一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统与方法

precision distance metrology applications)介绍了一种基于连续波调制的激光三角法进行微小距离测量得方法，在8.7m的距离下验证系统具有50μm的测距分辨率。2019年jiang等在《传感器》(sensors)第19卷第5132页发表的论文《基于希尔伯特相位细分的频率扫描干涉测量绝对距离》(absolute distance measurement using frequency-scanning interferometry based on hilbert phase subdivision)中利用希尔伯特变换提取辅助干扰信号的相位，并计算出相位间隔所对应的时间点，进而实现了对振动绝对距离的测量，将测振的精度提高到4.64μm。但是在相干检测中，激光调制过程中的光频非线性会引起拍频信号频谱展宽，降低了空间分辨率，而且系统也同样存在复杂度高的缺点。相比于上述的测振手段，激光多普勒测振技术通过解析振动所产生的多普勒频移量，得到物体的振动状态，激光多普勒法具有测量速度快、分辨率高、集成度高等优点，而且激光多普勒测振仪也是商用比较成熟的测振仪器。2019年tian等在《机械系统与信号处理》(mechanical systems and signal processing)第121卷第158页发表论文《用于铝板损伤检测的脉冲激光扫描激光多普勒测振仪(pl-sldv)相控阵》(pulsed laser-scanning laser doppler vibrometer(pl-sldv)phased arrays for damage detection in aluminum plates)中用非接触扫描多普勒测振仪阵列对铝板平面因振动引起的损伤进行了检测，在9khz的振动频率下，结合新的成像算法实现对振动裂纹的成像。2020年liu等在《测量科学与技术》(measurement science and technology)第31卷第25202页发表论文《一种用于确定扫描激光多普勒测振仪位姿的新算法》(a novel algorithm for determining the pose of a scanning laser doppler vibrometer)中通过使用振镜系统引导激光束扫描物体，提出了一种新颖且易于实现的算法来确定扫描激光多普勒测振仪的姿态如方向和位置。以航空发动机的叶片为例，控制的激光光斑位置准确，与表面实际布置的测量点最大偏差小于1mm。然而由于外界环境的干扰，激光多普勒测振仪采集的激光干涉信号不仅携带被测物体的振动信号，而且携带更多的是外界环境噪声，甚至在大多数情况下，振动信号会被噪声完全掩盖。目前文献报道的测振方法，高温环境的影响会损害设备，降低测量结果的信噪比，且这些振动测量方法无法实现温度测量。
5.对于温度的测量，接触式的温度测量手段主要为热电偶、示温漆和示温晶体等，但是这种测量方式对流场干扰严重，并且在高温高压、强腐蚀性等恶劣环境下测量精度急剧降低，比如2018年khatri等在《传感器和执行器a：物理》(sensors and actuators a:physical)第280卷第188页的论文《基于薄膜热电偶和热堆元件的批量生产兼容的多功能热敏传感器》(a batch fabrication-compatible multifunctional thermal sensor based on thin film thermocouple and thermopile elements)提出了一种结合热电偶和高温涂层的高温多功能热传感器，该传感器可采用工业标准的微加工技术批量生产。薄膜热电偶和热电堆功能设计用于同时提供表面温度和表面热流数据。该传感器体积小，便于安装和使用最高测温可达800℃。薄膜热电偶具有结构尺寸薄、响应速度快等优点，但存在引线连接困难、热电特性一致性较差的问题。2021年wang等在《工业计量》(industrial metrology)第31卷第6期第33页发表的论文《柔性热电偶线在航空热加工中的应用》(application of flexible thermocouple wire in aviation hot working)中研究了柔性热电偶线在国内航空制造业热加工过程中的应用，柔性热电偶线具有轻便、热响应速度快以及价格低廉的特点。但是在使用的过程中可能会因为安装等问题或因为剧烈的振动出
