基于代数迭代算法的燃烧火焰温度场和气体浓度场重建研究
matlab 火焰 温度 重建
Matlab 火焰温度重建引言火焰温度的估计在燃烧研究和应用中具有重要意义。
在许多工程领域中，包括能源、材料和化学工程等，了解火焰温度的分布和变化对系统的设计和优化至关重要。
Matlab作为一种功能强大的数值计算工具，可以用于火焰温度的重建和分析。
本文将探讨如何使用Matlab进行火焰温度的重建工作。
一、火焰温度的重建方法火焰温度的重建是通过对火焰颜色或辐射强度的测量来实现的。
常见的重建方法包括基于颜色比率法、荧光光谱法和红外测温法等。
下面将介绍其中几种常用的方法。
1. 基于颜色比率法基于颜色比率法是一种简单而有效的火焰温度重建方法。
它基于热辐射的波长和温度之间的关系，通过测量火焰颜色的信息来估计温度。
该方法主要包括两个步骤：首先，使用彩色摄像机拍摄火焰图像；然后，通过分析火焰图像中的颜色信息，计算出火焰的温度。
Matlab提供了丰富的图像处理和计算函数，可以有效地实现基于颜色比率法的火焰温度重建。
2. 荧光光谱法荧光光谱法是一种非常灵敏的火焰温度测量方法。
它利用火焰中的发光物质的荧光特性来估计温度。
通过选择适当的荧光发射峰值和衰减指数，可以准确地计算出火焰的温度。
Matlab可以用于荧光光谱数据的处理和分析，从而实现火焰温度的重建。
3. 红外测温法红外测温法是一种接触式无损测温方法，可以通过红外线摄像机或红外测温仪来实现。
它通过测量火焰表面的红外辐射来估计温度。
红外测温法具有高精度和实时性的特点，广泛应用于各个领域。
Matlab可以用于红外图像的处理和分析，从而实现火焰温度的重建。
二、Matlab实现火焰温度重建的步骤火焰温度重建的具体实现步骤如下：1.收集火焰图像或数据：使用相机、光谱仪或红外测温仪等设备收集火焰的颜色、光谱或红外数据。
2.数据预处理：对采集到的数据进行预处理，包括去噪、增强和校正等。
3.特征提取：根据选择的火焰温度重建方法，从预处理后的数据中提取相应的特征。
对于基于颜色比率法，可以提取火焰图像中的颜色信息；对于荧光光谱法，可以提取光谱数据中的荧光特性；对于红外测温法，可以提取红外图像中的辐射信息。
利用改进ART算法模拟重建炉膛截面温度场
（ ） 中 ， ｒｓ １式 （ ，）为 ｓ 的辐 射强 度 ， Ｓ 处 Ｋ （ ）为 Ｓ 颗 处
粒 的辐射 吸收 系数 ，ｂ ｒ ，。 ）为 ｓ 的黑体 辐射 强度 。 （ 处
对 测量 断 面进行 网格 划 分 ， 图 １ 并 假设 每 一 如 ， 网格 内温度 和 辐射 吸收 系 数 分 布 均 匀 ， 取 测 量 波 选 长 为 Ａ ， １ 式 得 射 线 经 过 一 个 网 格 的辐 射 传 递 由（ ）
线 经过 网格 的黑 体 辐 射 强 度 ， 表 示 网格 内部 的辐 模 型 。
射 吸 收系数 。
如 图 １沿 射线 累积 到达 Ｃ Ｄ的辐 射强 度值 为 ， Ｃ
２ 改进 Ａ Ｔ重建算法 Ｒ
在 实 际锅炉 内温 度 测 量 中 ， 建 区域 通 常可 构 重 （ ） 中 ： 为壁 面发 出 的辐 射 强度 ， ３式 ， Ｐ为该射 线辐 造 为正 方形 且 重 建 区域 网格 划 分 与 Ｃ Ｄ机 位 安 排 Ｃ 射 强度 投影 值 ， 射线 经过 网格 序 数 ， 为 射 线经 呈几 何 对称 结构 。如 文献 ［ ］ Ｃ Ｄ置 于重 建 区域 为 ｍ ５将 Ｃ 四角 。针对 这种 辐 射 投 影 对 称 结 构 ， 以下 两 方 面 在 由于炉膛 壁 面 温 度 相 对 炉 内温 度 明显 较 低 ， 且 改进 Ａ Ｔ算 法 ： ） 用 对称 性加 速 计算 投影 系数矩 Ｒ １利 壁 面辐 射能 量 也 较 小 ， 实 际 计 算 中 常 将 （ ） 中 阵 Ａ ２ 调整 迭 代 过 程 中投 影 序列 排 序 方 式 ， 过 在 ３式 ） 通 等号右 端第 一项 忽 略 ， 拟 试 验 结 果 表 明简 化后 误 减 少迭 代次 数缩 短运 算 时间 。 模
基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量
