏差［48］Fig.6 Measured temperature and pressure behind a reflected shock wave and difference in measured and calculated temperature

圖7 測量的分解速率系數(shù)ki與計(jì)算結(jié)果的比較［50］Fig.7 Comparison of measured kiwith previous calculations

2.2 超燃沖壓發(fā)動機(jī)不啟動的探測

氣體溫度和組分濃度沿視線的非均勻性可通過多個激光波長同時(shí)監(jiān)測多個吸收躍遷（具有不同低能態(tài)能量）來進(jìn)行評估［38］。Hanson小組開發(fā)了多波長傳感器，用于研究超燃沖壓發(fā)動機(jī)早期的不啟動現(xiàn)象，為背壓誘導(dǎo)不啟動（燃燒室背壓將隔離段激波串推出進(jìn)氣道）的預(yù)警和控制提供了一個可能的手段［65］。

測量在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的超燃直連試驗(yàn)臺進(jìn)行。4個波長分成兩對，7444.4cm－1（E″＝1790cm－1）和7472.2cm－1（E″＝2952cm－1）線對具有較高的低能態(tài)能量，對流場的高溫區(qū)更敏感（圖8中的Thigh）；7185.6cm－1（E″＝1045cm－1）和7205.2cm－1（E″＝79cm－1）線對具有較低的低能態(tài)能量，對流場的低溫區(qū)更敏感（圖8中的Tlow）。溫度測量如圖8（a）所示，圖中的灰色條帶表示壓力傳感器監(jiān)測到的不啟動。如果沿視線的溫度和組分濃度分布均勻，Tlow應(yīng)等于Thigh，而差值反應(yīng)了沿視線的流動非均勻性。盡管量化非均勻性是困難的，但兩個溫度之比的波動卻為測量溫度非均勻性波動提供了一個簡單的方法，Thigh／Tlow的短時(shí)Fourier變換可用于監(jiān)測這種溫度非均勻性的波動。兩次運(yùn)行的Thigh／Tlow的短時(shí)Fourier變換如圖8（b）所示（過程是先分別對Thigh和Tlow進(jìn)行Fourier變換，然后取1～50Hz的頻率分量之和用所有頻率分量之和進(jìn)行歸一化，再相除），其中一次穩(wěn)定工作（紅色線），另一次未啟動（黑色線）。未啟動這次除了當(dāng)量比略有增加外，其余條件相同。在未啟動出現(xiàn)之前的幾秒鐘，溫度的低頻波動急劇增加，多次的未啟動運(yùn)行都觀察到同樣現(xiàn)象，盡管出現(xiàn)這種低頻波動的物理機(jī)制目前尚不清楚，但卻有潛力用作未啟動的預(yù)警和控制變量。

圖8 未啟動運(yùn)行時(shí)測量溫度及穩(wěn)定和未啟動運(yùn)行時(shí)的低頻溫度波動［65］Fig.8 Temperature versus time for a scramjet run with unstart and low frequency fluctuations of temperature for an unstart run and a stable run

2.3 脈沖爆震發(fā)動機(jī)研究

無論在實(shí)驗(yàn)室還是全尺寸發(fā)動機(jī)的地面測試，都廣泛開展了將TDLAS技術(shù)用于脈沖爆震發(fā)動機(jī)（PDE）的研究，在這種惡劣和動態(tài)環(huán)境中的成功應(yīng)用，為演示TDLAS技術(shù)的強(qiáng)大功能提供了有力的證據(jù)。下面是其中的兩個應(yīng)用例子，一個用Cs原子作為示蹤物測量溫度和壓力，另一個提供燃料加載的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

Hanson小組用Cs原子作示蹤物，在Stanford大學(xué)的單循環(huán)PDE開展爆震波后的靜溫和靜壓測量的實(shí)驗(yàn)研究［61］，發(fā)動機(jī)和測量傳感器的示意圖如圖9（a）所示。

