室溫下CO 的近紅外波段寬光譜吸收測量*

王亞民 吳昊龍 陶蒙蒙2)? 李國華 王晟 葉景峰?

1) (西北核技術研究所,激光與物質相互作用國家重點實驗室,西安 710024)

2) (中國科學院上海光學與精密機械研究所,王之江激光創新中心,上海 201800)

CO 是含碳化合物在燃燒過程中產生的一種重要中間物質,通過對CO 的吸收光譜測量可以實現對燃燒過程的診斷.針對CO 的測量多使用傳統的單吸收線和雙吸收線技術,在基于吸收光譜技術的燃燒場二維參數分布測量中,需設置大量的光束投影以滿足空間分辨要求.寬光譜吸收技術可以在單次掃描內獲得整個寬帶掃描波段的吸收信息,與傳統的分立譜線窄帶吸收技術相比,具有非常明顯的技術優勢.使用寬光譜吸收技術可以大大減少光束投影數量要求,有效降低系統復雜度,改善參數反演魯棒性,提高測量系統適用性.但是,目前針對CO 的寬光譜吸收測量則鮮有報道,亟需開展相關的基礎研究工作.本文利用1.5 μm 波段寬帶可調諧光源對室溫中的CO 開展了寬光譜吸收測量實驗,并對不同壓強下CO 的吸收特性進行了對比,實驗測量結果與HITRAN2016 數據庫相吻合.利用1565—1570 nm 范圍內的實測寬光譜吸收數據,通過一階導數法對CO 溫度和摩爾分數進行了反演;雖然寬帶吸收光譜各吸收峰強度測量值存在一定畸變,但依然得到了準確的反演結果,溫度和摩爾分數反演誤差均在5%以內,驗證了寬光譜吸收測量的可靠性,為后續基于CO 寬光譜吸收測量的燃燒流場二維層析診斷提供了技術支撐.

1 引言

CO 是含碳化合物在不完全燃燒過程中產生的一種氣體物質,在燃燒中扮演著非常重要的角色.在含氧量低的燃燒環境中,碳氫燃料不充分燃燒會產生大量的CO,造成環境污染,并降低燃燒效率;同時,作為充分燃燒時必經的中間產物,CO存在于碳氫燃料燃燒的全過程,通過測量CO 可以實現對燃燒反應過程的測量診斷,從而實現對燃燒過程的控制,以提高燃燒效率[1–4].

作為一種非接觸式光學精密測量手段,可調諧激光二極管吸收光譜技術(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)在各種不同的復雜物理場診斷測量中都獲得了廣泛的應用[5–10].基于TDLAS 的CO 吸收光譜測量可通過對CO分子特定吸收譜線特性的測量,實現對濃度、溫度等物理參數的反演,從而為燃燒流場診斷提供重要參數.CO 濃度測量方面,2012 年,Wagner 等[11]利用發射波長在2.31 μm 的分布反饋式激光器實現了對甲烷/空氣預混火焰距爐面不同高度處的CO濃度測量.2014 年,Sur 等[12]利用CO 在2.33 μm附近的吸收,實現了對氣流床煤氣化爐輸出混合氣體中CO 的在線濃度測量.2018 年,彭于權等[13]使用4.85 μm 的帶間級聯激光器實現了對甲烷/空氣預混火焰CO 濃度的測量.在CO 濃度、溫度同時測量方面,2014 年,Sane 等[14]利用CO 在2.33 μm附近的兩條相鄰吸收譜線,實現了對乙烯/空氣預混火焰中CO 濃度和溫度的同時測量.2021 年,胡尚煒等[15]使用4.85 μm 量子級聯激光器,利用該波長附近兩條吸收譜線的吸收光譜信息,實現了對某型超燃沖壓發動機出口位置CO 濃度和溫度的同時測量.

