燃燒診斷中的光學(xué)信號(hào)采集方法

蔡李靖 蔡偉偉 施 展 超 星 曹 汛

（1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210023；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；3.清華大學(xué)燃燒能源中心，北京 100084）

1 引言

能源是人類生活過程中重要基礎(chǔ)之一，對科技社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步有著至關(guān)重要的作用。雖然近幾十年太陽能、核能等新型技術(shù)發(fā)展趨勢日益增加，但是通過化石能源、氫氣等燃燒獲取的能量仍然是日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υ粗?。然而，在城市發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的推動(dòng)下，化石能源燃燒使得碳排放量持續(xù)上升［1-2］。氨氣作為煙氣脫硝的還原劑雖然能顯著降低NOx 排放，但是容易產(chǎn)生氨逸散等問題，造成二次污染［3］。作為替代燃料，氫能源作為清潔能源的代表，但是依舊面臨著功率密度低、異常燃燒等問題［4］。為了解決上述問題，亟需精準(zhǔn)對燃燒過程進(jìn)行監(jiān)測與控制。

燃燒過程是廣泛存在于內(nèi)燃和外燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的一種高溫放熱化學(xué)反應(yīng)［5］，利用燃燒診斷技術(shù)，對燃燒場的密度、溫度、速度、空間結(jié)構(gòu)、組分濃度與分布等高速變化的理化特性進(jìn)行測量與研究，在提高燃燒效率和安全性方面具有重要意義，而且能夠有效控制NOx、SOx、碳煙等污染物和溫室氣體的生成，為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出不可或缺的貢獻(xiàn)。然而，研究燃燒技術(shù)的關(guān)鍵在于將流體力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和傳熱傳質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用進(jìn)行解耦和分析。但是這直到今天仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)［6］。為了攻克這個(gè)難題，需要利用燃燒診斷技術(shù)對燃燒場時(shí)域、空域、譜域采集得到的信號(hào)進(jìn)行分析，主要包括：（1）如何測量與重構(gòu)的燃燒場空間信息（空域采樣問題）；（2）如何捕獲與處理燃燒場時(shí)變瞬態(tài)信息（時(shí)域采樣問題）；（3）如何探測燃燒場光譜信息（譜域采樣問題）。

燃燒診斷技術(shù)分為接觸式與非接觸式兩種。在燃燒場的諸多特性中，溫度作為一個(gè)基本的熱力學(xué)狀態(tài)變量，是反映燃燒過程最重要的性質(zhì)之一，因此火焰溫度的準(zhǔn)確測量有助于揭示燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)和燃燒過程規(guī)律［7］。早期的接觸式測量技術(shù)以高精度溫度測量為研究目標(biāo)進(jìn)行發(fā)展，依靠熱電偶、光纖、熱敏電阻等測溫器件，基于電導(dǎo)率或熱電動(dòng)勢與溫度之間的關(guān)系，對物體溫度進(jìn)行測量［7-8］。由于具有量程廣、測量可靠等優(yōu)勢，研究人員廣泛應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行燃燒過程的監(jiān)控［9-11］。然而，由于接觸式測量存在一些不足之處：（1）測量誤差大。該技術(shù)需要測量傳感器與火焰直接接觸，這些探頭及其連接的存在對火焰的流動(dòng)與熱傳導(dǎo)性進(jìn)行干擾，會(huì)對表面溫度和整個(gè)被測物的熱狀態(tài)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，從而導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差；（2）空間分辨率較低。在不進(jìn)行移動(dòng)的情況下，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式或線式測量。傳感器的形態(tài)以及體積大小也限制了二維或三維溫度測量的空間分辨率；（3）時(shí)間分辨率較低。由于傳感器具有一定熱慣性，需要固定放置一段時(shí)間后才能與燃燒火焰測量點(diǎn)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，因此只能實(shí)現(xiàn)區(qū)域溫度的平均值測量，難以滿足高速變化的燃燒火焰觀測需求。因此，對于燃燒場中高速變化理化特性的測量，采用非接觸式測量技術(shù)從外部進(jìn)行觀測，能夠降低接觸式測量的帶來的影響，減小對燃燒場本身狀態(tài)的干擾，提高測量穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。以光學(xué)測量技術(shù)為代表的非接觸式測量技術(shù)，具有多維度探測與響應(yīng)快等優(yōu)勢，能夠大幅提升燃燒場觀測的空間分辨率與時(shí)間分辨率［11-12］。

