燃燒場(chǎng)吸收光譜診斷技術(shù)研究進(jìn)展

洪延姬

（裝備學(xué)院激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101416）

0 引 言

對(duì)于潔凈燃燒以及更高性能推進(jìn)系統(tǒng)的不斷追求是發(fā)展先進(jìn)診斷工具的主要推動(dòng)力［1－2］。最基本的診斷方式之一是測(cè)量流場(chǎng)的溫度和質(zhì)量流量［1－3］。在燃燒動(dòng)力學(xué)中，溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率有重要影響，可作為燃燒效率的指示器［4］。溫度有潛力用作實(shí)時(shí)燃燒控制系統(tǒng)的控制變量以改善燃燒效率及降低污染物排放［5］。質(zhì)量流量對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)具有根本意義，直接出現(xiàn)在吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)［6］和火箭推進(jìn)系統(tǒng)［7］的推力方程中。與發(fā)動(dòng)機(jī)工作相關(guān)的其他參數(shù)如沖壓阻力［8］，進(jìn)氣道流動(dòng)紊亂［9］，比沖［10］等也依賴(lài)于質(zhì)量流量。

傳統(tǒng)的溫度和質(zhì)量流量測(cè)量方法是使用壁面?zhèn)鞲衅骷扒秩胧教结槪?，11－12］。隨著對(duì)燃燒和推進(jìn)流場(chǎng)研究的不斷深入，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)所表現(xiàn)出的局限性日益凸顯。如壁面?zhèn)鞲衅鞑荒苊舾辛鲌?chǎng)的溫度或壓力梯度；侵入式探針或測(cè)量耙設(shè)備復(fù)雜、故障率高［11］；高溫下長(zhǎng)期工作時(shí)探針可能燒毀［13］。而對(duì)于推進(jìn)流場(chǎng)，探針也往往會(huì)擾亂流動(dòng)、產(chǎn)生激波結(jié)構(gòu)［14］。為克服傳統(tǒng)診斷技術(shù)的局限，發(fā)展非接觸的激光測(cè)量技術(shù)就成為必然選擇。

激光測(cè)量包括散射［15－17］、熒光［18－19］、干涉［20］和吸收［1－5，11，14］等方法。其中吸收光譜技術(shù)具有信號(hào)強(qiáng)度高、設(shè)備和數(shù)據(jù)分析簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)［1－3］。應(yīng)用半導(dǎo)體激光器開(kāi)展氣體探測(cè)始于20世紀(jì)70年代中期，然而并沒(méi)有導(dǎo)致應(yīng)用的快速增長(zhǎng)。那時(shí)可用的主要是鉛鹽激光器，同時(shí)工作在多個(gè)波長(zhǎng)（多縱模），工作溫度80K，因而需要復(fù)雜的閉環(huán)低溫制冷設(shè)備，激光功率只有幾十μW，相應(yīng)波段的探測(cè)器也需工作在液氮的溫度，使用極其不便［3，21］。20世紀(jì)80年代普遍應(yīng)用高功率染料激光器探測(cè)氣動(dòng)和燃燒流場(chǎng)，推動(dòng)了光學(xué)測(cè)量共性技術(shù)的發(fā)展，但普遍認(rèn)識(shí)到這些激光器的尺寸、費(fèi)用和操作的復(fù)雜性將應(yīng)用限制于實(shí)驗(yàn)室或大尺度的工業(yè)設(shè)備［3，22］。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，在通訊工業(yè)的需求刺激下，室溫可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器（TDL）發(fā)展迅速。早期的室溫通訊波段的Fabry－Perot（FP）激光器存在跳模，且波長(zhǎng)不穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)吸引力不大［3，21－22］。其后，單模、窄線(xiàn)寬、長(zhǎng)壽命的分布式反饋（DFB）激光器的出現(xiàn)，吸收光譜技術(shù)才獲得了廣泛應(yīng)用，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS：tunable diode laser absorption spectroscopy）也開(kāi)始成為專(zhuān)有名詞［21］。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，商業(yè)的通訊TDL已經(jīng)很成熟，性能和可靠性高，重量、尺寸、功耗和費(fèi)用低。特別是這類(lèi)激光器普遍用光纖耦合輸出，顯著降低了工程應(yīng)用的難度和代價(jià)［1－3］。DFB激光器的可用波長(zhǎng)范圍從760nm到3μm［22］，包括H2O、O2、CO2、CH4等許多工業(yè)和環(huán)境小分子氣體在這一譜范圍呈現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收特性［23］。隨著中紅外差頻激光器［1－2］、量子級(jí)聯(lián)激光器和間帶級(jí)聯(lián)激光器［22］、超連續(xù)譜激光器［24］等新型激光源的出現(xiàn)，將進(jìn)一步擴(kuò)展氣體探測(cè)能力和范圍。

TDLAS技術(shù)是通過(guò)被測(cè)氣體組分對(duì)激光的共振吸收，使激光能量產(chǎn)生衰減，進(jìn)而對(duì)氣體參量進(jìn)行分析和判斷，具有非接觸、響應(yīng)快、靈敏和可靠的原位測(cè)量能力，由于可將激光用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，特別適合在靜態(tài)燃燒室和推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用［1－3］。應(yīng)用TDLAS技術(shù)可獲得溫度、組分濃度、速度、質(zhì)量流量等關(guān)鍵的流場(chǎng)參數(shù)信息［1－3，11，14］。除了可用于縮比和全尺寸系統(tǒng)的地面測(cè)試外，還可以提供足夠快的反饋使TDLAS技術(shù)有潛力用于燃燒和推進(jìn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制［1－3，5］。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，TDLAS傳感器的小型化技術(shù)已獲得突破，使飛行應(yīng)用成為可能［3］。