實(shí)驗(yàn)中，5ppm的原子Cs以CsO的形式進(jìn)入發(fā)動機(jī)。靜壓通過壓力展寬線型確定，吸收線型在爆震波到達(dá)后會急劇改變，如圖9（b）所示?？梢姽釼CSEL（vertical－cavity surface emitting laser）激光器以500kHz的脈沖方式工作，脈沖打開時(shí)間1μs。每個脈沖期間，激光掃描約1nm的波長，穿過Cs原子在852nm附近的吸收譜線。圖9（b）給出3個單次掃描的透射激光波形，第一次掃描在點(diǎn)火后約606μs，爆震波尚未到達(dá)傳感器位置，Cs仍然以CsO的形式存在因而沒有吸收；第二次掃描在點(diǎn)火后約608μs（爆震波在約607μs到達(dá)），得到壓力展寬的Cs吸收線型；第三次掃描在點(diǎn)火后約4.884ms，Cs吸收線型顯著變窄，因?yàn)楸鸩ń?jīng)過大約4ms后壓力已下降。通過分析Voigt線型，可得到靜溫的貢獻(xiàn)（多普勒展寬）和靜壓的貢獻(xiàn)（碰撞展寬），擬合測量線型可確定靜壓和靜溫隨時(shí)間的變化。靜溫在圖10中用Tkin表示，盡管圖中未給出壓力的時(shí)間歷程，但與壁面壓力傳感器測量結(jié)果具有很好的一致性。

圖9 單循環(huán)PDE和測量傳感器示意圖及三條吸收線型［61］Fig.9 The schematic of single－cycle pulse detonation engine with laser absorption and optical emission sensors and the curves of three absorption lineshapes

圖10 PDE的測量溫度及與仿真結(jié)果比較［61］Fig.10 Measured temperature compared with simulation calculations

當(dāng)假定電子態(tài)的布居數(shù)達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度也能由處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)的Cs布居數(shù)之比得到，基態(tài)布居數(shù)由吸收確定，激發(fā)態(tài)布居數(shù)由激發(fā)態(tài)原子的熱發(fā)射得到，發(fā)射與吸收之比得到的溫度在圖10中用Telec表示。兩種不同的溫度測量方法得到高度一致的結(jié)果。溫度測量結(jié)果也與美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，顯示出仿真和實(shí)驗(yàn)間較好的一致性。

與所有的推進(jìn)裝置類似，PDE的性能依賴于燃料是否有效燃燒。美國海軍研究生學(xué)院（NPS）和Hanson小組，用中紅外激光吸收技術(shù)在NPS的PDE聯(lián)合開展燃料利用問題的研究［62］。用差頻發(fā)生器（DFG）產(chǎn)生中紅外激光，通過JP－10燃料對接近3.4μm激光的吸收來監(jiān)測燃料的加載過程。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖11（a）所示，圖11（b）給出燃料隨時(shí)間變化的結(jié)果。

在未燃燒情況，燃料脈沖穿過燃料注入口下游的測量位置，脈寬約35ms；在燃燒情況，開始時(shí)監(jiān)測到燃料上升，當(dāng)爆震波經(jīng)過后，燃料信號迅速下降到零附近，表明燃料完全或接近完全燃燒。然而在爆震波之后大約20ms，又監(jiān)測到未燃燒的燃料包經(jīng)過測量位置。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在加載管路中存在燃料間斷，這部分沒能燃燒，因而對推力的形成沒有貢獻(xiàn)。由于存在未燃燒燃料，導(dǎo)致對發(fā)動機(jī)比推力的錯誤理解，消除燃料間斷后使發(fā)動機(jī)性能得到改善。

圖11 中紅外探測PDE燃料的實(shí)驗(yàn)裝置及PDE燃料加載測量［62］Fig.11 The schematic of the experiment with mid－IR PDE fuel detection and the curve of PDE fuel loading measurement

2.4 汽輪機(jī)燃燒室控制

TDLAS傳感器的最終應(yīng)用目標(biāo)之一是為改善燃燒和推進(jìn)系統(tǒng)的性能而進(jìn)行主動控制［1－2，5］。對改善燃燒效率和降低污染物排放的需求使低當(dāng)量比燃燒室受到廣泛關(guān)注［57－58］，然而低當(dāng)量燃燒特別容易受到熱聲學(xué)不穩(wěn)定性和貧燃熄火（LBO）的影響。熱聲學(xué)不穩(wěn)定性起源于不穩(wěn)定的熱釋放與聲學(xué)（壓力）振蕩的閉環(huán)耦合，可導(dǎo)致燃燒效率降低并增加污染物排放。LBO能引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，降低發(fā)動機(jī)壽命和可用性。由于涉及到復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，預(yù)測不穩(wěn)定燃燒行為非常困難，通常在工業(yè)燃燒室中通過被動或主動控制對不穩(wěn)定燃燒進(jìn)行抑制。