本文首先通過對燃燒診斷中的非接觸式光學(xué)測量方法進(jìn)行分類和歸納，分別從空間、時(shí)間、光譜采樣和處理方式對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上，針對于燃燒診斷領(lǐng)域中高時(shí)間分辨率、高空間分辨率和高光譜分辨率的觀測難題，結(jié)合相關(guān)測量技術(shù)最新的進(jìn)展，對未來的研究方向進(jìn)行探討。

2 非接觸式光學(xué)測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近幾十年來，非接觸式光學(xué)測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于燃燒場的測量中，如圖1 所示。從光譜維度而言，諸多時(shí)域、空域采樣技術(shù)僅捕獲燃燒場的寬譜段信號(hào)，無法對譜域信息進(jìn)行解析。然而豐富的信息蘊(yùn)含在光譜維度中，并且光譜分析的方法具有高靈敏度、高選擇性和多組分分析等優(yōu)勢。激光吸收光譜技術(shù)［13-26］基于消光法，通過對窄帶波長的激光吸收量進(jìn)行測定，從而對燃燒場特性進(jìn)行反演。拉曼散射技術(shù)［27-28］利用非彈性散射性質(zhì)對燃燒場光譜信息進(jìn)行獲取，在燃燒診斷領(lǐng)域組分分析中擁有長期發(fā)展歷史。時(shí)域采樣技術(shù)中，激光誘導(dǎo)光柵技術(shù)（Laser-Induced Grating Spectroscopy，LIGS）［29-31］、腔衰蕩光譜技術(shù)（Cavity ring-down spectroscopy，CRDS）［32-37］通過測量時(shí)變的瞬態(tài)信息對溫度、組分濃度等特性進(jìn)行計(jì)算。然而該技術(shù)只能對點(diǎn)態(tài)信息進(jìn)行獲取。由于燃燒場中常有湍流、旋流等高速變化現(xiàn)象存在，這種點(diǎn)態(tài)測量的方法不能夠滿足于燃燒場中瞬息萬變的空間結(jié)構(gòu)信息。因此，為了獲取燃燒場二維或三維空域信息，學(xué)者們提出了一些具有代表性的空域技術(shù)，包括Mie/Rayleigh 散射直接成像法［38-41］、粒子圖像測速法［42-44］等。然而利用這幾種技術(shù)獲得燃燒場的三維空間信息時(shí)，需要通過切片掃描或旋轉(zhuǎn)燃燒臺(tái)等方式，并進(jìn)行多次曝光，無法在高時(shí)間分辨率下對三維空間瞬態(tài)信息進(jìn)行觀測。