由于設(shè)備和數(shù)據(jù)分析的簡(jiǎn)單，先前的TDLAS傳感器大都基于直接吸收譜（DAS：direct absorption spectroscopy）技術(shù)［11，14，25－27］。掃描波長(zhǎng)直接吸收技術(shù)可實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定測(cè)量［26］，然而為推斷基線(xiàn)，掃描范圍需要達(dá)到線(xiàn)型的無(wú)吸收翼，限制傳感器的帶寬一般到幾kHz。另外，高壓下的譜線(xiàn)混疊導(dǎo)致應(yīng)用困難。固定波長(zhǎng)直接吸收技術(shù)可顯著提高測(cè)量帶寬［27］，然而在弱吸收時(shí)，由于光束轉(zhuǎn)向、基線(xiàn)誤差等噪聲源無(wú)法消除使得測(cè)量誤差增大。

波長(zhǎng)調(diào)制譜（WMS：wavelength modulation spectroscopy）是吸收譜的擴(kuò)展，由于將探測(cè)信號(hào)移到更高頻率上，WMS可顯著降低激光強(qiáng)度和電噪聲以及其它低頻噪聲，提高信噪比（SNR）［4，28－29］。通常，為實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量，需要在一個(gè)已知成分和條件的環(huán)境中標(biāo)定WMS信號(hào)，而這在實(shí)際應(yīng)用中往往是困難的。一些研究者提出了免標(biāo)定的 WMS測(cè)量方法［30－32］，然而這些方法只在一定條件下才能應(yīng)用。比如許多環(huán)境條件要事先知道并且穩(wěn)定，目標(biāo)吸收譜線(xiàn)與其他譜線(xiàn)要完全分離，激光需要掃描穿過(guò)整個(gè)吸收譜線(xiàn)等等。近年來(lái)，Li和Rieker等人發(fā)展了包含真實(shí)二極管激光器特性的 WMS理論［33－35］，簡(jiǎn)記為WMS－2f／1f。WMS－2f／1f技術(shù)不再依賴(lài)于探測(cè)器的增益和平均激光強(qiáng)度，可將實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果直接比較推斷氣體參數(shù)而無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。WMS－2f／1f技術(shù)幾乎不受流場(chǎng)環(huán)境和參數(shù)范圍的限制，可在燃燒和推進(jìn)等惡劣流場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

美國(guó)Stanford大學(xué)的Hanson教授在應(yīng)用TDLAS技術(shù)開(kāi)展燃燒診斷方面做出開(kāi)創(chuàng)性工作，發(fā)表了第一篇關(guān)于高溫氣體溫度測(cè)量［36］和第一篇關(guān)于質(zhì)量流量測(cè)量［37］的文章，其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直處在技術(shù)發(fā)展前沿。近年來(lái)，TDLAS技術(shù)及應(yīng)用研究日益增多，所涉及的領(lǐng)域和側(cè)重點(diǎn)也有很大不同。本文重點(diǎn)介紹TDLAS技術(shù)及其在燃燒場(chǎng)診斷中的應(yīng)用，內(nèi)容以Hanson小組的工作為主，也涉及部分其他研究單位及國(guó)內(nèi)的研究概況。

1 理論與方法

TDLAS只關(guān)注氣體的共振吸收。因?yàn)楣舱癖幌拗频侥承┨囟ǖ牟ㄩL(zhǎng)，激光就成為理想的光源。通訊二極管激光器（如DFB）的譜線(xiàn)寬～2MHz，遠(yuǎn)小于大氣壓下吸收躍遷的典型寬度（H2O分子～3GHz），因此可認(rèn)為是單色光源。吸收譜的基本方程是Beer－Lambert定律，描述了當(dāng)頻率為ν的單色光穿過(guò)吸收氣體時(shí)，入射和透射強(qiáng)度的關(guān)系［1－3］

其中，τν為透射系數(shù)（或透過(guò)率），It為透射激光強(qiáng)度，I0為入射激光強(qiáng)度，αν為譜吸光度，L是吸收光路長(zhǎng)度，cm；p為氣體的總靜壓，atm；χi為吸收組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，p·χi也稱(chēng)為吸收氣體的分壓，S為吸收躍遷的線(xiàn)強(qiáng)度，cm－2／atm；T為氣體溫度，K；φ是線(xiàn)型函數(shù)，cm。方程（1）適合于所有具有分立吸收譜的原子和分子。

吸收躍遷的線(xiàn)強(qiáng)度是吸收組分基本的譜特性，對(duì)于給定的躍遷頻率，如果在某個(gè)參考溫度下的線(xiàn)強(qiáng)度S（T0）已知，在任何溫度下的線(xiàn)強(qiáng)度都可以計(jì)算得到［3－4］

其中，S（T0）是在參考溫度T0（通常T0＝296K）的線(xiàn)強(qiáng)度，Q（T）是吸收分子的配分函數(shù)，h是普朗克常量，J·s；c是光速，cm／s；k是玻爾茲曼常數(shù)，J／K；hc／k的數(shù)值為1.438cm?K，E″是躍遷的低能態(tài)能量，cm－1；ν0是躍遷的中心頻率，cm－1。

吸收線(xiàn)型是譜線(xiàn)展寬的結(jié)果。在燃燒研究中，有兩種主要的譜線(xiàn)展寬機(jī)制：多普勒展寬和碰撞（或壓力）展寬［4］。多普勒展寬產(chǎn)生高斯線(xiàn)型函數(shù)，而碰撞展寬產(chǎn)生洛倫茲線(xiàn)型函數(shù)，整個(gè)線(xiàn)型用Voigt函數(shù)描述（是高斯線(xiàn)型函數(shù)和洛倫茲線(xiàn)型函數(shù)的卷積）。低能態(tài)能量E″是吸收前的分子能態(tài)，決定了線(xiàn)強(qiáng)度對(duì)溫度依賴(lài)關(guān)系，線(xiàn)強(qiáng)度的峰值溫度由E″唯一決定，因而來(lái)自相同組分的兩條吸收譜線(xiàn)（具有不同的E″）信號(hào)之比是溫度的函數(shù)，形成所謂的雙線(xiàn)測(cè)溫法［1－3］。一旦溫度得到，可由任一譜線(xiàn)的吸收信號(hào)確定組分濃度。雙線(xiàn)測(cè)溫得到的是視線(xiàn)平均溫度，適合在溫度、壓力和組分濃度等參數(shù)接近均勻的流場(chǎng)中應(yīng)用，對(duì)于溫度沿視線(xiàn)具有嚴(yán)重非均勻分布的情況，通過(guò)探測(cè)共光路的多個(gè)吸收躍遷推斷溫度的分布函數(shù)［38］或者與層析成像（Tomography）技術(shù)相結(jié)合對(duì)溫度的二維分布進(jìn)行重構(gòu)［39］。