Hanson小組的研究表明，燃燒不穩(wěn)定和LBO可通過吸收光譜測量進(jìn)行反饋控制［57－58］。LBO在低當(dāng)量比和快速的功率震蕩時(shí)容易出現(xiàn)，是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)主要關(guān)注的問題之一，在實(shí)際中避免LBO的常規(guī)做法是在LBO當(dāng)量比極限之上留出足夠的安全裕度。LBO極限隨著空氣和燃料的流量、燃料成分以及燃燒室的使用時(shí)間等因素而不同，而收窄LBO的安全裕度能改善發(fā)動機(jī)的性能并降低排放。

圖12（a）給出Stanford大學(xué)的模擬汽輪機(jī)燃燒室和視線吸收測量設(shè)備。H2O吸收的波長調(diào)制傳感器能提供2kHz的實(shí)時(shí)測量速率，對測量溫度進(jìn)行快速Fourier變換獲得低頻（0～50Hz）的功率譜分?jǐn)?shù)（FFT%［0～50Hz］）。即使沿視線的氣體成分和溫度非均勻或者溫度測量不準(zhǔn)確，功率譜分?jǐn)?shù)的波動也可為火焰穩(wěn)定性提供直接的測量。從圖12（b）可以看出，當(dāng)火焰接近LBO（橫坐標(biāo)趨于0）時(shí)，低頻波動顯著增加，因而可設(shè)定功率譜分?jǐn)?shù)的閾值（即保持穩(wěn)定燃燒的最大值）作為由穩(wěn)定燃燒過渡到LBO的界限。通過觀察火焰結(jié)構(gòu)，實(shí)際當(dāng)量比與LBO極限的差值小于0.05時(shí)（φ-φLBO＜0.05），火焰出現(xiàn)不穩(wěn)定，因而從圖12（b）可以看出設(shè)定功率譜分?jǐn)?shù)的閾值為0.25是合適的。改變空氣流量，LBO極限（φLBO）也隨之改變，然而發(fā)現(xiàn)對所有的空氣流量，相同的閾值（0.25）對探測LBO都是合適的。也就是說，如果將功率譜分?jǐn)?shù)閾值作為控制變量，即使不知道實(shí)際的LBO極限，仍然能將當(dāng)量比控制在φ-φLBO＝0.05附近，即接近LBO的穩(wěn)定燃燒。用2kHz的實(shí)時(shí)傳感器進(jìn)行反饋控制的實(shí)驗(yàn)表明［58］，TDLAS傳感器可用于實(shí)際燃燒系統(tǒng)的LBO探測并為LBO的反饋控制提供控制變量。

圖12 模擬汽輪機(jī)燃燒室及吸收傳感器和低頻功率譜分?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比的變化［57］Fig.12 The schematic of a model gas turbine combustor and absorption sensor and the curve of low frequency fluctuations from running FFT versus fuel－air stoichiometry

2.5 超燃測試設(shè)備研究

TDLAS技術(shù)在超燃測試設(shè)備中的應(yīng)用研究受到普遍重視，下面是其中的兩個例子，一個是測量隔離段質(zhì)量流量［46］，另一個是超聲速燃燒過程監(jiān)測［68］。

質(zhì)量流量是密度和速度的乘積，TDLAS測量質(zhì)量流量是先用雙線測溫法得到溫度和多普勒頻移得到速度，如果壓力已知，再由理想氣體方程換算密度。Hanson小組基于這種方式開發(fā)了質(zhì)量流量傳感器（壓力值由設(shè)備壓力傳感器提供），在NASA蘭利的直連超燃設(shè)備驗(yàn)證進(jìn)氣條件。蘭利的直連臺用燒氫補(bǔ)氧的方式加熱氣流，用Ma數(shù)為2.65的噴嘴模擬Ma數(shù)為6和7的飛行焓。傳感器選用兩個H2O吸收激光器，波長分別為1341.5nm和1349nm，發(fā)射端和接收端分別用電動平移臺固定在隔離段相對的兩側(cè)，通過平移臺的移動，選擇測量位置。測量裝置和結(jié)果如圖13所示。

圖13 質(zhì)量流量傳感器在隔離段的安裝照片和質(zhì)量流量測量結(jié)果及與CFD的比較［46］Fig.13 The photo of the Mass－flux sensor installed on isolator and the curve of comparison of measured mass－flux with CFD

