第34卷，第3期 2014年3月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol., 34,No. 3-pp582-586
March，2014
基于双光路吸收光谱技术的气液两相爆轰燃气诊断技术研究
吕晓静，李宁*，翁春生
南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏南京210094
摘要对爆轰燃气准确有效地检测可以为探索爆轰形成机理以及提升爆轰发动机工作效率提供数据支撑。提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术结合双光路互相关算法的气液两相爆装燃气速度、温度和组份浓度同时在线测量方法，针对口径80mm无阀式脉冲爆轰发动机设计并搭建了双光路光学测试系统，通过50kHz高频扫描1343nm波段H20吸收谱线完成对爆燃气速度、温度及H.0气体浓度的在线诊断。测试结果表明光学测试系统可以实现对瞬态爆轰过程燃气变化特征的细致分析，单个爆轰过程持续时间为85ms，爆装循环过程中爆轰波速度最高达到1172m，s1，爆装燃气最高温度达到2412K，爆装燃气
中H20气体浓度维持在0～7%之间；爆轰过程中出现了短暂的速度平台与温度平台。关键词光谱吸收率；洛伦兹线型拟合；互相关算法
中图分类号：0433.1文献标识码：A
引言
DOI : 10. 3964 /j. issn. 1000-0593(2014 )03-0582-05
的双光路系统进行流速测量的初步验证性试验，为高速气流流速的测量积累了经验一。积极开展脉冲爆轰发动机燃气的在线测试研究对推进爆轰机理研究、提高脉冲爆轰发动机控
爆轰过程燃气流场特性对爆轰形成机理研究以及爆装系统的设计和运行优化具有重要指导作用。我国在爆轰测试方面大都依靠传统的压力传感器、推力传感器等获得直观的数据作为爆轰性能的判断标准1-3]，而对燃气速度、组份浓度及温度实时变化等缺乏有效的测试手段。常规接触式的物理量检测技术很难直接应用于爆装等感务测量环境。可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS)利用半导体激光器的窄线宽和可调谐特性对气体分子的特征吸收谱线进行快速扫描和测量，实时反演出气体温度浓度等信息，适用于爆轰过程流场监测]
国外对爆轰过程流场的在线诊断研究较早，美国空军 WPAFB实验室和 Southwest Sciences，Zolo Technologies 公司合作，将TDLAS技术用于高超音速国际飞行研究实验，开发出一套利用波长760nm垂直腔面发射半导体激光器测量系统，检测进气道空气捕提流量；Lyle等将气体流速和浓度测量相结合，实现了气体通量的检测6]。目前国内在 TDLAS应用于爆装诊断方面研究较少，缺乏对爆轰过程高速燃气的诊断分析。在高速流场测试方面，张亮等基于 Doppler效应和激光吸收光谱技术，在风洞上利用自行搭建
收稿日期：2013-06-04，修订日期：2013-09-28
制技术水平及降低燃料浪费具有重要意义。
爆轰燃气速度极快3，因此对爆轰燃气进行检测要求测
试系统具有极快的响应速度和时分辨率。同时，气液两相爆轰过程中不可遵免的存在者剧烈振动、炭黑颗粒等，给爆轰燃气在线检测及后续数据处理带来很大的困难。本工作采用可调谐半导体激光吸收光谱技术结合双光路互相关算法，搭建光学测试系统对无阀式气液两相脉冲爆轰发动机出口燃气进行了在线检测，得到爆轰燃气速度、温度及H:O浓度随时间的变化情况。
测量原理 1
对于爆轰燃气组份的在线测量，采用基于Beer]定律的可调谐半导体激光吸收光谱技术
I = exp[PS(T)(v)XL]= exp[α(v)]
(1)
其中，为激光透过待测气体介质后的强度，1为无气体吸收时微光的强度：P为气体介质压力：L为激微光在气体介质中传播的光程；X为体积浓度；α)定义为光谱吸收率信号 >)为线型函数，在整个频域范围内的积分值为1；S(T)为
基金项目：国家自然科学基金项目（11372141），国家自然科学青年科学基金项目（11002074），高等学校博士学科点专项科研基金项目
(20113219120045)和申央高校基本科研业务费专项(30920130112007)资助
作者简介：吕晓静，1987年生，南京理工大学瞬态物理国家重点实验室博士研究生
*通讯联系人e-mail：stokin@gmail.com
e-mail : lvxiaojing2008@ 163, com