圖1 非接觸式光學(xué)測量技術(shù)Fig.1 Non-contact optical measurement technology

為了解決上述技術(shù)無法采集三維空間瞬態(tài)信息的問題，需要對時(shí)空采集技術(shù)與系統(tǒng)進(jìn)行研究，即如何在單次曝光（單相機(jī)單次曝光或多相機(jī)同時(shí)單次曝光）的時(shí)間內(nèi)，對動(dòng)態(tài)燃燒場進(jìn)行三維空間瞬態(tài)信息采集。幸運(yùn)的是，結(jié)合體積莫爾層析技術(shù)［45］、光場成像［46-49］、背景紋影層析技術(shù)［50-51］與全息干涉法［52-54］等方式能夠解決實(shí)時(shí)觀測的難題。由于無須利用機(jī)械結(jié)構(gòu)對燃燒場進(jìn)行掃描，通過單次曝光即可實(shí)現(xiàn)空域信息采集，因此以上幾種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高時(shí)間分辨率的觀測。為了獲取燃燒場中的時(shí)譜信息，太赫茲時(shí)域光譜［55］等技術(shù)被應(yīng)用于燃燒診斷領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)譜信號(hào)解析，然而這種方式難以實(shí)現(xiàn)燃燒場空域信息分析。為了獲取燃燒場中的空譜信息，體激光誘導(dǎo)熒光（Volumetric Laser-Induced Fluorescence，VLIF）［56-57］、體激光誘導(dǎo)熾光（Volumetric Laser-Induced Incandescence，VLII）［58-62］、火焰自發(fā)光層析技術(shù)［63-66］、激光吸收光譜層析技術(shù)［67-71］、自發(fā)光譜被動(dòng)成像［72-77］等方式成為近期研究熱點(diǎn)。遺憾的是，傳統(tǒng)光譜成像方法需要犧牲時(shí)間維度來獲得光譜信息，無法對動(dòng)態(tài)場景多光譜信息實(shí)時(shí)采集觀測。為了直觀展示，目前采集方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 不同采集維度的非接觸式光學(xué)測量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of non-contact optical measurement techniques in different acquisition dimensions

目前在燃燒診斷領(lǐng)域，非接觸式光學(xué)測量技術(shù)在獲取空域信息、時(shí)域信息和光譜信息方面需要進(jìn)行權(quán)衡。不斷提升三個(gè)維度信號(hào)聯(lián)合解析能力正是燃燒診斷技術(shù)不斷發(fā)展突破的過程。多域聯(lián)合采集技術(shù)的發(fā)展使我們能夠更深刻地觀測燃燒現(xiàn)象，有助于對燃燒機(jī)理進(jìn)行本質(zhì)性的剖析。下面，本文以信號(hào)采集和處理角度對各種燃燒診斷技術(shù)進(jìn)行分類和詳細(xì)介紹。

3 單域采集技術(shù)

燃燒診斷技術(shù)在發(fā)展初期，由于技術(shù)局限性，只對燃燒場中的空域、時(shí)域和譜域單獨(dú)進(jìn)行解析。從測溫原理角度而言，基于普朗克輻射定律發(fā)展的雙色測溫法證明了光譜信息有助于燃燒場的理化特性的測量分析。早期的激光吸收光譜技術(shù)、拉曼散射等光譜測量方法，在組分分析和溫度測量上的卓越表現(xiàn)，讓我們認(rèn)識(shí)到譜域信息在燃燒場分析的重要性以及獲取的必要性。在時(shí)域采樣中，腔衰蕩光譜通過單波長激光在腔體內(nèi)連續(xù)震蕩吸收，并對變化的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域連續(xù)采樣，從而對組分濃度進(jìn)行分析。然而，腔衰蕩光譜技術(shù)僅僅是對點(diǎn)態(tài)信息進(jìn)行獲取，無法對燃燒場火焰面、曲率等結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。為了采集燃燒場空間信息，引入以粒子圖像測速法為代表的空域采集技術(shù)，對燃燒場進(jìn)行二維平面采樣。隨后通過加入振鏡等系統(tǒng)層面改進(jìn)，能夠采集燃燒場的三維空間信息。

3.1 譜域采集技術(shù)