基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量戴斌;阮俊;许振宇;李俊松;阚瑞峰;姚路【摘要】为验证可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,在航空发动机燃烧室燃烧流场测量领域的适用性,以自主设计的高温升模型燃烧室为研究对象,结合多光路正交布网的测量方法,对燃烧室出口的燃气温度进行测量,并利用层析算法实现测量截面的二维分布重建,同时采用固定的温度探针进行测量与对比验证.结果表明,采用TDLAS结合层析重建的方法,基本能获得具有时间分辨的燃烧室出口温度分布的主要特征,可以区分高温区和低温区,但单线测量和场分布重建精度还有待于进一步提高.进一步优化该系统,可用于航空发动机燃烧室出口温度和组分浓度分布测量.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2015(028)004【总页数】8页(P49-56)【关键词】可调谐二极管吸收光谱(TDLAS);航空发动机;燃烧室;出口温度场;多光路正交;试验验证;二维重建【作者】戴斌;阮俊;许振宇;李俊松;阚瑞峰;姚路【作者单位】中国燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031;中国燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031【正文语种】中文【中图分类】V231.2;TK311可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）测量技术，是一种新兴的基于激光吸收光谱分析的燃烧诊断技术［1-2］，可实现高温、高流速环境下的多流场参数测量。
相比传统的探针式接触测温法，TDLAS具有不干扰待测流场、灵敏度高、谱分辨率高、响应时间快、动态测量范围宽、多参量同时测量等优点。
近年来，TDLAS技术在燃烧流场诊断上的应用研究日益受到重视，内容涵盖了从实验室高温光谱参数研究到燃烧环境现场测量诊断的各个层面。
FDS学习笔记(一)FDS中的基本概念
火灾场景定义
描述火灾发生的时间、地点、火源类型及规模等基本信息 。
火源模型
根据火源类型（如固体燃烧、液体燃烧、气体燃烧等）选 择合适的火源模型，并设定相应的参数（如燃烧速率、热 释放速率等）。
燃烧产物
预测火灾过程中产生的烟气、有毒气体等燃烧产物的生成 和扩散情况。
网格划分与计算区域设置
网格划分
将模拟空间划分为若干个小立方 体网格，每个网格内的物理量（ 如温度、速度、浓度等）被认为 是均匀分布的。
提高FDS应用水平的建议和措施
加强FDS理论学习
深入理解FDS的基本原理和模 拟方法，掌握FDS模拟的关键
技术和使用技巧。
提高计算机性能
采用高性能计算机进行FDS模 拟，提高模拟的精度和效率。
加强实验验证
通过实验验证FDS模拟结果的 准确性和可靠性，不断改进和 优化模拟参数和算法。
推动多学科合作
加强与其他相关学科的交流和 合作，共同推动FDS在火灾安
学习FDS的目的和方法
学习FDS的目的在于掌握火灾模拟的基本原理和方法，能够利用FDS进行火灾场景的模拟和分析。
学习FDS的方法包括阅读相关文献、参加培训课程、实践操作等。其中，实践操作是学习FDS的重要环节，通过实际操作可以 更好地理解和掌握FDS的使用方法。
02
FDS中的基本概念解析
火灾场景描述
灭火器材性能评估
利用FDS对灭火器材的性能进行评估，包括灭火效果 、使用范围、安全性等方面的分析。
选型建议
根据性能评估结果，为不同场景推荐适合的灭火器 材类型及规格。
实验验证
通过实验验证FDS模拟结果的准确性，为灭火器材的 选型提供科学依据。
火灾事故原因分析及进行深入分 析，包括火源、可燃物、建筑结构等
基于自由火焰图像的三维温度场重建方法研究
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ
Ｔ ｈ ｅ ｅｒ ｒ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｆ ｒ ｅ ｅ ｆ ｌ ａ ｍｅ ｉ ｍａｇｅ ｓ ｈ ａｖ ｅ ｍｕ ｃｈ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃｅ ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅｒ ｆ ｏｒ ｍａｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｂａ ｃ ｋ ｗａ ｒ ｄ Ｍｏｎ ｔ ｅ Ｃａ ｒ ｌ ｏ ３ Ｄ ｔ ｅ ｍ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ
器 和 时 间 滤 波 器 结 合 的 方 法 对 重 建 算 法 所 采 用 的 自由 火 焰 图 像进 行 了预 处 理 。实验 研 究表 明 ， 对 自由 火焰 图像 进 行 预 处 理
