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近年来,随着工业的快速发展和人们经济水平的提高,资源和环境问题也日趋严峻。其中,温室效应会造成海平面上升、气候反常、海洋风暴增多、土地干旱、农作物产量下降等环境和社会问题,并已成为世界关注的焦点。而CO2是造成温室效应的主要气体之一,其主要来源于工业生产、冬季采暖以及汽车尾气等方面。因此,CCO2的减排和回收已成为当前研究的热点。其中,对CO2排放量的监测是尤为重要的课题研究。现有的气体检测技术中可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术具有环境适应性强、灵敏度高、响应速度快、非侵入等优点,不仅可用于大气环境的气体检测,还在燃煤锅炉、航空发动机燃烧室等流场诊断方面有广阔的应用前景。本文以CO2为目标气体,利用TDLAS技术对CO2在实际测量应用中遇到的问题展开研究:(1)固体光学标准具是TDLAS测量气体参数的重要工具,具有精细自由谱间距(Free Spectral Range,FSR)的光学标准具加工难度大,成本较高,并且FSR不易精确确定,无法准确获得分布反馈式(Distributed Feedback,DFB)激光器的频率响应特性,给TDLAS 技术中的免标定波长调制(Calibration-free Wavelength Modulation Spectroscopy,CF-WMS)方法带来测量误差。(2)TDLAS技术一般采用波长调制结合双线法测量气体的温度,其应用在频分和时分复用两种方式下易产生频率串扰和降低时间分辨率等问题,在实际应用中有一定的局限性。(3)TDLAS技术对C02浓度的测量研究主要是线平均测量,而在燃烧流场二维非均匀环境中的CO2浓度测量研究极少,并且在燃烧流场中近红外波段CO2的吸收较弱且容易受H2O的干扰,由于DFB激光器可调谐范围较小,同时扫描到CO2和H2O的吸收峰存在一定的难度,因此,不适合采用多峰拟合的方式获取积分吸收面积A以得到CO2的浓度。针对上述问题,本文开展的主要研究内容如下:1、针对通过固体光学标准具获取分布反馈式(DFB)激光器的频率响应特性(v(t))时存在的问题,提出了一种简易确定DFB激光器的v(t)的方法。通过CF-WMS测量CO2的浓度验证了获取的v(t)的准确性,并分析了该方法的适用条件。当环境温度已知时,在一定气体浓度范围内,利用扣除背景经峰值归一化的二次谐波信号(R2f/p)对气体浓度不敏感而仅对v(t)敏感的特性,通过最小二乘法拟合R2f/p来获取激光器的v(t),并选取CO2在5007.787cm-1(R(50))附近的吸收峰,结合获取的v(t)对不同CO2标气浓度进行了免标定测量。2、提出了一种基于波长调制(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的免标定单线测量法,只利用一条吸收谱线即可实现对气体温度和浓度的同时测量。以燃烧过程中的主要产物之一 CO2为目标气体,根据提出的选线准则选择中心频率为5007.787cm-1(R(50))的吸收谱线对本方法进行了数值仿真和实验验证。所选谱线具有如下性质:R2f/p的线型主要由温度决定;一次谐波归一化的二次谐波信号(R2f/1f)的幅值与C02浓度成正比的关系。据此,可以从R2f/p的线型中提取温度信息,进而再利用R2f/1f提取CO2浓度信息。3、提出了一种基于TDLAS技术的非均匀流场二维浓度分布的重建方法,实现了对航空发动机燃烧室出口 CO2浓度分布的测量。研究表明CO2的吸收谱线R(50)具有如下特点:R2f/1f在中心频率处的幅值近似满足线性叠加关系。根据这一特点,利用单条吸收谱线的吸收信息结合代数迭代算法(Algebraic Reconstruction Technique,ART)对非均匀流场的CO2浓度场重建。通过数值仿真比较了 2个角度和38个角度布置投影光线时的抗噪声能力。在此基础上,实现了航空发动机燃烧室出口的CO2浓度场测量。