[0001] 本发明涉及一种燃烧场温度和生成物浓度协同测量方法及系统，属于环境气体检测技术领域。

[0002] 世界上现有的替代能源可以分为三类：含有醇、醚、酯类的含氧燃料、合成油及气体燃料。替代燃料的使用能够缓解由传统化石燃料引起一的系列问题，例如替代燃料来源丰富稳定，可以降低燃料的使用成本，降低燃烧产物中氮氧化合物、一氧化碳、多环芳烃、颗粒物及碳烟等有害物质的排放，提高燃烧效率及燃烧过程的安全性等。但作为新兴燃料其使用过程中也存在一些缺陷，以目前在我国使用广泛、技术已较为成熟的醇类汽油为例，在其使用过程中仍存在燃烧动力不足、燃烧产物中的乙酸和乙醛会腐蚀发动机、积碳较为严重等问题。当下，对于新型替代燃料的制备与理化特性评价是国际内燃机研究的前沿课题和重点发展方向之一，而这一切研究都需要建立在对新型替代燃料燃烧机理及燃烧特性充分了解的基础之上。

[0003] 已有的替代燃料燃烧机理大都是通过模仿一些传统化石燃料的燃烧机理得到，相对传统化石燃料而言，替代燃料成分中含有各种物理、化学性质及燃烧动力学均不明确的大分子及氧化物、烷烃等化合物，再加上由于检测手段不足导致替代燃料燃烧动力学目标参数等基础实验数据缺失，所以大部分替代燃料的燃烧机理还不明确甚至未被研究。因此，需要发展能够用于燃烧诊断的高精度痕量气体检测技术，在对替代燃料燃烧过程中燃料组分、醇类替代比、燃烧温度、燃烧中间体及污染物等燃烧参数的时间演变信息进行诊断分析的基础上，开发替代燃料的反应动力学模型及燃烧机理，明晰替代燃料的燃烧本质，进而推动新型替代燃料的研制及先进清洁燃烧技术的进步。

[0045] 下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0046] 本发明在克服高温下分子热解速率与测量时间相互制约的基础上，以具有高速调谐特性的中红外量子级联激光器(QCL)作为光源，针对目前基于“波长对”的差分吸收技术中基线非同步获取所引起目标特征光谱失真对测量准确性和适用范围造成的限制，在研究可用于高温高压环境中混合谱线的基线提取算法的基础上，开发一种能够通过有效基线与测量信号同步获取来优化目标特征光谱的差分吸收新方法，并将该方法与同位素示踪技术相结合，实现对燃烧过程中的流场温度、燃料替代组分和部分重要中间体及污染物的时间演变测量，并分析不同条件下替代组分对中间体、污染物的生成及燃烧效率的影响，为替代燃料燃烧动力学模型的建立提供数据支持，为先进燃烧流动机理研究提供研究手段，进而推动新型替代燃料的研制及先进清洁燃烧技术的进步。

[0047] 为实现上述技术目的，本发明提供一种燃烧场温度和生成物浓度协同测量装置及方法，通过研究基于Levenberg‑Marquardt数据回归的混合谱线基线提取算法，开发一种能够通过有效基线与测量信号同步获取来优化目标特征光谱的差分吸收新方法，使用具有高速调谐特性的QCL作为激发光源，以添加甲醇的替代燃料为研究对象，选择替代组分CH3OH及同为重要燃烧中间体和污染物的CO作为代表性的目标分子，在获得其关键光谱信息的基础上，结合同位素示踪技术，在μs量级上测量替代燃料组分及燃烧流场温度、生成物CO浓度在同时空下的时间演变规律，并依此对替代燃料的燃烧过程进行分析。

[0048] 具体本发明所设计一种燃烧场温度和生成物浓度协同测量方法及系统，首先搭建系统平台，如图1和图2所示，包括激光控制器、锯齿波发生器、第一激光器1、第一ZnSe分束器2、第一探测器4、第二ZnSe分束器5、第二探测器8、第二孔径光阑16、第二带通滤光片17、第二ZnSe透镜18、第四探测器19、以及充入燃烧所产生生成物CO的气体吸收池7、燃烧所产生生成物CH3OH的激波管20。