近紅外區(qū)域?qū)τ谌紵龍?chǎng)的測(cè)量特別有吸引力，兩種主要的燃燒產(chǎn)物H2O和CO2在近紅外區(qū)域都有大量的吸收譜線(xiàn)，圖1給出了H2O和CO2在溫度為1500K時(shí)的吸收線(xiàn)強(qiáng)度［40］。由于H2O在2v1，2v3和v1＋v3吸收帶（約1.3～1.5μm）與成熟的通訊二極管激光器的波長(zhǎng)范圍相重合，吸收也比CO2強(qiáng)很多，因此應(yīng)用也更普遍。

圖1 H2O和CO2在1500K時(shí)的近紅外吸收線(xiàn)強(qiáng)度［40］Fig.1 Absorption line strengths of H2O and CO2at 1500Kin the NIR

對(duì)于具體的實(shí)際應(yīng)用，選擇優(yōu)化的吸收譜線(xiàn)是傳感器開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容［28，41］。HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)提供了大氣成分和燃燒產(chǎn)物中許多小分子的定量光譜參數(shù)［23］，為吸收譜線(xiàn)的選擇和傳感器設(shè)計(jì)提供了重要工具。但涉及高溫應(yīng)用的傳感器開(kāi)發(fā)仍需驗(yàn)證所選躍遷的數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)［3］，包括高溫條件下的譜線(xiàn)位置、線(xiàn)強(qiáng)度、低能態(tài)能量和展寬參數(shù)等。

掃描波長(zhǎng)直接吸收的應(yīng)用最普遍，其執(zhí)行過(guò)程示意圖如圖2所示。

激光頻率掃描穿過(guò)所選吸收躍遷的譜范圍，產(chǎn)生譜解析的吸收線(xiàn)型。對(duì)無(wú)吸收翼進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到零吸收基線(xiàn)，用Beer－Lambert關(guān)系可得到吸光度曲線(xiàn)。為將吸光度信號(hào)從時(shí)間域變?yōu)轭l率域，通常需要用標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行時(shí)－頻轉(zhuǎn)換。由兩條吸收躍遷的積分吸光度之比可得到溫度［1－3，26］，示意圖如圖3所示，圖3（a）為兩條躍遷吸光度隨波長(zhǎng)的變化，圖3（b）為積分吸光度之比隨溫度的變化。

掃描波長(zhǎng)直接吸收方法通過(guò)積分吸收信號(hào)，消除了線(xiàn)型函數(shù)，因而可實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定測(cè)量［1－3］。相比之下，固定波長(zhǎng)方法在實(shí)際應(yīng)用中的主要問(wèn)題是基線(xiàn)強(qiáng)度（方程（1）中的I0）的推斷困難，需要增加非共振參考光束或事先抽空被測(cè)區(qū)域［27，42－43］。另外由于無(wú)法消除線(xiàn)型函數(shù)，增加了應(yīng)用的復(fù)雜性。

圖2 掃描波長(zhǎng)直接吸收譜的執(zhí)行過(guò)程Fig.2 Implementation of scanned wavelength direct absorption spectroscopy

圖3 直接吸收雙線(xiàn)測(cè)溫法示意圖Fig.3 Illustration of DAS two lines thermometry

很早就認(rèn)識(shí)到，通過(guò)快速調(diào)制激光波長(zhǎng)并測(cè)量調(diào)制頻率的諧波吸收信號(hào)可改善吸收測(cè)量的靈敏度［44－45］，二次諧波探測(cè)的波長(zhǎng)調(diào)制（WMS－2f）最為常用［4，28－29，42－45］。而用一次諧波（1f）信號(hào)歸一WMS－2f信號(hào)（WMS－2f／1f）可消除對(duì)激光強(qiáng)度和探測(cè)器增益的依賴(lài)，不但能實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定測(cè)量，而且可降低由于窗口污垢和激光強(qiáng)度的其他非共振損失帶來(lái)的強(qiáng)度攝動(dòng)影響［33－35，46］。

掃描波長(zhǎng)WMS－2f／1f的執(zhí)行過(guò)程如圖4所示。二極管激光器的注入電流除掃描外還疊加了高頻的正弦信號(hào)，使激光強(qiáng)度和頻率產(chǎn)生高頻的正弦調(diào)制，在探測(cè)器信號(hào)中產(chǎn)生諧波分量，可由鎖相放大器分離出1f和2f信號(hào)。固定波長(zhǎng)WMS－2f／1f除將激光波長(zhǎng)固定在譜線(xiàn)中心外，在執(zhí)行上和掃描波長(zhǎng)方式無(wú)明顯差異。然而為將波長(zhǎng)準(zhǔn)確固定在線(xiàn)心位置需要高精度波長(zhǎng)計(jì)或在一個(gè)與被測(cè)流場(chǎng)參數(shù)接近的環(huán)境中確定，另外選擇優(yōu)化的調(diào)制指數(shù)有助于降低測(cè)量信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)偏差的敏感度［4］。

圖4 掃描波長(zhǎng)調(diào)制譜的執(zhí)行過(guò)程Fig.4 Implementation of wavelength－scanned WMS