air cooling application)中提出了一个精确的红外辐射测温方案，通过考虑高温环境的背景辐射以及物体的光谱发射率，提高了测量精度，热电偶测量值在5％范围内吻合良好。2022年zentgraf等在《燃烧和火焰》(combustion and flame)第235卷第111707页的论文《通过使用激光诊断同时定量测量co2、co和温度并详细评估侧壁淬火燃烧器中的热化学》(detailed assessment of the thermochemistry in a side-wall quenching burner by simultaneous quantitative measurement of co2,co and temperature using laser diagnostics)中使用相干反斯托克斯拉曼光谱诊断了燃烧产生的co的摩尔分数，对高温然受后的壁温，通过激光诊断进行了额外评估，然而该技术受限于激光器性能，其重复频率仅为10hz左右，不适用于快速动态的温度测量，同时纳秒相干反斯托克斯拉曼光谱测温技术会受到非共振背景的干扰，信号与非共振背景信号混叠在一起，导致温度测量的准确度受到影响。2021年rao等在《应用光谱学》(applied spectroscopy)第42卷第349页的论文《激光诱导击穿光谱用于甲烷-空气层流扩散火焰的表征》(laser-induced breakdown spectroscopy(libs)for the characterization of methane-air laminar diffusion flame)中使用激光诱导击穿光谱对甲烷-空气层流扩散火焰进行了表征，揭示了其成分的空间分布。对典型排放与热电偶测量火焰温度的相关性进行了估算，结果表明，温度的变化趋势可以用燃烧产物的排放强度来表征。激光诱导击穿光谱的信号强度受到许多因素的影响，如激光能量、光谱仪的波长范围和探测器的灵敏度等，系统复杂，不适用于工业场景的现场温度检测。激光荧光光谱测温可以独立的实现对温度场的检测，是一种基于激光的比率测量技术，通过激光激发探测原子的两个较低电子态的荧光，并且产生的荧光比率与气体的温度相关。2020年weng等在《国际燃烧学会会刊》(proceedings of the combustion institute)第37卷第1417页的论文《两线原子荧光的同步标定及其在烟灰高精度温度成像中的应用》(simultaneously calibrated two-line atomic fluorescence for high-precision temperature imaging in sooting flames)中发展了用于湍流舒缓火焰的非线性二线原子荧光测温技术提高气体温度平面测量的精度，在平稳和湍流火焰中进行了温度的测量，在1610 k和1854 k的温度测量条件下的精度分别为
±
67 k和
±
75k，并实现了空间分辨率为550
×
550μm的温度场成像。但是与激光诱导击穿光谱相类似，为了保证时间的分辨率需要使用较好的高速相机，系统较复杂不适用于工业场景下温度的远距离遥测。以上基于激光光谱测温技术都可以在一定程度上实现对温度的检测，但是检测系统复杂度高，难以长时间的稳定测量，并且难以用于远距离现场温度点的遥测。
7.相较于上述测温手段，激光吸收光谱技术具有非侵入性、快速响应、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，在温度测量方面具有较大的潜力，过去的研究中多针对路径上温度均值的测量，无法实现对壁面温度的测量。2021年，yang等发表在《燃料》(fuel)第288卷第119666页的论文《通过甲烷/空气层流预混火焰中oh(x)紫外宽带吸收谱的温度和oh浓度测量方法》(temperature and oh concentration measurements by ultraviolet broadband absorption of oh(x)in laminar methane/air premixed flames)利用宽谱段的紫外激光器，实现了温度和oh基团浓度多个谱线的测量，温度测量的准确性在16k以内。然而弱光强的直接吸收法中基线和线型的拟合都非常容易受到外界环境的干扰，抗噪能力弱，光谱测量不准确，难以用于工业环境中的温度预警。2019年peng等发表在《国际燃烧学会会刊》(proceedings of the combustion institute)第37卷第1435页的论文《单端