之后 ，对 逆 向 Ｍｏ ｎ ｔ ｅ Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ方 法 重 建 温度 场 的低 温 区域 产 生较 大影 响 。再 通 过 与 热 电偶 温度 计 实测 数 据 比 较 分 析 ，逆 向 Ｍｏ ｎ ｔ ｅ Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ重 建 方 法 经该 预 处 理 方 法改 进 后 ， 在 火 焰 中 心 区域 重 建 温度 的误 差 可减 小近 ５ ０ Ｋ。
ｐｒ ｏｃｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ａｓ ｍ ｕ ｃ ｈ ｅ ｆ ｅｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａｃ ｋ ｗａ ｒ ｄ Ｍｏｎ ｔ ｅ Ｃａ ｒ ｌ ｏ ３ Ｄ ｔ ｅｍｐｅｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ｃｏ ｎｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｗｈｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ｎ ｅａ ｒ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏｗ ｔ ｅｍｐｅｒ ａｔ ｕｒ ｅ ｃ ｅｎ ｔ ｅｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ａｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｔ ｅｍ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｆ ｉ ｅｌ ｄ ｒ ｅｃ ｏ ｎｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏｎ ， ｂ ａ ｃｋ ｗａ ｒ ｄ Ｍｏｎ ｔ ｅ Ｃａｒ ｌ ｏ， ｉ ｍａ ｇｅ ｐｒ ｅ—ｐｒ Ｏｃ ｅ ｓ ｓｉ ｎｇ
一种稀疏矩阵算法及其在燃烧室传热计算中的应用
效 对 流换热 系数 的方法 建立活 塞组 与气缸 套之 间 的
的耦 合 传热研 究 迫切 需 要解 决计 算 时 间 长 、 内存 消 耗 大等 问题 。一方 面 ， 由于 传 热 研究 的有 限元模 型
越 来越 复杂 （ 例如 已经 发展 到活塞 组一 气缸套 ／ 气缸 体一 气 缸 垫一 气 缸 盖一 进 排 气 门 模 型 ——包 含 了
算法 ； 一方 面 ， 属部件 传热 研究 正与 三维工 作过 另 金
收 稿 日期 ：２ １ —３２ ；修 回 日期 ：２ １—７２ ０ １０—９ ０ １０ —４
下 ， 速、 快 经济地 求解成 为 急需解 决 的关 键 问题 。
活塞组 一润 滑油膜一 气 缸套 系统 瞬态温 度场 的计 算
最终 归结为 求解一 个大 型稀疏 线性 方程 组 。线 性方
程组 的求解 速度决 定 了瞬态 温度 场计算 的快慢 。对
于大 型三维 瞬态 传 热 问题 ， 保 证计 算 精 度 的情 况 在
“ 活塞组 一气 缸套 ／ 气缸 体一 气缸 垫一气 缸盖 一进 排 气 门” 的耦 合 系统 周 期性 瞬态 传 热 模 型＿ ）这 使 得 ５ ， ］ 内燃 机瞬 态传热 计 算 规模 越 来 越 大 ， 切 需要 改 进 迫
膜一 气Байду номын сангаас缸套整 体耦 合 模 拟 的方 法 是 目前 最 有 效
的方法 ， 它通 过将润 滑油 膜假设 为一 维热 阻 ， 采用 等
传 热联 系 。然 后 采用 有 限 元 法对 求 解 域进 行 离 散 ，
部件 ） 间的传热 一 直 备 受关 注 。这部 分 是 联 结工 作
过程 模 拟 、 冷却 介 质 传 热模 拟 的基 础 。金 属 部件 间
sart 代数重建算法
sart 代数重建算法代数重建算法（Algebraic Reconstruction Technique，简称ART）是一种用于三维图像重建的算法。
该算法基于代数的原理，通过迭代运算将平面投影数据转化为三维体数据。
ART算法在医学影像领域得到广泛应用，特别是在计算机断层扫描（CT）的重建过程中。
在CT扫描中，X线束通过患者的身体产生一系列平面投影图像。
这些图像包含了关于内部结构的信息。
传统的重建算法，如滤波反投影（Filtered Back Projection，简称FBP）算法，通过将投影数据反向投影到体素空间中进行重建。
然而，FBP算法在噪声和散射等方面存在一些问题，它使用直线模型来重建图像，无法涵盖复杂的非线性成像系统。
相比之下，ART算法采用了一种不同的方法。