如果氣流具有平行于光束路徑方向的速度分量，吸收躍遷的中心頻率將出現(xiàn)多普勒頻移，可通過(guò)頻移效應(yīng)測(cè)量流場(chǎng)速度［1－3，46］。實(shí)際上，用與流速方向成不同角度的兩光束吸收譜線(xiàn)的中心頻差來(lái)確定相對(duì)頻移量在應(yīng)用上更為方便。激光器輸出分成強(qiáng)度相等的兩束，一束與法向成θ角指向上游，另一束以相同的角度指向下游，兩束光的中心頻差為：

其中，Δν是兩光束中心頻率差，cm－1；ν0是未移動(dòng)時(shí)的線(xiàn)心頻率，cm－1；c是光速，cm／s；U是氣流速度，cm／s；2θ是兩光束的夾角。光束布局及多普勒頻移示意圖如圖5所示［46］。

在給定頻移分辨率時(shí)，通過(guò)增大兩條光束的夾角可提高速度測(cè)量的分辨率。然而多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的空間約束限制了夾角范圍，通常不超過(guò)90°。由于多普勒頻移效應(yīng)，吸收躍遷的視在中心頻率會(huì)偏離未移動(dòng)時(shí)的線(xiàn)心頻率ν0，因而固定波長(zhǎng)方式不能用于測(cè)量速度。

2 應(yīng)用研究

圖5 速度測(cè)量的光束布局和多普勒頻移示意圖［46］Fig.5 Schematic of crossed－beam configuration and Doppler－shift velocimetry

1993年，Hanson小組開(kāi)展了激波管中氧氣的速度、溫度、壓力和質(zhì)量流量的測(cè)量研究［45］，標(biāo)志著TDLAS技術(shù)在氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的開(kāi)端。20年來(lái)，在燃燒和推進(jìn)流場(chǎng)中開(kāi)展了廣泛的工程應(yīng)用研究，包括激波管中激波后氣體參數(shù)測(cè)量［47－49］和化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究［50－51］，內(nèi)燃機(jī)的譜線(xiàn)選擇［52］和參數(shù)測(cè)量［53］，汽輪機(jī)的溫度［54－55］和當(dāng)量比［56］測(cè)量以及反饋控制［57－58］，航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道空氣質(zhì)量流量測(cè)量［11，59］，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、燃料分布監(jiān)測(cè)［60－62］和CO2濃度測(cè)量［63］，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的多參數(shù)測(cè)量及應(yīng)用［14，29，35，46，62－68］，飛行傳感器設(shè)計(jì)和試驗(yàn)［69－73］等。TDLAS技術(shù)的基本功能是測(cè)量溫度、組分濃度和速度等基本的流場(chǎng)參數(shù)，除此之外還可為推進(jìn)系統(tǒng)的性能研究提供其他幫助，以下分專(zhuān)題介紹幾種典型應(yīng)用。

2.1 激波管研究

激波管能提供在確定的溫度和壓力下接近定容的反應(yīng)條件，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究的理想工具。激波管參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量是開(kāi)展動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)，特別是當(dāng)激波后有顯著化學(xué)熱釋放（相比于氣體混合物的熱容量）時(shí)，激波后的溫度不能由理論給出，準(zhǔn)確測(cè)量波后溫度就具有重要的實(shí)際意義。Hanson小組用TDLAS傳感器在激波管中開(kāi)展了廣泛研究，下面給出兩個(gè)例子，一個(gè)是測(cè)量非反應(yīng)激波管中反射激波后氣體的溫度和組分濃度，另一個(gè)測(cè)量碳?xì)淙剂系姆纸馑俾省?/p>

在激波管中精確測(cè)量溫度是困難的，主要是由于測(cè)試時(shí)間短及高溫下絕對(duì)標(biāo)定的困難。Hanson小組用固定波長(zhǎng)WMS－2f／1f傳感器測(cè)量反射激波后溫度和組分濃度［47－48］。兩種傳感器分別用1.4μm附近的H2O吸收和2.7μm附近的CO2吸收，測(cè)量帶寬分別為100kHz和40kHz。兩種傳感器的測(cè)量過(guò)程相同，吸收視線(xiàn)位于激波管末端上游2cm處。CO2吸收實(shí)驗(yàn)的測(cè)試氣體是摻入2%CO2的Ar，驅(qū)動(dòng)氣體是40%N2和60%He的混合物。TDLAS的溫度測(cè)量如圖6（a）所示，圖中給出的壓力由壓力傳感器得到。用理想激波關(guān)系式計(jì)算的反射條件：T5＝952K，p5＝1.197atm，在0～8ms的平均測(cè)量溫度為955K，圖6（b）給出了測(cè)量溫度與計(jì)算溫度的差值，標(biāo)準(zhǔn)差3K，折算成不確定度僅為0.32%。結(jié)果表明，WMS－2f／1f傳感器具有快速而準(zhǔn)確的測(cè)量能力，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究的有效手段。

碳?xì)淙剂戏纸馑俾士赏ㄟ^(guò)測(cè)量反應(yīng)物或產(chǎn)物的時(shí)間歷程得到。Hanson小組在激波管中研究了最簡(jiǎn)單的甲基酯——甲基甲酸鹽（CH3OCHO）的分解速率［50］，實(shí)驗(yàn)溫度范圍1202～1607K，壓力1.36～1.72atm，初始燃料濃度0.1%～3%（用Ar稀釋?zhuān)?。CH3OCHO的高溫分解路徑有3條：CH3OCHO?CH3OH＋CO，CH3OCHO?2CH2O，CH3OCHO?CH4＋CO2。用激光吸收監(jiān)測(cè)3種分解產(chǎn)物的濃度：（1）用4.6μm量子級(jí)聯(lián)激光器測(cè)量CO，（2）用306nm的紫外激光測(cè)量CH2O，（3）用3.4μm的差頻發(fā)生器測(cè)量CH4。通過(guò)監(jiān)測(cè)每種目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生速率確定分解速率系數(shù)ki（i＝1，2，3），與Dooley等人的計(jì)算結(jié)果具有高度一致性，如圖7所示。同時(shí)也分別用9.67μm和9.23μm的CO2激光監(jiān)測(cè)CH3OH和反應(yīng)物（CH3OCHO）的時(shí)間歷程，分解過(guò)程中的氧平衡分析表明，研究中所用的多波長(zhǎng)激光吸收技術(shù)可追蹤到燃料中超過(guò)97%的初始氧原子。