目前針對CO 的測量多使用傳統的單吸收線和雙吸收線技術[11–17],而寬光譜吸收技術可以在單次掃描內獲得整個寬帶掃描波段的吸收信息,與傳統的分立譜線窄帶吸收技術相比,具有非常明顯的技術優勢[18–21].一方面,寬光譜數據中包含更多的無吸收光譜信息,可以為吸收基線提取提供更為豐富的數據,提高基線擬合的準確度[22–24].另一方面,利用寬光譜數據中的多個吸收峰進行物理場溫度反演可以有效降低意外干擾的影響,提高系統穩定性[24,25].同時,更為重要的是,在二維層析測量中,使用寬光譜測量技術可以有效降低診斷系統對光束投影數量的要求,降低系統成本和復雜度[26–29].Cai 等[26]以及Ma 和Cai[27,28]通過理論模擬指出,在相同的空間分辨率和誤差水平下,利用寬光譜吸收技術來增加單路光束的吸收光譜信息可以有效降低投影光束數量,并大幅提高系統測量穩定性.在噪聲水平高于0.2%時,基于寬光譜吸收的二維層析診斷僅需1/5 的投影數量即可實現與傳統的TDLAS 層析測量技術[30–36]相當的空間分辨率.

但是,目前針對CO 的寬光譜吸收測量鮮有報道,亟需開展相關的應用基礎研究工作.在前期的工作中,開展了H2O 分子的寬光譜吸收特性研究,在實驗室測量得到了H2O 分子在2 μm 波段的寬光譜吸收數據,并實現了對常溫常壓空氣、酒精火焰的多參數測量[19,22,37].本文針對室溫下CO 在近紅外波段的寬光譜吸收特性進行了實驗研究,測量了不同壓強下CO 的寬光譜吸收特性,通過對測量信號降噪濾波,并與理論數據庫比對反演,得到了CO 的摩爾分數及溫度信息,驗證了寬光譜吸收技術在CO 濃度和溫度測量中的可行性,為燃燒流場CO 參數的二維層析診斷提供了技術基礎.

2 寬光譜吸收實驗

2.1 實驗設計

近紅外波段CO 的吸收譜線主要分布在1.56—1.61 μm,如圖1 所示,該吸收譜帶包含R 和P 兩個分支,R 分支譜線更密集,且常溫下吸收線強度更高;P 分支譜線較稀疏,且常溫下吸收線強度略低.該波段處于通信波段,相關的光源、探測器以及信號傳輸系統等較為成熟;更重要的是,常溫下水分子在該波段吸收線較少,且吸收強度遠遠低于CO,不會對CO 的測量產生干擾.這就使得該波段成為CO 吸收測量的一個理想選擇.

圖1 HITRAN2016 光譜數據庫計算得到的室溫下CO 在1.6 μm 附近的吸收譜線Fig.1.Absorption lines of CO around 1.6 μm at room temperature in HITRAN2016 database.

圖2 為實驗光路示意圖.寬帶調諧光源(wideband tunable laser diode,WTLD)為一臺輸出波長在1.5 μm 波段寬帶可調半導體激光器(Santec,TSL-570),輸出光譜在1500—1600 nm 內連續可調,激光線寬小于50 MHz,最大波長調諧速率約為200 nm/s.光源發出的信號光經光纖耦合器一分為二,其中一路作為參考信號直接由探測器(photoelectric detector,PD)進行探測;另一路則通過一段單模光纖后經準直透鏡進入氣室,然后由探測器接收;氣室長度約1.2 m,兩端由石英窗口密封,窗口呈一定角度以防止產生干涉干擾;氣室內部充有一定量的CO/N2混合氣體,周期性掃描的信號光經過氣室后會被CO 吸收,在時序上會出現周期性的光強變化,從而得到CO 的吸收光譜信息.氣室內部壓強可通過充入混合氣體的量來進行調節.

圖2 CO 寬光譜吸收測量實驗光路圖.WTLD,寬帶調諧光源;PD,探測器;DAQ,數采系統Fig.2.Schematic diagram of the hyperspectral absorption experiment.WTLD,wideband tunable laser diode;PD,photo-detector;DAQ,data acquisition.

2.2 實驗結果及分析

首先將氣室抽成真空,然后在氣室內充入0.5 atm (1 atm=1.01×105Pa)的CO/N2混合氣體,設置激光器波長掃描范圍為1562—1572 nm,實驗測得的典型吸收光譜信號如圖3 所示.

圖3 實驗測得的吸收信號 (a)原始探測信號;(b)吸收光譜信號Fig.3.Recorded absorption signal: (a) Detected original signal;(b) absorption signal.