中红外激光吸收传感器用于旋转爆震发动机环空中水浓度和温度的时间分辨测量》(single-ended mid-infrared laser-absorption sensor for time-resolved measurements of water concentration and temperature within the annulus of a rotating detonation engine)中提出一种单端进行旋转燃烧场的温度高时间分辨率测量的方法，设计了一个20khz测量速率的单端双波长红外传感器。该方法通过一面转向镜将激光束导入燃烧器中，来自镜面抛光的不锈钢燃烧器内表面的反向散射辐射被反射回探测组件，完成温度的测量。该方法可以实现激光和探测信号的同端收发，但是，在这种方法中，燃烧器内表面在多次烧制后失去光泽时，探测信号会随着测量时间的增加而变得越来越弱，使用寿命短，无法长时间的稳定检测。当然这些方法都只能实现对温度和温度分布的测量，但是却没有测振的功能。
8.最近，激光色散光谱作为一种新的测试手段被提出，该方法已被用于测温测距中。在2010年wysocki等在《光学快报》(optics express)第18卷第26123页发表论文《啁啾中红外量子级联激光器用于化学传感的分子色散光谱》(molecular dispersion spectroscopy for chemical sensing using chirped mid-infrared quantumcascade laser)中介绍了一种通过声光调制产生双色激光，通过在光电探测器上产生拍频，然后通过频率解调得到色散频率进行浓度测量的方法，并将其命名为啁啾色散光谱法，该方法不受高浓度下饱和吸收的影响，在高浓度测量中仍表现出较好的线性响应。2012年nikodem等在《应用物理b》(applied physics b)第109卷第477页发表论文《分子光谱谐波检测的啁啾激光色散光谱》(chirped laser dispersion spectroscopy with harmonic detection of molecular spectra)提出了基于啁啾调制和结合相敏检测的啁啾色散光谱，该方法具有了更强的抗噪能力，可以探测高浓度下最强烈的一氧化二氮，实现了高浓度下准确的气体浓度测量。2014年mateos等在《光学快报》(optics express)第22卷第14143页发表论文《无标定分子色散光谱的外差相敏检测》(heterodyne phase-sensitive detection for calibration-free molecular dispersion spectroscopy)中提出了使用电光调制器产生三色激光用于记录色散光谱实现了外差色散光谱测量，然后通过相敏检测获得因为色散引起的相移，实现了气体浓度参数的测量方法。以上色散光谱的方法都将重点放在浓度的测量上，因为色散光谱对不受光功率波动的影响，并且具有零基线测量的优点，可以被应用于高浓度或长距离的气体浓度检测。对于温度的测量，2018年ma等在《应用物理b》(applied physics b)第124卷第1页发表论文《中红外外差相敏色散光谱对层流中温度和h2o的传感》(temperature and h2o sensing in laminar premixed flames using mid-infrared heterodyne phase-sensitive dispersion spectroscopy)中将色散光谱用于对预混火焰的温度测量并获得了水的浓度，在1000-3000k的温度范围内，两个h2o色散谱的峰峰比与温度呈单调关系，表明利用激光色散光谱进行双线测温的能力。2021年，hangauer等发表在《光学通讯》(optics letters)第46卷第2期第198-201页的论文《用于同时进行距离检测和化学光谱传感的啁啾激光色散光谱》(chirped laser dispersion spectroscopy for spectroscopic chemical sensing with simultaneous range detection)利用激光吸收相位谱和连续光测距中均需要高频强度调制的特性，同时实现了浓度和距离测量，测量距离可达到数公里，但是该方法距离测量的精度较低，且该方法没有获得温度信息。现阶段针对重大动力装备中关键零件壁面的温度和振幅的遥测，迫切需要高精度的测振测温手段，而色散光谱具有
在实现高精度温度和振幅同时测量的潜力。