圖6 反射激波后溫度和壓力的測(cè)量結(jié)果及溫度測(cè)量與計(jì)算的偏差［48］Fig.6 Measured temperature and pressure behind a reflected shock wave and difference in measured and calculated temperature

圖7 測(cè)量的分解速率系數(shù)ki與計(jì)算結(jié)果的比較［50］Fig.7 Comparison of measured kiwith previous calculations

2.2 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)的探測(cè)

氣體溫度和組分濃度沿視線(xiàn)的非均勻性可通過(guò)多個(gè)激光波長(zhǎng)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)吸收躍遷（具有不同低能態(tài)能量）來(lái)進(jìn)行評(píng)估［38］。Hanson小組開(kāi)發(fā)了多波長(zhǎng)傳感器，用于研究超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)早期的不啟動(dòng)現(xiàn)象，為背壓誘導(dǎo)不啟動(dòng)（燃燒室背壓將隔離段激波串推出進(jìn)氣道）的預(yù)警和控制提供了一個(gè)可能的手段［65］。

測(cè)量在美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的超燃直連試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。4個(gè)波長(zhǎng)分成兩對(duì)，7444.4cm－1（E″＝1790cm－1）和7472.2cm－1（E″＝2952cm－1）線(xiàn)對(duì)具有較高的低能態(tài)能量，對(duì)流場(chǎng)的高溫區(qū)更敏感（圖8中的Thigh）；7185.6cm－1（E″＝1045cm－1）和7205.2cm－1（E″＝79cm－1）線(xiàn)對(duì)具有較低的低能態(tài)能量，對(duì)流場(chǎng)的低溫區(qū)更敏感（圖8中的Tlow）。溫度測(cè)量如圖8（a）所示，圖中的灰色條帶表示壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的不啟動(dòng)。如果沿視線(xiàn)的溫度和組分濃度分布均勻，Tlow應(yīng)等于Thigh，而差值反應(yīng)了沿視線(xiàn)的流動(dòng)非均勻性。盡管量化非均勻性是困難的，但兩個(gè)溫度之比的波動(dòng)卻為測(cè)量溫度非均勻性波動(dòng)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，Thigh／Tlow的短時(shí)Fourier變換可用于監(jiān)測(cè)這種溫度非均勻性的波動(dòng)。兩次運(yùn)行的Thigh／Tlow的短時(shí)Fourier變換如圖8（b）所示（過(guò)程是先分別對(duì)Thigh和Tlow進(jìn)行Fourier變換，然后取1～50Hz的頻率分量之和用所有頻率分量之和進(jìn)行歸一化，再相除），其中一次穩(wěn)定工作（紅色線(xiàn)），另一次未啟動(dòng)（黑色線(xiàn)）。未啟動(dòng)這次除了當(dāng)量比略有增加外，其余條件相同。在未啟動(dòng)出現(xiàn)之前的幾秒鐘，溫度的低頻波動(dòng)急劇增加，多次的未啟動(dòng)運(yùn)行都觀察到同樣現(xiàn)象，盡管出現(xiàn)這種低頻波動(dòng)的物理機(jī)制目前尚不清楚，但卻有潛力用作未啟動(dòng)的預(yù)警和控制變量。

圖8 未啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)測(cè)量溫度及穩(wěn)定和未啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的低頻溫度波動(dòng)［65］Fig.8 Temperature versus time for a scramjet run with unstart and low frequency fluctuations of temperature for an unstart run and a stable run

2.3 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究

無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室還是全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的地面測(cè)試，都廣泛開(kāi)展了將TDLAS技術(shù)用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（PDE）的研究，在這種惡劣和動(dòng)態(tài)環(huán)境中的成功應(yīng)用，為演示TDLAS技術(shù)的強(qiáng)大功能提供了有力的證據(jù)。下面是其中的兩個(gè)應(yīng)用例子，一個(gè)用Cs原子作為示蹤物測(cè)量溫度和壓力，另一個(gè)提供燃料加載的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

Hanson小組用Cs原子作示蹤物，在Stanford大學(xué)的單循環(huán)PDE開(kāi)展爆震波后的靜溫和靜壓測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究［61］，發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)量傳感器的示意圖如圖9（a）所示。

實(shí)驗(yàn)中，5ppm的原子Cs以CsO的形式進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。靜壓通過(guò)壓力展寬線(xiàn)型確定，吸收線(xiàn)型在爆震波到達(dá)后會(huì)急劇改變，如圖9（b）所示?？梢?jiàn)光VCSEL（vertical－cavity surface emitting laser）激光器以500kHz的脈沖方式工作，脈沖打開(kāi)時(shí)間1μs。每個(gè)脈沖期間，激光掃描約1nm的波長(zhǎng)，穿過(guò)Cs原子在852nm附近的吸收譜線(xiàn)。圖9（b）給出3個(gè)單次掃描的透射激光波形，第一次掃描在點(diǎn)火后約606μs，爆震波尚未到達(dá)傳感器位置，Cs仍然以CsO的形式存在因而沒(méi)有吸收；第二次掃描在點(diǎn)火后約608μs（爆震波在約607μs到達(dá)），得到壓力展寬的Cs吸收線(xiàn)型；第三次掃描在點(diǎn)火后約4.884ms，Cs吸收線(xiàn)型顯著變窄，因?yàn)楸鸩ń?jīng)過(guò)大約4ms后壓力已下降。通過(guò)分析Voigt線(xiàn)型，可得到靜溫的貢獻(xiàn)（多普勒展寬）和靜壓的貢獻(xiàn)（碰撞展寬），擬合測(cè)量線(xiàn)型可確定靜壓和靜溫隨時(shí)間的變化。靜溫在圖10中用Tkin表示，盡管圖中未給出壓力的時(shí)間歷程，但與壁面壓力傳感器測(cè)量結(jié)果具有很好的一致性。

