(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210164657.6 (22)申请日 2022.02.23 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 徐立军　陆方皞　曹章　吴易恭　 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于激光气体吸收光谱的温度超帧率 测量系统与方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于激光气体吸收光谱 的温度超帧率的测量系统与方法。 系统包括激光 发生模块、 激光探测模块、 干 涉仪、 光谱 数据采集 模块与数据分割处理模块。 激光发生模块发出合 束的双波长调制激光， 其同时经过待测区域后， 激光探测模块使用分光滤波 方法， 将同时产生吸 收的双波长激光分开后， 由光谱 数据采集模块进 行高速采集数据的存储与分包， 实现对双波长调 制信号在单个扫描周期内的超帧率光谱数据获 取， 进而基于超帧率数据的吸收谱峰值点特征进 行谱参数拟合， 得到在一个扫描周期内的超帧率 测温结果。 该发明结构简单， 可大幅拓展温度测 量的响应速度， 在燃烧诊断等动态吸收光谱测试 领域有广阔应用前 景。 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 115468932 A 2022.12.13 CN 115468932 A 1.一种基于激光气体吸收光谱的温度超帧率测量系统与方法， 包括激光发生模块、 激 光探测模块、 干涉仪、 光谱数据采集模块与数据分割处理模块； 激光 发生模块调制两个窄带 激光器发出在气 体吸收峰波段附近波长调制的激光并合束， 穿过待测气 体区域产生光谱吸 收信号， 后经由激光探测模块中的分光棱镜将同时产生吸收的双波长激光分开并经过对应 波段的窄带滤波片后， 由激光探测模块检测并转换为电压信号， 再 由并行高速数据采集模 块进行数字信号的同步采集， 同时由干涉仪监测波长变化； 数据分割处理模块将同步采集 的两个波长的数据， 根据高速数据采集模块的采样速率与激光发生模块波长调制频率， 将 一个扫描周期 内高速数据采集模块采集到的数据分割成密集分布的波长单调变化的超帧 率吸收光谱数据， 进而由处理模块基于气体温度时变的吸收谱峰值点特征进行谱参数拟 合， 利用比色法进行待测气体温度的求 解。 2.按照权利要求1所述的一种基于激光气体吸收光谱的温度超帧率测量系统与方法， 其特征在于， 激光发生模块调制两个窄带激光器发出在气 体吸收峰波段附近波长调制的激 光并合束， 激光探测模块中的分光棱镜将同时产生吸收的双波长激光分开并经过对应波段 的窄带滤波片后， 数据分割处理模块将同步采集的两个波长的数据， 根据高速数据采集模 块的采样速率与激光 发生模块波长调制频率， 将一个扫描周期内的高速数据采集模块采集 到的数据分割成密集分布的波长单调变化的超帧率吸 收光谱数据； 其中， 101激光发生模块发出由两个窄带激光器发出的波长调制激光， 用于产生在特定 气体吸收峰波段附近扫描的波长调制激光， 其具体实现过程是， 由201信号 发生模块产生调 制电流驱动202激光器驱动模块产生控制激光器的控制电流， 分别控制203激光器与204激 光器发出在气体吸收峰附近的调制正弦波； 其中201信号发生模块产生调制电流的方案如 下： 其中,IL与IH分别为低频调制与高频调制信号强度， fL和fH为低频调制与高频调制信 号 频率， 和 为低频调制与高频调制信号的初始相位， 为调制信号偏置强度； 激光经过合束后 穿过待测气体区域产生光谱吸收信号， 并经由分光棱镜将双波长激光 分束并经过对应的窄带滤波片后由激光探测模块检测并转换为电压信号， 再由并行高速数 据采集模块进 行数字信号的采集， 同时105干涉仪监测波长变化， 其具体过程是， 203激光器 经过205激光分束器 分接到207光电探测器、 208干涉仪和209激光合束器， 分别得到203激光 器发出的激光的参考信号I0,1、 监测该激光得到的波数变化信号v1以及进行激光合束； 204 激光器经过206激光分束器分接到211光电探测器、 210干涉仪和209激光合束器， 分别得到 204激光器发出的激光的参考信号I0,2、 监测该激光得到的波数变化信号v2以及进行激光合 束； 209激光合束器混合接收到双波长信号的两束激光后将合束激光穿过212待测气体产生 吸收再照射到213 分光棱镜等比分为两束激光， 一束 经过在203激光器发出的激光波长附近 窄带透光的216滤光器后由217光电探测器接收为探测信号I1,1,另一束经过在204激光器发 出的激光波长附近窄带透光的214滤光器后由215光电探测器接收为探测信号I1,2,两者由 218并行高速数据采集模块采集为数字信号， 并行 高速数据采集模块的采样速率为fs， 温度 测量的基础帧率为fL， 波长调制的频率为fH， 则高速采集帧率FH由可调整的采样 速率与波长 调制的频率决定并可表示 为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115468932 A 2FH＝fs/fH    (2) 其中， 在1/fL时间即一个基础帧率信号周期内的采样点序列长度为fs/fL， 则超帧率数 据的第i帧的数据在一个 基础帧率信号序列内位置可以表达为： Si＝(i+kfs/fH)(k＝1,2,…,fH/fL， i＝1,2,…fH/fL)    (3)。 3.按照权利要求1所述的一种基于激光气体吸收光谱的温度超帧率测量系统与方法， 其特征在于， 由104数据分割处理模块基于超帧率分割后的信号进行气体温度时变的吸收 谱峰值点特征进行谱参数拟合， 结合比色法进行待测气体温度的超帧率求解， 具体实现过 程如下： 针对并行高速数据采集模块采集到的数字信号， 按照下式计算吸 收率数据αi,1与αi,2， 根据比尔朗博定律有： α(v)＝PXLS(T)φ(v)                  (5) 其中， P、 X、 L分别为气体 的压力、 浓度与长度参数， S(T)、 φ(v)分别表示随温度变化的 吸收谱线强度与线型函数， 同时针对变化的温度场的吸光度函数A可以表达为： 利用Voigt函数能够拟合到一个温度下的吸收度， 为了降低温度变化给拟合带来的误 差， 选取让式(6)中泰勒高阶项趋于0的数据点集合， 这里选择αi,1与αi,2中的波数满足以下 关系的数据点 参与拟合， φ(v)＜ ε0或|φ'(v)| ＜ ε1    (7) 其中， ε0与 ε1分别为设置的取点阈值， 这里 其中， γ是吸收谱线型的半宽， v0为选取的吸收线型的谱线中心， cl与cg分别为洛伦兹 线型与高斯线型 所占的线型比例； 同时可以根据如下比色法求 解： A1与A2分别为以上两个波长的激光的探测 结果拟合到的吸光度， 进而根据数据库计算 得到的S1(T)与S2(T)的比值计算R对应的温度值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115468932 A 3