9.基于以上技术背景，本发明提出了一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统与方法，将气体池和原向反射器件置于需要监测的高温振动环境中，可以快速的感知待测场温度和距离的变化，通过相敏检测提出因为分子跃迁和光程变化引起的相变计算待测表面的温度和振动的频率及振幅，还可以通过与原始信号对比得到物体的绝对距离，实现遥测的功能，该发明结构简单、反应速度快、灵敏度高，可以集成为一体化传感器用于在航空发动机、高超发动机、重型燃机及燃煤燃气窑炉等重大动力装备在热振环境下，关键零件壁面的温度和振幅的遥测。


技术实现要素：

10.本发明提出了一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统与方法，系统包括激光发射模块、电光调制器、分束器、数据采集处理模块、准直镜、透射反射一体化光学模块、气体池和原向反射器件按光束传播和电信号产生、传输、处理的路径依次设置组成。
11.激光发射模块发出调制激光通过电光调制器进行高频强度调制后通过分束器后，一束直接输入光电探测器1后输入数据采集处理模块，另一束通过准直镜准直后穿过透射反射一体化光学模块入射到气体池，穿过气体池的光通过原向反射器件后原路反射到透射反射一体化光学模块，然后光电探测器2接收后输出到数据采集处理模块实现对热振参数的解算；所述得激光发射模块、电光调制器、分束器、准直镜、光电探测器1、透射反射一体化光学模块、光电探测器2、数据采集处理模块可以集成为一套监测仪器，然后对位于任何待测高温振动环境中，由气体池和原向反射器件进行温度和振动参数的高精度遥测；热振参数解算的方法包括：通过对光电探测器1和光电探测器2获得的光强信号进行相敏检测得到初始相位和探测相位由探测相位的无吸收部分拟合得到由于距离变化引起的和通过相变与初始相位的差得到距离相位，计算振动引起的振幅变化，通过探测相位与相变的差得到吸收相位，通过比色法计算气体池的温度。
12.所述的激光发射模块含有可调谐激光器，可以通过温度和电流调制激光器输出的中心波长和光强，是激光器在一定范围内输出连续波长的激光，然后输入电光调制器中，实现对光的高频强度调制，使入射激光除可调谐激光器本身发出的激光波长外，在中心波长两侧产生两个频谱带，产生三色激光，这两个频谱带与中心波长均相距一个强度调制频率，三色激光分为两束；一束由电光探测器1接收，用于计算初始相位，一束通过待测目标后，由电光探测器2接收，用于计算探测相位，然后通过气体吸收引起的相位变化用于计算温度信息，光程变化引起的相位变化用于计算振动信息。所述的透射反射一体化光学模块可以对来自不同方向的激光束分别实现透射和反射的功能，实现了传感器信号的收发一体化。
13.首先通过调制激光发射模块的注入电流来控制激光器的输出波长，激光发射模块通过调制后发出扫频激光，在某一时刻，将激光器发出的激光看成频率为ω0的单频激光，激光通过频率为ω的电光调制器进行强度调制，产生具有已知频率间隔ω的三色光束，然后通过分束器将调制后的激光分为两束，一束光作为参考信号直接输入光电探测器1以获得初始相位；另一束光作为探测信号通过准直镜准直后通过透射反射一体化光学模块到达气体池后的光，由于分子跃迁会同时发生吸收和色散，通过107气体池的三色激光在目标吸收跃迁附近将经历不同的折射率引起的不同相移；然后通过原向反射器件沿着原始光的方
向反向传播到达透射反射一体化光学模块并会聚到光电探测器2，由气体池中气体样品的温度和振动引起的位移变化引起的相变，可以表示为
[0014][0015]
其中，和分别表是由光程变化和色散引起的相变，ω0是光频，c是光速，n是折射率，δl和lc分别是总光程和气体池的长度，ω是电光调制器的调制频率，决定系统的测量相位的能力，在公式(1)中，前一项为非吸收光路引起的相位变化，后一项为吸收色散引起的相对相位变化，首先通过对探测信号的非吸收部分拟合得到由于距离变化引起的相位偏移，通过求解基准相位谱，可以得到目标振动的频谱分布，对应的光程长度可以表示为
[0016][0017]
其中，是由光电探测器1得到的初始相位，可以消去群延迟相位对测量结果的影响，通过与初相位的差，可以获得由振动引起的监测仪器与原向反射器件直接的距离变化所产生的绝对相位变化，进而可以获得绝对的距离变化，距离变化的平均值即为目标所在的位置信息，最后通过对基线的偏移相位进行频谱求解可以得到振动的频率分布；当激光扫过分子跃迁时，吸收和色散同时发生，从kramers-kronig关系可知，折射率是与吸收相关的函数，可以表示为
[0018][0019]