圖9 單循環(huán)PDE和測(cè)量傳感器示意圖及三條吸收線(xiàn)型［61］Fig.9 The schematic of single－cycle pulse detonation engine with laser absorption and optical emission sensors and the curves of three absorption lineshapes

圖10 PDE的測(cè)量溫度及與仿真結(jié)果比較［61］Fig.10 Measured temperature compared with simulation calculations

當(dāng)假定電子態(tài)的布居數(shù)達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度也能由處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)的Cs布居數(shù)之比得到，基態(tài)布居數(shù)由吸收確定，激發(fā)態(tài)布居數(shù)由激發(fā)態(tài)原子的熱發(fā)射得到，發(fā)射與吸收之比得到的溫度在圖10中用Telec表示。兩種不同的溫度測(cè)量方法得到高度一致的結(jié)果。溫度測(cè)量結(jié)果也與美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，顯示出仿真和實(shí)驗(yàn)間較好的一致性。

與所有的推進(jìn)裝置類(lèi)似，PDE的性能依賴(lài)于燃料是否有效燃燒。美國(guó)海軍研究生學(xué)院（NPS）和Hanson小組，用中紅外激光吸收技術(shù)在NPS的PDE聯(lián)合開(kāi)展燃料利用問(wèn)題的研究［62］。用差頻發(fā)生器（DFG）產(chǎn)生中紅外激光，通過(guò)JP－10燃料對(duì)接近3.4μm激光的吸收來(lái)監(jiān)測(cè)燃料的加載過(guò)程。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖11（a）所示，圖11（b）給出燃料隨時(shí)間變化的結(jié)果。

在未燃燒情況，燃料脈沖穿過(guò)燃料注入口下游的測(cè)量位置，脈寬約35ms；在燃燒情況，開(kāi)始時(shí)監(jiān)測(cè)到燃料上升，當(dāng)爆震波經(jīng)過(guò)后，燃料信號(hào)迅速下降到零附近，表明燃料完全或接近完全燃燒。然而在爆震波之后大約20ms，又監(jiān)測(cè)到未燃燒的燃料包經(jīng)過(guò)測(cè)量位置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在加載管路中存在燃料間斷，這部分沒(méi)能燃燒，因而對(duì)推力的形成沒(méi)有貢獻(xiàn)。由于存在未燃燒燃料，導(dǎo)致對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比推力的錯(cuò)誤理解，消除燃料間斷后使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到改善。

圖11 中紅外探測(cè)PDE燃料的實(shí)驗(yàn)裝置及PDE燃料加載測(cè)量［62］Fig.11 The schematic of the experiment with mid－IR PDE fuel detection and the curve of PDE fuel loading measurement

2.4 汽輪機(jī)燃燒室控制

TDLAS傳感器的最終應(yīng)用目標(biāo)之一是為改善燃燒和推進(jìn)系統(tǒng)的性能而進(jìn)行主動(dòng)控制［1－2，5］。對(duì)改善燃燒效率和降低污染物排放的需求使低當(dāng)量比燃燒室受到廣泛關(guān)注［57－58］，然而低當(dāng)量燃燒特別容易受到熱聲學(xué)不穩(wěn)定性和貧燃熄火（LBO）的影響。熱聲學(xué)不穩(wěn)定性起源于不穩(wěn)定的熱釋放與聲學(xué)（壓力）振蕩的閉環(huán)耦合，可導(dǎo)致燃燒效率降低并增加污染物排放。LBO能引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，降低發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和可用性。由于涉及到復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，預(yù)測(cè)不穩(wěn)定燃燒行為非常困難，通常在工業(yè)燃燒室中通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)控制對(duì)不穩(wěn)定燃燒進(jìn)行抑制。

Hanson小組的研究表明，燃燒不穩(wěn)定和LBO可通過(guò)吸收光譜測(cè)量進(jìn)行反饋控制［57－58］。LBO在低當(dāng)量比和快速的功率震蕩時(shí)容易出現(xiàn)，是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要關(guān)注的問(wèn)題之一，在實(shí)際中避免LBO的常規(guī)做法是在LBO當(dāng)量比極限之上留出足夠的安全裕度。LBO極限隨著空氣和燃料的流量、燃料成分以及燃燒室的使用時(shí)間等因素而不同，而收窄LBO的安全裕度能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能并降低排放。

圖12（a）給出Stanford大學(xué)的模擬汽輪機(jī)燃燒室和視線(xiàn)吸收測(cè)量設(shè)備。H2O吸收的波長(zhǎng)調(diào)制傳感器能提供2kHz的實(shí)時(shí)測(cè)量速率，對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行快速Fourier變換獲得低頻（0～50Hz）的功率譜分?jǐn)?shù)（FFT%［0～50Hz］）。即使沿視線(xiàn)的氣體成分和溫度非均勻或者溫度測(cè)量不準(zhǔn)確，功率譜分?jǐn)?shù)的波動(dòng)也可為火焰穩(wěn)定性提供直接的測(cè)量。從圖12（b）可以看出，當(dāng)火焰接近LBO（橫坐標(biāo)趨于0）時(shí)，低頻波動(dòng)顯著增加，因而可設(shè)定功率譜分?jǐn)?shù)的閾值（即保持穩(wěn)定燃燒的最大值）作為由穩(wěn)定燃燒過(guò)渡到LBO的界限。通過(guò)觀察火焰結(jié)構(gòu)，實(shí)際當(dāng)量比與LBO極限的差值小于0.05時(shí)（φ-φLBO＜0.05），火焰出現(xiàn)不穩(wěn)定，因而從圖12（b）可以看出設(shè)定功率譜分?jǐn)?shù)的閾值為0.25是合適的。改變空氣流量，LBO極限（φLBO）也隨之改變，然而發(fā)現(xiàn)對(duì)所有的空氣流量，相同的閾值（0.25）對(duì)探測(cè)LBO都是合適的。也就是說(shuō)，如果將功率譜分?jǐn)?shù)閾值作為控制變量，即使不知道實(shí)際的LBO極限，仍然能將當(dāng)量比控制在φ-φLBO＝0.05附近，即接近LBO的穩(wěn)定燃燒。用2kHz的實(shí)時(shí)傳感器進(jìn)行反饋控制的實(shí)驗(yàn)表明［58］，TDLAS傳感器可用于實(shí)際燃燒系統(tǒng)的LBO探測(cè)并為L(zhǎng)BO的反饋控制提供控制變量。