[0049] 其中，第一激光器1的射出端指向第一ZnSe分束器2射出激光，由激光控制器对第一激光器1进行温度与电流的控制，并由锯齿波发生器按预设波对第一激光器1进行扫描，进而控制第一激光器1工作向第一ZnSe分束器2射出激光。

[0050] 第一激光器1射出激光经第一ZnSe分束器2的反射光被第一探测器4所接收，由第一探测器4获得第一激光器1所发出激光对应目标类型波长对的光谱信号a，用于通过共模抑制减小实验过程中光强变化的影响，这里在实际应用当中，还可进一步设计在第一ZnSe分束器2与第一探测器4之间加入第一镀金反射镜3，即第一激光器1射出激光经第一ZnSe分束器2的反射光进一步经第一镀金反射镜3反射、被第一探测器4所接收。

[0051] 第一激光器1射出激光经第一ZnSe分束器2的透射光射向第二ZnSe分束器5，第二ZnSe分束器5所接收激光的反射光射向气体吸收池7，并经气体吸收池7射向第二探测器8，由第二探测器8接收获得第一激光器1所发出激光经过生成物CO对应目标类型波长对的光谱信号b，用于对激光器波长微小漂移的监测和线性校正，这里在实际应用当中，还可进一步设计在第二ZnSe分束器5与气体吸收池7之间加入第二镀金反射镜6，即第二ZnSe分束器5所接收激光的反射光经第二镀金反射镜6反射、射向气体吸收池7。

[0052] 第二ZnSe分束器5所接收激光的透射光射向激波管20，并依次经过激波管20、第二孔径光阑16、第二带通滤光片17、第二ZnSe透镜18后，被第四探测器19所接收，由第四探测器19获得第一激光器1所发出激光经过生成物CH3OH对应目标类型波长对的光谱信号c，其中，这里经过第二孔径光阑16、以及与工作激光对应波长的第二带通滤光片17，用于减小背景信号，并且在实际应用中，第二ZnSe透镜18上镀有增透膜。

[0053] 上述所构建的系统平台在实际应用当中，第一激光器1设计选择第一QCL激光器，13 12
并且具体为用于测量 CO和 CO的中心波长4.75μm附近的第一QCL激光器、或者用于测量
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CH3OH和 CH3OH的中心波长9.68μm附近的第一QCL激光器，并且测量时通过频率50Hz的三角波信号实现对激光器波长的扫描输出控制；进一步实际实施中，当应用第一QCL激光器射出激光对气体吸收池7中CO进行测量时，则第一QCL激光器选择4.75μm附近的第一QCL激光器，当应用第一QCL激光器射出激光对激波管20中CH3OH进行测量时，则选择9.68μm位置波
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数作为第一QCL激光器，对于具有独立吸收谱线的 CO和 CO分子，将所得各温度压力下的光谱信号反演其位置、线强、自加宽和外加宽系数及其温度依赖系数、压力位移系数等参
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数，对于 CH3OH/ CH3OH等具有宽带吸收特性的大分子，主要测量其在所研究波长范围内不同温度及压力下的吸收截面，并通过高温高压下的光谱信号分析其温度和压力加宽效应。

[0054] 实际实施中，为评估及消除热辐射背景信号的影响，在各个温度及压力的实验设定点上都将第一QCL激光器关闭时的探测器信号，在得到设定点的光谱测量信号后将评估该背景信号对测量的影响，并对光谱测量信号的电压强度进行修正。

[0055] 在上述设计系统实际实施的同时，由于12CH3OH/13CH3OH分子在高温下会发生热解，为实时监测测量区域内上述气体的含量，利用3.39μm波长的第二QCL激光器作为第二激光12
器9，使用固定波长的直接吸收光谱技术通过测量C‑H键的吸收来确定测量过程中 CH3OH/
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CH3OH含量的变化情况，保证用于反演光谱参数和分析高温高压光谱关键信息的数据均为在未发生热解的情况下测得；即如图1和图2所示，第二QCL激光器经第三镀金反射镜10后穿过激波管20，并进一步经第四镀金反射镜11反射后依次经过第一孔径光阑12、第一带通滤光片13、第一ZnSe透镜14，被第三探测器15所吸收，其中，第二激光器9设计选择第二QCL激光器。