其中，ω是光的频率，α(ω)是位于频率ω处的吸收系数，所以气体的色散光谱可以得到和吸收光谱一样气体信息，两条不同分子跃迁处的色散光谱的峰峰值反映了不同谱线处的线强度，通过计算两条谱线的相位峰峰值，并利用测量值与理论值的偏差，通过查表，确定相位对应偏差值的平方和最小的位置，从而获得温度的测量值。通过所述的热振遥测系统，可以实现对高温振动目标温度和振幅的多参数测量。
[0020]
本发明的有益效果：本发明结构简单，集成化程度高。通过作为无源器件的气体池对热振耦合环境中的温度和振动信息进行感知，结合激光色散光谱技术灵敏度高、测量准确的特点，设计了反射式的检测设备，可以实现非侵入、快响应、高灵敏度、低成本、高精度的温度场遥测，且系统的灵活度大，所述的透射反射一体化光学模块和原向反射器件有多组选择方案，适配不同的应用场合，对于改变感应模块中气体池的气体成分和相应的激光器组出射光波长，也可以实现对多种环境的应用，应用面广泛，实用性强。
附图说明
[0021]
图1是一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统与方法的典型结构图，
[0022]
其中，101激光发射模块、102电光调制器、103分束器、104准直镜、105光电探测器1、106透射反射一体化光学模块、107气体池、108原向反射器件、109光电探测器、110数据采集处理模块。
[0023]
图2是由探测信号计算温度和振动信息的流程图。
[0024]
图3是6036cm-1
的激光色散谱。
[0025]
图4是6046cm-1
的激光色散谱。
具体实施方式
[0026]
下面结合实例对本发明作进一步说明。
[0027]
典型结构如图1所示，一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统与方法，系统包括101激光发射模块、102电光调制器、103分束器、104准直镜、105光电探测器1、106透射反射一体化光学模块、107气体池、108原向反射器件、109光电探测器2、1110数据采集处理模块按光束传播和电信号产生、传输、处理的路径依次设置组成。
[0028]
本实施例中，所述的101激光发射模块采用两个分布反馈半导体激光器，106透射反射一体化光学模块采用口径为50.8mm、反射角度90
°
、反射焦距152.4mm带3mm对准通孔的离轴抛物面反射镜，所述的108原向反射器件采用口径为25.4mm、反射精度为5
″
的角锥棱镜，在此条件下，系统的有效遥测距离可以达到1000m以上，遥测距离主要受限于离轴抛物面反射镜的口径和角锥棱镜的反射精度，所述的107气体池和108原向反射器件由折射率匹配的高温环氧树脂粘接组成感应模块。
[0029]
本实施例中，所述的107气体池中含有甲烷和氮气，所述的101激光发射模块采用中心波束为6036cm-1
和6046cm-1
的分布式布拉格反射式半导体激光器，感应模块放置于357k的温度点处，具体的激光吸收谱的温度参数解算过程如图3所示，包括以下步骤：
[0030]
步骤一、所述的101激光发射模块，通过控制电流和温度波长调制出射覆盖气体吸收波长的激光，调制后的激光通过102电光调制器进行频率为400mhz的高频调制，得到具有两个边带的三色光，然后通过103分束器分为两束，一束直接输入105电光调制器1作为原始相位信号，另一束通过104准直镜准直后穿过106透射反射一体化光学模块，透过106透射反射一体式光学元件的光入射到107气体池，穿过107气体池的光通过108原向反射器件后原路反射到105透射反射一体化光学模块，然后会聚到109电光调制器2作为探测相位信号，最后输入106数据采集处理模块。
[0031]
步骤二、在106数据采集处理模块中通过相敏检测得到原始相位和探测相位然后由探测相位的非吸收部分拟合得到由于距离变化引起的相变
[0032]
步骤三、计算两条谱线吸收相位的峰峰值，然后通过比色法计算温度为600k，计算距离相位差的频谱分布得到振动的频率为150hz，并将距离引起的相位差代入公式(3)求解振动引起的距离变化，振动的幅值为0.00097m，并通过距离变化的平均值得到振源的位置为距离传感器0.2578m，实现温度和振动信息的高精度测量。
[0033]
所述的101激光发射模块、102电光调制器、103分束器、104准直镜、105光电探测器1、106透射反射一体化光学模块、109光电探测器2、110数据采集处理模块可以集成为一套监测仪器，对位于任何适用温度场中由107气体池和108原向反射器件进行温度和振动的高精度遥测。
[0034]
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。