圖12 模擬汽輪機(jī)燃燒室及吸收傳感器和低頻功率譜分?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比的變化［57］Fig.12 The schematic of a model gas turbine combustor and absorption sensor and the curve of low frequency fluctuations from running FFT versus fuel－air stoichiometry

2.5 超燃測(cè)試設(shè)備研究

TDLAS技術(shù)在超燃測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用研究受到普遍重視，下面是其中的兩個(gè)例子，一個(gè)是測(cè)量隔離段質(zhì)量流量［46］，另一個(gè)是超聲速燃燒過(guò)程監(jiān)測(cè)［68］。

質(zhì)量流量是密度和速度的乘積，TDLAS測(cè)量質(zhì)量流量是先用雙線(xiàn)測(cè)溫法得到溫度和多普勒頻移得到速度，如果壓力已知，再由理想氣體方程換算密度。Hanson小組基于這種方式開(kāi)發(fā)了質(zhì)量流量傳感器（壓力值由設(shè)備壓力傳感器提供），在NASA蘭利的直連超燃設(shè)備驗(yàn)證進(jìn)氣條件。蘭利的直連臺(tái)用燒氫補(bǔ)氧的方式加熱氣流，用Ma數(shù)為2.65的噴嘴模擬Ma數(shù)為6和7的飛行焓。傳感器選用兩個(gè)H2O吸收激光器，波長(zhǎng)分別為1341.5nm和1349nm，發(fā)射端和接收端分別用電動(dòng)平移臺(tái)固定在隔離段相對(duì)的兩側(cè)，通過(guò)平移臺(tái)的移動(dòng)，選擇測(cè)量位置。測(cè)量裝置和結(jié)果如圖13所示。

圖13 質(zhì)量流量傳感器在隔離段的安裝照片和質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果及與CFD的比較［46］Fig.13 The photo of the Mass－flux sensor installed on isolator and the curve of comparison of measured mass－flux with CFD

上下游光路的測(cè)量值高度一致，說(shuō)明隔離段氣流均勻性好，另外測(cè)量結(jié)果與設(shè)備預(yù)測(cè)值（圖中藍(lán)色線(xiàn)）的一致性也非常好，驗(yàn)證了CFD模擬氣流條件的能力。

燃料是否有效摻混和燃燒對(duì)燃燒室的性能至關(guān)重要，可通過(guò)測(cè)量燃燒室不同位置的燃料濃度或者溫度與產(chǎn)物濃度進(jìn)行判斷。Hanson小組用TDLAS傳感器，在Virginia大學(xué)的超聲速燃燒設(shè)備中測(cè)量不同燃燒位置的溫度和H2O濃度。Virginia的設(shè)備是電加熱的連續(xù)流風(fēng)洞，可用Ma數(shù)為2的噴嘴模擬Ma數(shù)為5的飛行焓，燃料是H2。為了驗(yàn)證傳感器的測(cè)量精度，來(lái)流中摻入了2%的H2O。傳感器也是由電動(dòng)平移臺(tái)改變測(cè)量位置，由縱向移動(dòng)臺(tái)選擇燃料噴口下游的3個(gè)平面，在每個(gè)平面通過(guò)橫向移動(dòng)選擇不同測(cè)量位置。測(cè)量設(shè)備和H2O濃度的測(cè)量結(jié)果如圖14所示。

圖14（b）中橫坐標(biāo)的0位置相應(yīng)于燃料噴口所在壁面，可以看出接近燃料噴口所在壁面H2O的濃度顯著增多，是H2燃燒的結(jié)果。隨著測(cè)量位置遠(yuǎn)離噴口壁面，H2O的濃度逐漸降低，最后收斂于來(lái)流H2O濃度值（2%），說(shuō)明H2的穿透深度不足，燃燒逐漸減弱。另外隨著測(cè)量平面遠(yuǎn)離燃料噴口，H2O的濃度收斂變慢，表明摻混情況逐漸改善。

2.6 飛行試驗(yàn)

半導(dǎo)體激光器的小型化和魯棒性為T(mén)DLAS傳感器的飛行應(yīng)用創(chuàng)造了條件。美國(guó)PSI公司最早開(kāi)發(fā)了具備飛行條件的質(zhì)量流量傳感器［69］，并準(zhǔn)備在NASA的科學(xué)研究飛機(jī)（F－18）上進(jìn)行飛行測(cè)試，但任務(wù)最終取消。最近，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和澳大利亞防御科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（DSTO）合作發(fā)起的HIFiRE工程為驗(yàn)證TDLAS傳感器的飛行性能提供了機(jī)會(huì)［70－72］。計(jì)劃進(jìn)行TDLAS驗(yàn)證的飛行試驗(yàn)有3次，分別為HIFiRE 1，2和6。