上下游光路的測量值高度一致，說明隔離段氣流均勻性好，另外測量結(jié)果與設(shè)備預(yù)測值（圖中藍(lán)色線）的一致性也非常好，驗(yàn)證了CFD模擬氣流條件的能力。

燃料是否有效摻混和燃燒對燃燒室的性能至關(guān)重要，可通過測量燃燒室不同位置的燃料濃度或者溫度與產(chǎn)物濃度進(jìn)行判斷。Hanson小組用TDLAS傳感器，在Virginia大學(xué)的超聲速燃燒設(shè)備中測量不同燃燒位置的溫度和H2O濃度。Virginia的設(shè)備是電加熱的連續(xù)流風(fēng)洞，可用Ma數(shù)為2的噴嘴模擬Ma數(shù)為5的飛行焓，燃料是H2。為了驗(yàn)證傳感器的測量精度，來流中摻入了2%的H2O。傳感器也是由電動平移臺改變測量位置，由縱向移動臺選擇燃料噴口下游的3個平面，在每個平面通過橫向移動選擇不同測量位置。測量設(shè)備和H2O濃度的測量結(jié)果如圖14所示。

圖14（b）中橫坐標(biāo)的0位置相應(yīng)于燃料噴口所在壁面，可以看出接近燃料噴口所在壁面H2O的濃度顯著增多，是H2燃燒的結(jié)果。隨著測量位置遠(yuǎn)離噴口壁面，H2O的濃度逐漸降低，最后收斂于來流H2O濃度值（2%），說明H2的穿透深度不足，燃燒逐漸減弱。另外隨著測量平面遠(yuǎn)離燃料噴口，H2O的濃度收斂變慢，表明摻混情況逐漸改善。

2.6 飛行試驗(yàn)

半導(dǎo)體激光器的小型化和魯棒性為TDLAS傳感器的飛行應(yīng)用創(chuàng)造了條件。美國PSI公司最早開發(fā)了具備飛行條件的質(zhì)量流量傳感器［69］，并準(zhǔn)備在NASA的科學(xué)研究飛機(jī)（F－18）上進(jìn)行飛行測試，但任務(wù)最終取消。最近，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和澳大利亞防御科學(xué)技術(shù)委員會（DSTO）合作發(fā)起的HIFiRE工程為驗(yàn)證TDLAS傳感器的飛行性能提供了機(jī)會［70－72］。計(jì)劃進(jìn)行TDLAS驗(yàn)證的飛行試驗(yàn)有3次，分別為HIFiRE 1，2和6。

HIFiRE 1TDLAS試驗(yàn)的目的是通過測量來流空氣捕獲量來驗(yàn)證TDLAS傳感器的可靠性和飛行應(yīng)用能力。為降低風(fēng)險(xiǎn)，AFRL委托Zolo Technologies和Southwest Sciences兩家公司各自獨(dú)立開發(fā)嵌入式TDL傳感器，如圖15所示，最終目標(biāo)是用于測量超燃沖壓發(fā)動機(jī)的空氣捕獲量。Zolo Technologies公司的電子包重3.5kg，功耗20W。而Southwest Sciences公司的電子包重1.8kg，功耗2W。

圖14 超聲速燃燒設(shè)備及傳感器照片和不同位置的H2O濃度測量結(jié)果［68］Fig.14 The photo of supersonic Combustion Facility and TDLAS sensor and the curves of measured H2O mole fraction at various positions

圖15 HIFiRE 1載荷艙的尾段及電子包［70］Fig.15 Aft section of HIFiRE flight 1payload and electronic packages

2010年3月，HIFiRE 1成功完成了飛行試驗(yàn)，總的飛行時(shí)間超過500s。遙測數(shù)據(jù)顯示，Zolo Technologies公司的傳感器測量系統(tǒng)記錄了488s的數(shù)據(jù)，Southwest Sciences公司的傳感器在飛行17s后開始工作不可靠，32s后完全失敗。

HIFiRE 2TDLAS的試驗(yàn)?zāi)康氖潜O(jiān)測燃燒產(chǎn)物核心流中溫度和水蒸氣濃度的時(shí)間和空間分布。傳感器包含兩臺Zolo Technologies公司的電子包和兩只激光器，每個激光的輸出分成4束，兩只激光器的8束光在燃燒室出口平面組成3×5的網(wǎng)格，如圖16所示。通過Tomography技術(shù)得到流場的空間分布信息。電子包質(zhì)量2kg，功耗14W。HIFiRE 2于2012年5月完成飛行試驗(yàn)，但試驗(yàn)結(jié)果未對外公布。