[0056] 实际应用中，3.39μm波长的第二QCL激光器，使用激光控制器控制温度电流，锯齿波发生器发出频率为50HZ、幅值为100mV的三角波进行扫描，第二QCL激光器发出的激光通过激波管20后经过第一孔径光阑13和第一带通滤光片14，后由镀有增透膜的第一ZnSe透镜12 13
15聚焦到第三探测器15上得到C‑H键的直接吸收信号来确定测量过程中 CH3OH/ CH3OH含量的变化情况，保证用于反演光谱参数和分析高温高压光谱关键信息的数据均为在未发生热解的情况下测得。

[0057] 实际实施中，第二带通滤光片17为与第一激光器1所发出激光对应波长的带通滤光片；第一ZnSe分束器2、第二ZnSe透镜18均为镀有增透膜的ZnSe透镜，气体吸收池7的长度为30cm，即激光穿过气体吸收池7的长度为30cm。

[0058] 应用中，利用GPIB卡控制激光器扫描过12CH3OH/13CH3OH位于9.68μm和12CO/13CO位于4.75μm附近多个振转吸收带重合的光谱带头区域，获得宽范围的带头区域光谱信号，为了实现对同时包含谱线混合效应和谱带压窄效应的光谱信号进行准确拟合和模拟，将在对各压力下的光谱吸收做最小二乘拟合得到各分子的指数间隙定律系数的基础上，辅助以之前测得的压力加宽系数，获得修正后的指数间隙定律，并将其与比尔‑朗伯定律相结合建立新的光谱拟合模型，依此分析高压下谱带带头信号在谱线混合效应和谱带压窄效应共同作用下的吸收增强与线形退化间的关联规律，从而可保证在混合光谱中为差分吸收测量精准选择最优“波长对”，也为后续燃烧过程的准确时间分辨测量提供数据和信息支持。

[0059] 基于上述设计的系统平台，执行本发明设计基于系统平台的燃烧场温度和生成物浓度协同测量方法，先执行如下初始化，再具体执行如下步骤A至步骤E。

[0060] 初始化，基于生成物CH3OH和CO两种分子、以及其同位素分子的大气透过率模型的建立，为生成物CH3OH和CO两种气体分别选择适合其分子、及其同位素分子同时探测的光谱探测窗口和目标谱线组合，进而根据光谱探测窗口和目标谱线组合，设定激光控制器对第一激光器1控制下的合适温度与电流、以及设定锯齿波发生器发出三角波的幅值(V)与频率(HZ)，进而实现第一激光器1工作向第一ZnSe分束器2射出激光。

[0061] 步骤A.激光控制器对第一QCL激光器进行温度与电流的控制，锯齿波发生器发出频率为50HZ、幅值为100mV的三角波对第一QCL激光器进行扫描，第一激光器1射出激光，获得第一激光器1所发出激光对应目标类型波长对的光谱信号a、第一激光器1所发出激光经过生成物CO对应目标类型波长对的光谱信号b、第一激光器1所发出激光经过生成物CH3OH对应目标类型波长对的光谱信号c，然后进入步骤B。这里光谱信号a用于通过共模抑制减小实验过程中光强的变化，光谱信号b用于对第一QCL激光器波长微小漂移的监测和线性校正，光谱信号c即为实际直接吸收信号。