由圖3(a)可見,測得的信號光強度在特定的采樣點呈現出明顯的周期性降低,表明其中包含吸收信息.圖3(b)給出了去除本底后一個掃描周期內的吸收信號,兩者呈對稱關系,其中左側的吸收信號是波長向長波方向掃描過程中產生的吸收信號,而右側的吸收信號則是波長向短波方向掃描過程中產生的吸收信號.

圖4 給出了在1562—1572 nm 波段實驗測得的吸收光譜.同時,基于HITRAN2016 數據庫計算給出了該波段的理論吸收譜.由于理論計算中使用的吸收路徑長度和CO 濃度與實測數據并未一一對應,因此兩者的吸收強度不具備可比性.通過對比吸收強度可以發現,實測信號在各個吸收譜線的峰值強度上與理論值相差較大;且實驗中發現,同一吸收譜線在不同周期間測得的峰值也有一定差異.通過實驗分析發現,這主要是由背景噪聲抖動所導致的.這種情況下,若采用雙線吸收法,由于吸收譜線峰值會出現較大的變化,給測量系統引入很大的誤差;但使用寬光譜吸收測量技術,則依然可以得到較準確的反演信息.

圖4 實測信號與理論模擬的對比Fig.4.Comparison between theoretical absorption signal and experimental results.

通過對比圖4 橫坐標,發現實測數據在波長位置上能夠與理論模擬數據實現一一對應,正如圖5所示,展示了寬帶調諧光源掃描過程中采樣點與輸出波長的對應關系.可以看出,在實驗過程中激光器輸出波長與采樣點呈線性關系,斜率約為0.0019 nm/Sa,表明激光器具有良好的線性掃描特性.實驗中數據采樣率為50 kSa/s,則對應的波長調諧速率約為95 nm/s.

圖5 激光器掃描過程中采樣點與波長之間的對應關系Fig.5.Relationship between the sampling point and the output wavelength.

實驗中通過改變氣室內的充氣量,得到了不同壓強下的CO 寬帶吸收光譜.圖6 給出了不同壓強下1566.5—1568.5 nm 之間的理論和實測吸收光譜信號.為了方便對比,對各吸收數據在縱坐標方向上進行了平移.在該波段范圍內對各個吸收譜分析結果表明,隨著壓強的升高,吸收譜線逐漸展寬;在不同壓強下,實測光譜線寬與理論線寬基本保持一致.以1567.3 nm 吸收譜線為例,在0.5,1.0和2.0 atm 下,理論模擬的線寬與壓強呈比例線性增加,分別約為0.016,0.030 和0.060 nm;而實測光譜線寬分別為0.010,0.029 和0.061 nm,與理論線寬非常接近,驗證了測量結果的可信性和準確性.

圖6 不同壓強下CO 在1567 nm 附近的吸收譜 (a)理論模擬光譜;(b)實測吸收光譜及其洛倫茲擬合Fig.6.Detailed absorption spectra of CO around 1567 nm at different pressures: (a) Theoretical absorption spectra;(b) measured absorption spectra and corresponding Lorentz fit.

3 基于寬光譜吸收數據的參數反演

從實測吸收信號中截取一段寬光譜吸收數據即可實現對CO 氣體溫度和摩爾分數的參數反演.以1565—1570 nm 范圍內的寬帶吸收光譜數據為例,進行參數反演計算.通過圖4 可以看出,由于CO吸收較弱,實測數據存在較大的本底噪聲,而本底噪聲的抖動又會對吸收峰的強弱產生較大的影響.因此,首先需對實測數據進行濾波去噪預處理.預處理后的實測CO 吸收數據如圖7 所示,經過濾波去噪后,實測數據信噪比得到了明顯改善;但與理論模擬數據相比,實測數據中的各吸收峰強度分布依然存在一定的不規則性,這是由測量中的意外擾動所導致的.

圖7 1565—1570 nm 實測CO 寬光譜吸收數據(a)與理論模擬數據(b)Fig.7.Measured hyperspectral absorption spectrum (a) and simulated hyperspectral absorption spectrum (b) of CO in the 1565—1570 nm range.