它使用一个重建矩阵，通过迭代更新来逼近真实的三维体数据。
ART算法的核心思想是假设体素内部的吸收系数是均匀的，投影数据之间存在线性关系。
重建过程中，根据投影数据与当前体像素之间的残差，调整每个迭代步的体像素值。
ART算法的重建过程可以简化为以下几个步骤：1.初始化重建矩阵：将重建矩阵的每个像素值初始化为某个初始值，例如零或均匀分布的值。
2.计算投影矩阵预测：使用当前体像素猜测值计算投影数据的预测值。
3.计算残差：将实际投影数据与预测的投影数据之间的差异作为残差。
4.更新体像素值：根据残差和投影矩阵来更新每个迭代步的体像素值。
更新规则可以根据实际应用的需求来设计，例如最小二乘法。
5.重复迭代：重复步骤2至4，直到达到预设的收敛条件。
ART算法的优点之一是可以在重建过程中考虑非线性估计和噪声模型。
它可以通过增加迭代次数来增加重建图像的准确性，但也需要注意迭代次数过多可能导致图像模糊或产生伪影。
然而，ART算法也存在一些挑战。
首先，它对初始模型非常敏感，初始模型的选择可能会影响最终的重建结果。
其次，ART算法在处理大规模数据时，计算复杂度较高，需要较长的运算时间。
基于深度学习的多视图火焰面三维重建
第３９卷 第１期 ２０２４年３月 西 南 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０２４ＤＯＩ：１０．２００３６／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１ ８７５５．２０２４．０１．０１４收稿日期：２０２３－０２－２４；修回日期：２０２３－０４－０９基金项目：中国航发四川燃气涡轮研究院稳定支持项目（ＧＪＣＺ－２０２２－０００４）；西南科技大学博士基金（１８ｚｘ７１６４，２１ｚｘ７１０７）作者简介：第一作者，宋泠澳（１９９５—），男，硕士研究生，Ｅ ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｌｉｎｇａｏ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ；通信作者，刘涛（１９７６—），男，博士，副教授，研究方向为高性能计算、机器学习、计算机视觉，Ｅ ｍａｉｌ：ｓｗｕｓｔ＿ｌｔ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ基于深度学习的多视图火焰面三维重建宋泠澳１ 刘 涛１ 姜 东２ 李华东２ 赵冬梅１ 谢建鞍１（１．西南科技大学计算机科学与技术学院 四川绵阳 ６２１０１０；２．中国航发四川燃气涡轮研究院 四川绵阳 ６２１７０３）摘要：针对火焰面三维重建时存在背景噪点的问题，提出了一种基于ＭＶＳＮｅｔ多视图三维重构网络的ＩＭ－ＭＶＳＮｅｔ网络用于重构层流火焰的火焰面。
该网络通过对输入采样图像的参考帧以及邻域帧进行图像分割，去除采样时的背景噪声，得到高质量分割图像，然后将多视图图像进行三维重建，构建层流火焰面三维点云，进而得到重构的层流火焰面。
通过不同重构模型火焰面重构效果对比，本文提出的三维重构网络能够有效减少重构火焰面的点云噪点，提高火焰面重构精度，为燃烧研究提供了一种新的方法。
关键词：多视图 三维重构网络 深度学习 点云 背景噪声中图分类号：ＴＰ１８３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－８７５５（２０２４）０１－０１０２－０９Ｍｕｌｔｉ ｖｉｅｗ３ＤＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＦｌａｍｅＳｕｒｆａｃｅＢａｓｅｄｏｎＤｅｅｐＬｅａｒｎｉｎｇＳＯＮＧＬｉｎｇ’ａｏ１，ＬＩＵＴａｏ１，ＪＩＡＮＧＤｏｎｇ２，ＬＩＨｕａｄｏｎｇ２，ＺＨＡＯＤｏｎｇｍｅｉ１，ＸＩＥＪｉａｎ’ａｎ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．ＡＥＣＣＳｉｃｈｕａｎＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１７０３，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｎｏｉｓｅｉｎｔｈｅ３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌａｍｅｓｕｒｆａｃｅ，ａｎＩＭ－ＭＶＳＮｅｔｎｅｔｗｏｒｋｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＭＶＳＮｅｔｍｕｌｔｉ ｖｉｅｗ３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｔｈｅｆｌａｍｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗｆｌａｍｅｓ．Ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｏｂｔａｉｎｅｄｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙｓｅｇｍｅｎｔｅｄｉｍａｇｅｓｂｙｉｍａｇｅｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｓａｎｄｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇｆｒａｍｅｓｏｆｔｈｅｉｎｐｕｔｓａｍｐｌｅｄｉｍａｇｅｓｔｏｒｅｍｏｖｅｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｎｏｉｓｅｄｕｒｉｎｇｓａｍｐｌｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｎｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｔｈｅｍｕｌｔｉ ｖｉｅｗｉｍａｇｅｓｉｎ３Ｄｔｏｂｕｉｌｄａ３Ｄｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｏｆｔｈｅｌａｍｉｎａｒｆｌａｍｅｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｎｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｌａｍｉｎａｒｆｌａｍｅｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｆｌａｍｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃ ｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｎｏｉｓｅｏｆｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｌａｍｅｓｕｒｆａｃｅ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｆｌａｍｅｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｗｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅａｎｓｆｏｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉ ｖｉｅｗ；３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ；Ｄｅｅｐｌｅａｒｎｉｎｇ；Ｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄ；Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｎｏｉｓｅ 燃烧是人类社会赖以生存的重要现象，一直伴随着人类社会的发展。
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摘
要
基 于 ＴＤ Ｌ Ａ Ｓ （ ｔ ｕ ｎ ａ ｂ ｌ ｅ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ） 技术 ，以水汽作为 目标 气体 ， 采用直接 吸
收的测量方式 ， 探测了 甲烷空气预混平焰炉燃烧区域水汽的吸收光谱信号 ， 通过 Ａ ＲＴ（ ａ ｌ ｇ ｅ ｂ ｒ ａ ｉ ｃ ｒ ｅ ｅ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ —
第３ ５ 卷， 第１ Ｏ 期 ２ ０ １ ５年 １ ０月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ ｏ １ ． ３ ５ ， Ｎ ｏ ． １ ０ ， ｐ ｐ ２ ６ ９ ７ — ２ ７ ０ ２
Ｏｃ ｔ ｏ ｂ ｅ ｒ ，２ ０ １ ５
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
引 言
在钢铁 电力 ， 航空航 天 ， 工 业控制 等领域 ，气体 的浓 度
１ 测 量 原 理