[0062] 实际应用当中，这里目标类型波长对满足如下规则，即按如下规则获得对应目标类型波长对的光谱信号。

[0063] 1)波长对所对应的波峰和波谷位置在1cm‑1范围之内，保证可通过激光器的一次扫描得到，同时有利于消除其他宽带吸收的影响；

[0064] 2)波长对所对应波峰大于预设波长对波峰阈值，且波长对所对应波谷小于预设波长对波谷阈值，有助于在高温高压环境下具有高的探测灵敏度；

[0065] 3)波长对所对应各波峰处的谱线之间具有满足预设数据波动范围的加宽系数及温度依赖系数，利于消除温度压力及组分浓度通过线型变化带来的影响；

[0066] 4)波长对所对应测量范围内除CH3OH和CO以外、其他气体吸收谱线的占比少于预设其他气体占比阈值，除有助于提高测量准确性之外，还有助于提高基线提取计算速度；

[0067] 5)波长对所对应波峰和波谷位置处除CH3OH和CO以外、其他气体吸收信号与背景信号的幅值位于预设幅值波动范围，有助于通过差分吸收消除其影响；

[0068] 6)生成物CO所对应波长对的波峰和波谷间的差分吸收界面之比是温度的单值函数；

[0069] 7)生成物CO所对应波长对的波峰的谱线的下能级能量差大于预设能量阈值，保证温度测量的高灵敏度。

[0070] 将上述测得的光谱信号c的直接吸收信号带入基线提取算法程序中，通过基线提取算法同步得到最优基线，并利用测量信号和基线信号优化计算出所测波长范围内的目标特征吸收光谱信号。在高温高压环境及谱线密集的情况下，难以利用独立谱线实现对流场参数的反演，因此通过利用“波长对”取代传统的独立谱线，即在混合光谱上选择一对合适的波峰和波谷位置，利用两处波长间的差分吸收对目标参数进行反演，即执行如下步骤B。

[0071] 步骤B.应用基线提取算法，按如下步骤，针对光谱信号c进行处理，获得最优基线光谱信号，然后进入步骤C。

[0072] 步骤B1.获取HITRAN数据库中目标类型波长对下气体吸收的线强与线宽，确定光谱信号c所对应生成物CH3OH所在环境的初步压力P、经过生成物CH3OH的激光的光路长度L、初步燃烧温度T、生成物CH3OH的初步浓度，用于模拟光谱参数的透射光谱。

[0073] 步骤B2.计算预设基点范围在光谱信号c中的电压值V，然后多项式拟合基线电压值；

[0074] 步骤B3.将光谱信号c的时域电压信号、以及光谱信号c的频域电压信号代入基线电压值的预设多项式拟合公式中，执行光谱信号c对应透射光谱的初步计算，获得透射光谱信号τ。

[0075] 这里步骤B3具体执行：根据步骤B1、步骤B2中参数，利用Voigt线型模拟出生成物CH3OH在所选波长二倍范围内的透射光谱，并在透射光谱内选择预设数量、不低于预设信号强度的点，将各点两侧的预设长度数据作为基点信号，并通过光谱信号c的电压和透射光谱透过率之间的关系，将透射光谱中的各个基点信号转换为电压信号VBaseline(v)，对其通过多项式拟合得到光谱信号c的初始预估基线，即透射光谱信号τ。

[0076] 步骤B4.根据预设先验协方差矩阵、以及预设误差协方差矩阵，针对透射光谱信号τ，建立迭代所需的目标函数，通过Levenberg‑Marquardt迭代算法获得光谱信号c和透射光谱信号τ之间的最佳匹配，即从光谱信号c中同步提取出最优基线光谱信号。

[0077] 实际应用中，这里的目标函数如下：

[0078]

[0079] 其中，VBaseline(v)表示最优基线光谱信号的电压值，F()表示多项式拟合函数，v表示第一激光器1的频率， 表示所采集光谱信号c中各数据对应的频率， 表示所采集光谱信号c中各数据对应的电压值，ak表示所采集光谱信号c中对应频率和对应电压值的函数关系，N表示所采集光谱信号c的数据量。