HIFiRE 1TDLAS試驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量來(lái)流空氣捕獲量來(lái)驗(yàn)證TDLAS傳感器的可靠性和飛行應(yīng)用能力。為降低風(fēng)險(xiǎn)，AFRL委托Zolo Technologies和Southwest Sciences兩家公司各自獨(dú)立開(kāi)發(fā)嵌入式TDL傳感器，如圖15所示，最終目標(biāo)是用于測(cè)量超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣捕獲量。Zolo Technologies公司的電子包重3.5kg，功耗20W。而Southwest Sciences公司的電子包重1.8kg，功耗2W。

圖14 超聲速燃燒設(shè)備及傳感器照片和不同位置的H2O濃度測(cè)量結(jié)果［68］Fig.14 The photo of supersonic Combustion Facility and TDLAS sensor and the curves of measured H2O mole fraction at various positions

圖15 HIFiRE 1載荷艙的尾段及電子包［70］Fig.15 Aft section of HIFiRE flight 1payload and electronic packages

2010年3月，HIFiRE 1成功完成了飛行試驗(yàn)，總的飛行時(shí)間超過(guò)500s。遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，Zolo Technologies公司的傳感器測(cè)量系統(tǒng)記錄了488s的數(shù)據(jù)，Southwest Sciences公司的傳感器在飛行17s后開(kāi)始工作不可靠，32s后完全失敗。

HIFiRE 2TDLAS的試驗(yàn)?zāi)康氖潜O(jiān)測(cè)燃燒產(chǎn)物核心流中溫度和水蒸氣濃度的時(shí)間和空間分布。傳感器包含兩臺(tái)Zolo Technologies公司的電子包和兩只激光器，每個(gè)激光的輸出分成4束，兩只激光器的8束光在燃燒室出口平面組成3×5的網(wǎng)格，如圖16所示。通過(guò)Tomography技術(shù)得到流場(chǎng)的空間分布信息。電子包質(zhì)量2kg，功耗14W。HIFiRE 2于2012年5月完成飛行試驗(yàn)，但試驗(yàn)結(jié)果未對(duì)外公布。

圖16 HIFiRE 2的TDLAS傳感器布局及電子包［72］Fig.16 TDLAS sensor configuration and electronic packages of HIFiRE flight 2

3 國(guó)內(nèi)研究概況

國(guó)內(nèi)的TDLAS研究起步較晚，本世紀(jì)初期以環(huán)境氣體檢測(cè)［73－78］和仿真研究［79－83］為主。近年來(lái)逐步引起科研院所和工業(yè)企業(yè)的重視，開(kāi)始涉及燃燒和推進(jìn)流場(chǎng)診斷研究，研究團(tuán)隊(duì)數(shù)量也有了較快增長(zhǎng)。安光所［84－86］、浙江大學(xué)［87－89］、中科院力學(xué)所［90－92］、西北工業(yè)大學(xué)［93］、天津大學(xué)［94－95］、西北核技術(shù)研究所［96－97］以及裝備學(xué)院［98－101］等先后組織力量開(kāi)展技術(shù)和應(yīng)用研究。特別值得一提的是，2013年4月17～19日，中國(guó)宇航學(xué)會(huì)在成都舉辦了首屆“光譜技術(shù)在燃燒診斷及大氣檢測(cè)中的應(yīng)用”學(xué)術(shù)研討會(huì)，TDLAS技術(shù)相關(guān)的論文占會(huì)議收錄論文總數(shù)的1／3，反映了我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域研究的重視程度。總體而言，由于起步較晚，目前仍以技術(shù)跟蹤為主，有的雖已初步具備工程應(yīng)用能力［91，99］，但尚未在燃燒和推進(jìn)流場(chǎng)診斷中真正發(fā)揮作用。

4 結(jié)論和展望

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜傳感器已成為流場(chǎng)診斷的基本工具，主要是由于其相對(duì)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉，應(yīng)用光纖使光束布置及遠(yuǎn)距離傳輸變得容易，尤其對(duì)于在燃燒和推進(jìn)等惡劣的環(huán)境中應(yīng)用更有吸引力。然而，目前TDLAS技術(shù)尚存在某些局限性：比如高壓環(huán)境下的壓力測(cè)量困難；非均勻流場(chǎng)二維重建技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中的困難；軟件處理能力還不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)量需求等等。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，克服這些局限性的同時(shí)使一些新的應(yīng)用方向正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)或成為可能：（1）高次諧波的歸一化為高壓下的壓力測(cè)量提供了解決途徑，數(shù)據(jù)處理能力的進(jìn)步為實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、速度及質(zhì)量流量、動(dòng)量流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及反饋控制創(chuàng)造了條件；（2）除了流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量之外，TDLAS技術(shù)還可為推進(jìn)系統(tǒng)的性能研究提供其他幫助，如燃燒不穩(wěn)定性和貧燃熄火研究、燃料摻混和燃燒效率計(jì)算、燃燒室和噴嘴的輔助設(shè)計(jì)等；（3）中紅外吸收光譜診斷取得重要進(jìn)展，將為大分子碳?xì)淙剂霞岸嘞嗔鞅O(jiān)測(cè)提供可行的手段；（4）新的連續(xù)波激光器可掃描穿過(guò)大量吸收譜線(xiàn)，通過(guò)增加光譜信息量能降低層析成像技術(shù)對(duì)投影光路數(shù)目和角度需求，使發(fā)動(dòng)機(jī)地面測(cè)試設(shè)備的流場(chǎng)二維重建成為可能，將對(duì)燃燒室的性能和效率研究產(chǎn)生革命性的影響；（5）隨著更多光譜范圍的激光器和相應(yīng)光纖器件的出現(xiàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)多種成分和特性將不再困難；（6）飛行傳感器已開(kāi)展過(guò)初步的飛行測(cè)試，可望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和反饋控制。

在我國(guó)，診斷技術(shù)的落后已成為制約新型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。解決這一突出矛盾的有效途徑就是加速發(fā)展吸收光譜診斷等光學(xué)診斷技術(shù)，科研院所和工業(yè)部門(mén)緊密合作，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室研究的同時(shí)，加快工程應(yīng)用進(jìn)度，促進(jìn)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究能力和水平。

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