本 实验将 Ｔ Ｄ Ｌ ＡＳ温度 、 浓度测 量原理 和代数 迭代重建 方 法相结合 ，以实现燃烧 区域温度场和水汽浓度场 分布的重
建。
１ ． １ Ｂ ￣ｒ － Ｌ ａ ｍｈ ｃ ｒ ｔ 定律
种非接触式激光 吸收光谱测量技术 ， 具有 良好 的检测环境 适 应性 、抗 干扰能力 强 、响应速度 快 、 可 靠性 高等优点 ， 并 且 能够实现温度 和浓 度 的同时测 量 。Ｔ Ｄ Ｌ ＡＳ作 为一种 视线 测 量技术 ， 通过单光路探测得到气体对 激光 的吸收信 号 ， 所 获 得 的是沿路径 的平 均值 ，不能 得到 燃烧 区域 的场分 布信息 。 近年来 ， 基于 Ｃ Ｔ重建算法 的场 分布反演 研究正在 国 内外 兴
的温度浓度值 ， 且炉面偏向 中心区域温度浓度值较高 ， 边缘较小 ， 结果表明代数迭代算法能够很好地实现燃
烧 区域 温 度 场 和水 汽浓 度 场 的反 演 。
关键 词 可调谐激光 吸收光谱 ；温度场 ； 浓度场 ； 代数迭代算法
中 图分 类 号 ： ０ ４ ３ ３ ． １ 文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ５ ） １ ０ — ２ ６ ９ ７ — ０ ６
入射光的频率（ ｃ ｍ ） ，ｋ 为光谱 吸收系数 （ ｃ ｍ＿ １ ） ， Ｌ为有效
吸收光程（ ｃ ｍ） 。对 于 单 一 跃 迁 ｉ ， 有
ｋ 一 Ｐ ｘ ｂ Ｓ ｉ （ １ 、 ） （ ２ ）
其 中， Ｐ为混合气体的静态总压 强（ ａ ｔ ｍ） ； ｚ 为 吸收气体 的
基 于代 数迭 代 算 法 的燃 烧火 焰 温 度场 和气 体 浓 度场 重 建研 究
夏 晖晖， 刘建 国， 许振宇 ，阚瑞峰 ， 何亚柏 ， 张光乐 ，陈玖英
中 国科 学 院安 徽 光 学 精 密 机 械 研 究 所 ，中 国科 学 院环 境 光 学 与 技 术 重点 实验 室 ，安 徽 合 肥 ２ ３ ０ ０ ３ １
ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ） 代数迭代算法对燃烧场温度和水汽浓度分布进行 了模拟重建 和实验研究 ， 模拟重建采取 ５ ×５ 共２ ５ 个 网格的正方形重建区域 ， 假定 ２ ５ 个 网格 的一个温度浓度二维分布 ，模拟 ２ ８条激光束从 不同 的角度
方位穿越重建 区域 ，得到模拟射线下的投影值 ， 经 Ａ Ｒ Ｔ算法重建 ， 结 果显示温度 场和水汽浓度 场的重建偏 差均在 １ 以内。 实验采 用分 布反馈 式激 光器作 为光 源 ， 选 取 Ｈｚ Ｏ的 ７ １ ５ ３ ． ７ ２ ２ ，７ １ ５ ３ ． ７ ４ ８和 ７ １ ５ ４ ． ３ ５ ４ ｃ ｍ 三条吸收线作为测温谱线 ，其中前两条线不区分作为一条吸收线来处理 。 使用平移 台多方位平行 扫描 ， 共获取 ３ Ｏ 路光谱 吸收信号 ， 经数据处理 、 算 法重建和双线 比值 法测温原理得到了圆形平焰 炉 １ ６ 个不 同区域
起＿ １ ～ 。本 实 验 中 ，采 用 平 移 台平 行 移 动 来 实 现 对 平 焰 炉 燃
可调谐 半导 体 激光 吸 收光 谱原 理 是基 于 Ｂ ｅ ｅ ｒ － Ｌ ａ ｍｂ ｅ ｒ ｔ
定 律 的 ，即
Ｉ
ｏ
（ ）
一ｅ ｘ ｐ （ ＿ｋ
…
（ １ ）
…
其 中 ，Ｉ ｏ （ ） 为入射光强 （ ｍ Ｗ） ， Ｌ（ ） 为透射光强 （ ｏＷ ） ｒ ， 为
一１ 。
根据式 （ １ ） 和式 （ ２ ） ，可 得 吸 光 度 Ａ（ ） 和积 分 吸 光 度 Ａ
如下［ ］
收 稿 日期 ：２ ｏ １ ４ — ０ ７ — ０ ３ 。 修 订 日期 ：２ ｏ １ ４ — １ １ － １ ５
基 金 项 目 ：国 家 自然科 学 基 金 项 目（ ６ １ １ ｏ ８ ｏ ３ ４ ） ，中 国科 学 院战 略 性 先 导 科 技 专 项 （ Ｘ ＤＡ０ ５ ０ ４ ０ １ ０ ２ ） 资助
和燃烧火焰温度 的监测对 于生 产优化 、效率 提高 、节能减 排
等 的实现具有重要意义 。传统的接触式气体温 度测量技术 如 热 电偶测温会对 温度场产 生干扰从 而造 成测量误差 ， 激光 吸
收光谱方法 ， 利用 气 体分 子在 红 外光 谱 区的 特征 吸 收谱 信 息 ，可以进行气体温度 、组分浓 度 、 气 流流速 和压力 等参 数 测量［ ６ ］ 。可调谐半 导体激 光 吸收光 谱 （ ＴＤ Ｌ Ａ Ｓ ） 技 术 作为 一
体积浓度 ；Ｓ （ 丁） 为跃 迁 ｉ 在 温度 Ｔ（ Ｋ） 下 的线 强 （ ｃ ｍ ・
烧 区域 的多方位 扫描 ， 获得 ３ Ｏ路光线投影数 据 ， 通过 Ａ Ｒ Ｔ 算法 ，实现对 ４ ×４ 共 １ ６ 个 网格的燃 烧 区域 温度和浓度 的重
建。
ａ ｔ ｍ