[0080] 步骤C.根据最优基线光谱信号，结合光谱信号a，通过共模抑制方式，减小光谱信号c中光强的变化，更新光谱信号c，然后进入步骤D。

[0081] 步骤D.根据最优基线光谱信号，结合光谱信号b,对光谱信号c中来自第一激光器1的波长的微小漂移进行线性校正，更新光谱信号c，然后进入步骤E。

[0082] 步骤E.针对光谱信号c，计算获得生成物CH3OH的浓度，针对光谱信号b中大于预设波峰阈值、且小于预设波谷阈值的波长对，计算获得燃烧温度，并针对光谱信号b，应用差分吸收之比获得CO的浓度。

[0083] 实际应用实施中，诸如锯齿波发生器的技术参数为：锯齿波的频率为50Hz，可选用型号为F05的函数信号发生器；激光控制器的技术参数为：温度调节范围为20‑30℃，步长为0.5℃，精度为0.005℃，电流调谐范围为250‑300mA，精度为0.001mA，可选用ITC‑4002QCL型控制器；第一QCL激光器的技术参数：中心波长位于4.75μm，最大输出功率30mW；第二QCL激光器的技术参数：中心波长位于3.3μm，最大输出功率30mW。

[0084] 本实施例中，气体吸收池7和激波管20分别充入CO或CH3OH两种气体。所述气体吸收池7包括派热克斯玻璃材质的筒形腔体，所述筒形腔体体积为3.2L，筒形腔体侧面设有抽气口和进气口，进气口和抽气口均设有针阀，筒形腔体内靠近两端的位置分别设有一片离散凹面镜，两片离散凹面镜之间的距离为30cm。

[0085] 上述方案设计，在克服高温下分子热解速率与测量时间相互制约的基础上，以具有高速调谐特性的中红外量子级联第一激光器(QCL)作为光源，针对目前基于“波长对”的差分吸收技术中基线非同步获取所引起目标特征光谱失真、对测量准确性和适用范围造成的限制，在研究可用于高温高压环境中混合谱线的基线提取算法的基础上，具体开发一种能够通过有效基线与测量信号同步获取来优化目标特征光谱的差分吸收新方法，并将该方法与同位素示踪技术相结合，实现对燃烧过程中流场温度、燃料替代组分、部分重要中间体、以及污染物的时间演变测量，并分析不同条件下替代组分对中间体、污染物的生成及燃烧效率的影响，为替代燃料燃烧动力学模型的建立提供数据支持，为先进燃烧流动机理研究提供研究手段，进而推动新型替代燃料的研制及先进清洁燃烧技术的进步。

[0086] 方案解决传统方法中预先测量基线而导致的易受外界环境干扰、测量准确度低、不能用于实际燃烧等问题，实现对实际燃烧场的精准时间分辨探测；并提出利用高压下具有吸收增强效应的谱带带头处“波长对”作为传感目标的探测新思路，解决谱线混合下线形退化引起的“波长对”峰谷间差分吸收信号衰减问题，在有效去除燃烧中背景辐射、颗粒消光、非目标分子干扰吸收等影响、及克服同位素丰度引起的目标分子强弱吸收共存对多组分同时探测制约的基础上，来实现对醇类替代燃料燃烧演变的高灵敏度追迹。

[0087] 设计中，开发替代燃料的反应动力学模型及燃烧机理，明晰替代燃料的燃烧本质，进而推动新型替代燃料的研制及先进清洁燃烧技术的进步；并利用两峰吸收信号之间的差分值实现对目标浓度的反演，由于所选波峰和波谷位置处会具有幅度相近的其他非目标谱线吸收干扰，而且背景辐射信号和消光效应在较短波长范围内基本一致，所以通过两信号间的差分可以有效去除不良影响；设计系统可达ppb水平灵敏度(NDIR探测灵敏度在ppm水平)且无需参考气体池，因此更适合真实燃烧过程中的在线测量，并在研究高温高压燃烧环境中混合光谱的基线提取算法的基础上，打破基线信号单独获取方式对测量准确性和适用范围的影响和限制，发展一种通过有效基线与测量信号同步获取来优化目标特征光谱的差分吸收新方法，有助于对替代燃料燃烧流场参数时间演变的精准诊断。

[0088] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。