圖16 HIFiRE 2的TDLAS傳感器布局及電子包［72］Fig.16 TDLAS sensor configuration and electronic packages of HIFiRE flight 2

3 國內(nèi)研究概況

國內(nèi)的TDLAS研究起步較晚，本世紀(jì)初期以環(huán)境氣體檢測［73－78］和仿真研究［79－83］為主。近年來逐步引起科研院所和工業(yè)企業(yè)的重視，開始涉及燃燒和推進(jìn)流場診斷研究，研究團(tuán)隊(duì)數(shù)量也有了較快增長。安光所［84－86］、浙江大學(xué)［87－89］、中科院力學(xué)所［90－92］、西北工業(yè)大學(xué)［93］、天津大學(xué)［94－95］、西北核技術(shù)研究所［96－97］以及裝備學(xué)院［98－101］等先后組織力量開展技術(shù)和應(yīng)用研究。特別值得一提的是，2013年4月17～19日，中國宇航學(xué)會在成都舉辦了首屆“光譜技術(shù)在燃燒診斷及大氣檢測中的應(yīng)用”學(xué)術(shù)研討會，TDLAS技術(shù)相關(guān)的論文占會議收錄論文總數(shù)的1／3，反映了我國對該領(lǐng)域研究的重視程度。總體而言，由于起步較晚，目前仍以技術(shù)跟蹤為主，有的雖已初步具備工程應(yīng)用能力［91，99］，但尚未在燃燒和推進(jìn)流場診斷中真正發(fā)揮作用。

4 結(jié)論和展望

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜傳感器已成為流場診斷的基本工具，主要是由于其相對簡單、費(fèi)用低廉，應(yīng)用光纖使光束布置及遠(yuǎn)距離傳輸變得容易，尤其對于在燃燒和推進(jìn)等惡劣的環(huán)境中應(yīng)用更有吸引力。然而，目前TDLAS技術(shù)尚存在某些局限性：比如高壓環(huán)境下的壓力測量困難；非均勻流場二維重建技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中的困難；軟件處理能力還不能滿足實(shí)時(shí)測量需求等等。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，克服這些局限性的同時(shí)使一些新的應(yīng)用方向正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)或成為可能：（1）高次諧波的歸一化為高壓下的壓力測量提供了解決途徑，數(shù)據(jù)處理能力的進(jìn)步為實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、速度及質(zhì)量流量、動量流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測及反饋控制創(chuàng)造了條件；（2）除了流場參數(shù)測量之外，TDLAS技術(shù)還可為推進(jìn)系統(tǒng)的性能研究提供其他幫助，如燃燒不穩(wěn)定性和貧燃熄火研究、燃料摻混和燃燒效率計(jì)算、燃燒室和噴嘴的輔助設(shè)計(jì)等；（3）中紅外吸收光譜診斷取得重要進(jìn)展，將為大分子碳?xì)淙剂霞岸嘞嗔鞅O(jiān)測提供可行的手段；（4）新的連續(xù)波激光器可掃描穿過大量吸收譜線，通過增加光譜信息量能降低層析成像技術(shù)對投影光路數(shù)目和角度需求，使發(fā)動機(jī)地面測試設(shè)備的流場二維重建成為可能，將對燃燒室的性能和效率研究產(chǎn)生革命性的影響；（5）隨著更多光譜范圍的激光器和相應(yīng)光纖器件的出現(xiàn)，同時(shí)監(jiān)測多種成分和特性將不再困難；（6）飛行傳感器已開展過初步的飛行測試，可望在不久的將來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的飛行狀態(tài)監(jiān)測和反饋控制。

在我國，診斷技術(shù)的落后已成為制約新型發(fā)動機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。解決這一突出矛盾的有效途徑就是加速發(fā)展吸收光譜診斷等光學(xué)診斷技術(shù)，科研院所和工業(yè)部門緊密合作，在開展實(shí)驗(yàn)室研究的同時(shí)，加快工程應(yīng)用進(jìn)度，促進(jìn)新型發(fā)動機(jī)的研究能力和水平。

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