可调谐二极管激光吸收光谱测温法发展与应用

摘要：可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）作为非接触式温度测量方法的一种，具有接触式测温方法所不能达到的多项优点，在航空航天等工业领域得到了较为广泛的实际运用，取得了显著效果。文章对可调谐二极管激光吸收光谱测温技术的原理、分类及优缺点作简要介绍，通过对在航空航天领域的具体应用分析，为液体火箭发动机试验的具体应用提供参考。

关键词：TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱技术）；测量原理；航空航天；

0引言

TDLAS是一种高分辨率激光吸收光谱技术，于上世纪六十年代中期随着铅盐可调谐激光器的发展而兴起。TDLAS测温技术作为非接触式温度测量方法的一种，具有非接触无损检测、高灵敏度、实时动态、可多组分多参量同时测量等独特优势，从其诞生后就倍受燃烧研究工作者的青睐，近十多年来在燃烧诊断领域的应用愈加广泛多样，发展极其迅猛。

1 TDLAS测温技术原理

利用TDLAS 技术进行温度测量，其理论依据为比尔-朗伯定律。当频率为的激光光束通过待测温度场经过特征分子的吸收后，入射光的强度会因为气体分子的吸收而衰减[1]。

线型函数反映了光谱吸收率随着波长改变而发生的相对变化，在选择时关键是确定吸收线的线宽。线宽分为全线宽和半线宽，通常仅考虑多普勒加宽和碰撞加宽，自然加宽和笛卡尔收缩可忽略不计。在实际应用中，一般是将多普勒加宽和碰撞加宽两者结合构成Voigt线型函数，它可看成是由多普勒加宽线型函数和碰撞加宽线型函数的卷积而成[2]。

式（3） 两端对频率积分可得到该谱线的积分吸收率。由于在整个频域范围内的积分值为1，因此积分吸收率将只和温度和组分浓度有关。当得到谱线的积分吸收率即可得到气体的温度与组分浓度等信息。

2 TDLAS测温技术分类

根据波长调谐方式的不同，TDLAS 技术主要分为直接吸收法和波长调制法。直接吸收法直接检测激光光波出入射前后的光强和值，根据半导体激光器的调谐性能，通过改变工作温度和注入电流的方式来调节输出的波长，使其扫描过被测气体吸收谱线的特定波长区域。通过对激光器发出的原始信号值，穿过待测场区后的信号值的精确测量，得到直接吸收光谱信息。

当吸收信号较弱或谱线重叠无法获取基线时，需要使用波长调制光谱法（WMS）。WMS技术的基本方法是通过一个高频正弦波调制入射光强，调制波形将反映在介质的透射光强上，通过分析透射光强在高频正弦波调制入射光强，调制波形将反映在介质的透射光强上，通过分析透射光强在高频调制频率分量上的强度信息，可以准确的得到吸收信息，从而排除背景噪声对测量的影响。

3 TDLAS测温技术应用

随着TDLAS相关技术的发展和成熟，TDLAS作为一种有力的诊断工具广泛地用于航空航天发动机领域的的诊断和工业燃烧的测量等。

2013年，NASA（美国国家航空航天局）兰利中心在直连超音速燃烧测试试验设备上成功应用了TDLAS技术与层析成像技术相结合的可调谐二极管激光吸收层析成像技术（TDLAT），用于确定高焓流体中二维空间的温度和浓度分布的测量问题，为超燃冲压发动机燃烧室的性能提供重要参数[3]。通过TDLAT测量技术，不但实现利用单个测试光谱数据计算温度参数，也重构了部分二维空间的温度分布情况，这对于TDLAS技术应用是一个里程碑意义的发展。

2016年，美国卡尔斯本大学巴法罗研究中心为NASA所设计的空间发射系统（SLS）飞行器进行的基底温度测试中应用了TDLAS技术。通过采用了高分辨率的可调谐二极管激光光谱仪用于测量氢氧核心发动机和固体发动机燃烧产物分子的温度，从而探究发动机喷管排气羽流相互作用的影响[4]。

TDLAS测量系统中的激光器与接收器安装在LENS II测试顶部的光学板上，在基底下方安装一个反射镜，使激光器器中的发射的光学信号经过反射镜反射，并遵循光学路径到达安装在激光器旁边的接收器中。该TDLAS光谱仪提供了理想的平均温度信息，与CFD仿真结果较为一致，同时能够测量出流过基板羽流的径向速度，为探究发动机喷管排气羽流相互作用奠定基础。

我国TDLAS燃烧诊断技术研究属于起步阶段，大多停留在定性测量和实验室测量，还没有完全将其与现有的发动机或其它实际燃烧流场测试平台相合。例如天津大学近年来与中国航天科工集团第八三五八所等单位合作，开展TDLAS二维温度场测量以及多组分多参量的测量研究，已完成了初期的实验验证工作，并尝试应用于超燃发动机的燃烧诊断中[5]。

4总结

针对目前新一代液氧/煤油、液氧/液氢发动机燃烧稳定性评估，需要对燃烧室内部温度或温度场等进行精确测量。以TDLAS为首的激光光谱技术非接触测温法正得到越来越多的关注。

TDLAS测温技术所需激光器价格低、体积小，使用方便，适用于动态设备的测量，例如航天航空发动机的在线测量；响应速度快、时间分辨率达ms量级；可运用多个不同波长的激光器测量燃烧温度场；不受其他气体干扰等多项优点，应用于燃烧诊断领域，可获得燃烧场中燃烧产物气体的温度、组分和浓度等多种信息。不过，恶劣环境对于TDLAS光学元件的工作精度、准确性以及稳定性有较大的影响，例如在姿轨控发动机高模试验环境，这是亟待解决的技术难题，也是TDLAS测温技术未来重要的发展与提升方向。

参考文献

[1]Rieker G B，Jeffries J B，Hanson R K，et al.Diode laser-based detection of  combustor instabilities with application to a scramjet engine，Proceedings  of the Combustion Institute，2009，32（1）：831-838.

[2]David Brueckner，David Roesti，Ulrich Zuber，et al.Tunable diode laser absorption spectroscopy as method of choice for non-invasive and automated  detection of microbial growth in media fills[J].Talanta，2017，167：45-49.

[3]Kristin M，Busa1，Erik N，Brian J.Measurements on NASA Langley Durable Combustor Rig by TDLAT： Preliminary Results.[R]NASA/TP-2013-507327.

[4]Ronald Parker，Zakery Carr，Aaron Dufrene.Space Launch System Base Hea-ting Test： Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy.54th AIAA Aerospace Sciences Meeting，2016.

[5]李飞，余西龙，陈立红，等.用于超燃冲压发动机燃烧室温度测量的TDLAS系统设计，第七届全国实验流体力学学术会议论文集.2007.