3.1 溫度反演

溫度反演采用一階導數法[24,37,38].由于實測吸收光譜信號中基線無法完全消除,因此實測吸收光譜信號Se表示為

其中,P為壓強,T為溫度,X為摩爾分數,St為理論吸收光譜信號,b0為殘余基線.對Se取一階導數,有

(3)式表明在相同的溫度、壓強和摩爾分數等物理參數下,實測數據的一階導數與理論模擬數據的一階導數相同.據此,在已知壓強P的情況下,就可以通過實測數據一階導數與理論模擬數據一階導數之間的對比,實現對溫度參數的反演.

對比過程使用殘差最小法,兩者之間的方均根殘差RMSE 可表示為

其中,Se,λi(P,T,X)′和St,λi(P,T,X)′分別為實測數據和理論模擬數據的一階導數在波長λi處的值,N為波長點的總數.

反演中,先生成一個不同溫度下的理論吸收光譜數據庫,取一階導數后與實測數據的一階導數進行比對,當方均根殘差RMSE 最小時,對應的理論吸收光譜數據庫溫度即為實測環境溫度.具體反演過程如下: 首先,利用HITRAN 數據庫在1 atm,1%摩爾分數條件下生成不同溫度的CO 寬光譜吸收數據;然后,對理論模擬吸收光譜和實測吸收光譜分別求一階導數,典型結果如圖8(a)所示.分別計算不同溫度下,實測吸收光譜數據與理論模擬數據之間的RMSE,計算結果如圖8(b)所示.通過對RMSE 進行二次函數擬合可得RMSE 最小值對應的溫度為300 K,此即為反演得到的CO 氣體溫度.實驗中實測環境溫度為298.6 K,對應的溫度反演誤差約為0.5%.可見,反演得到的溫度數據與實測溫度數據較接近.

圖8 實測吸收光譜數據與理論模擬數據之間的對比 (a) 實測吸收光譜數據一階導數與理論模擬數據一階導數;(b) 不同溫度下實測吸收光譜數據一階導數與理論模擬數據一階導數之間的RMSEFig.8.Comparison between measured and theoretical spectra: (a) First derivatives of the measured and theoretical spectra;(b) RMSE between measured and theoretical spectra at different temperatures.

圖9 300 K 溫度下,實測數據一階導數與理論模擬數據一階導數的分布關系Fig.9.Relationship between the first derivative of the measured spectrum and that of the theoretical spectrum at 300 K.

若使用傳統TDLAS 技術中的雙線法對溫度進行測量,則任意選取圖7(a)中的兩條吸收譜線,以其吸收面積之比與溫度之間的單調關系即可反演得到溫度信息.這里利用短波處的4 條吸收譜線進行溫度反演(從左至右依次命名為L1,L2,L3和L4),得到的溫度信息見表1.由表1 可知,不同譜線對反演得到的溫度差異較大,分布范圍覆蓋[259.62 K,401.66 K]區間,平均溫度約為342.67 K,與實際環境溫度差距較大,這主要是由吸收譜線的擾動以及基線提取誤差所導致的.

表1 雙線法反演得到的溫度信息Table 1.Temperature derived by dual-line method.

3.2 摩爾分數反演

吸收光譜測量中,介質的吸收系數α可以表示為

其中,S為吸收線強度,?(ν) 為線型函數.對吸收系數α求導有

在壓強P和溫度T已知的情況下有

由此可求得實測數據的摩爾分數為

由上述反演計算可見,雖然測量的寬帶吸收光譜中存在吸收譜線強度畸變的現象,但是通過寬光譜吸收數據依然可以反演得到較為準確的溫度和摩爾分數信息.

4 結論

實驗測量了不同壓強下CO 在1.5 μm 波段的寬光譜吸收數據,并與理論計算結果進行了對比分析.結果表明,實驗所使用的寬帶調諧激光器具有良好的線性掃描特性,實驗測量得到的CO 吸收數據與HITRAN2016 數據庫高度吻合.利用低采樣率寬帶吸收光譜數據實現了對溫度和CO 摩爾分數的準確反演,驗證了寬光譜吸收測量技術的高可靠性和魯棒性,為燃燒流場的二維層析診斷提供了技術基礎.后續,將在該實驗的基礎上搭建二維寬光譜吸收測量系統,實現對環境溫度和CO 摩爾分數的二維測量.