光譜信號(hào)與燃燒場中的物質(zhì)和溫度息息相關(guān)，因此光譜信息在燃燒診斷的研究中十分重要。在激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)中，目標(biāo)物質(zhì)受到與其特征頻率相同的激光激發(fā)，原子中的電子從基態(tài)躍遷至較高的振動(dòng)能級(jí)再下降至基態(tài)時(shí)，釋放的能量即為熒光，產(chǎn)生的熒光信號(hào)是目標(biāo)分子能量態(tài)分布的函數(shù)，取決于局部熱化學(xué)狀態(tài)與激光波長和功率。因此，受控的熒光信號(hào)能夠用光譜模型進(jìn)行分析，以估計(jì)目標(biāo)物質(zhì)的數(shù)量、密度、溫度或速度。在燃燒場由自由基產(chǎn)生的特征光中，其中心波長與分子的能量水平成反比，而分子的能量水平又與其化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此由自由基產(chǎn)生的特征光具有獨(dú)特的光譜輪廓，能夠通過捕獲該特征光譜信號(hào)對自由基的濃度分布信息進(jìn)行分析。除了組分濃度測量外，溫度測量、煙灰分布等燃燒場特性都與各個(gè)譜段信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)。通過對較少譜段的譜域信號(hào)捕獲（例如使用RGB 相機(jī)）能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒場部分特征分析，相比之下通過獲取燃燒場中多譜段信息，有利于實(shí)現(xiàn)燃燒場溫度、壓力、組分分布等多個(gè)特性同時(shí)分析［78，62］。并且，Huang Y 等人［79］通過仿真數(shù)據(jù)對光譜波段數(shù)量與溫度和煙灰分布重建精度相關(guān)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。重建使用的光譜波段數(shù)大于55時(shí)，獲得了較小的Fréchet距離，表明重建的溫度和煙灰與預(yù)設(shè)分布非常相似，驗(yàn)證了光譜波段數(shù)的提升能夠有效減少特征重建誤差，有效提高燃燒診斷的精準(zhǔn)性。

以燃燒場溫度測量基本原理為例，目前溫度測量手段主要基于普朗克定律和燃燒火焰的灰體假設(shè)及其改進(jìn)模型，雙色測溫法［80-81］在燃燒診斷中被廣泛使用。雙色測溫法通常通過測量兩個(gè)不同波長下的輻射強(qiáng)度，利用其測量值的比值對溫度進(jìn)行反演計(jì)算。波段的輻射近似滿足黑體（灰體）的熱輻射，輻射強(qiáng)度符合普朗克輻射定律［78］，如式（1）所示。

式中，λ是輻射波長，ελ是發(fā)射率函數(shù)，T是溫度，C1和C2分別是第一和第二輻射常數(shù)，其中第一輻射常數(shù)C1=3.74×10-16W·m2，第二輻射常數(shù)C2=1.44×10-2m·K。

利用維恩定律近似估計(jì)，當(dāng)滿足exp(C2/λT) ?1時(shí)，式（1）可以簡化為式（2）［82］

在兩個(gè)不同波長λ1和λ2下，測量得到的單波長輻射強(qiáng)度分別為B(λ1，T)和B(λ2，T)。在測量過程中合理選擇波長，使得燃燒場在波長λ1和λ2的發(fā)射率ε1和ε2近似相等，則溫度T可以通過式（3）進(jìn)行求解［83］

由上式可知，通過選取波長λ1和λ2，并測量對應(yīng)波長下的輻射強(qiáng)度，即可對溫度進(jìn)行求解。如圖2 所示，Hossain M M 等人［84］采用由8 根光學(xué)成像光纖和2 臺(tái)RGB 相機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采集8 個(gè)角度的RGB 投影圖像，結(jié)合雙色測溫法，利用相機(jī)采集到的R通道和G通道的輻射強(qiáng)度信號(hào)對火焰溫度和發(fā)射率分布的三維重建進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究、可視化和驗(yàn)證。

圖2 雙色測溫法流程圖Fig.2 Schematic diagram of two-color pyrometry

然而RGB 相機(jī)中的三通道信息是對光譜維度進(jìn)行積分得到，并且不同相機(jī)存在不同的響應(yīng)函數(shù)，通道間波長間隔較大，導(dǎo)致灰體假設(shè)并不完全適用［85］。利用RGB相機(jī)進(jìn)行燃燒場測量時(shí)，由于拜耳濾片的譜段的限制，難以得到一個(gè)相對優(yōu)化的結(jié)果，從而造成較大的測溫誤差［86］。然而利用多譜段信息進(jìn)行溫度測量理論上能夠得到更加精確的結(jié)果［87］，通過對燃燒場進(jìn)行多譜段采集能夠很好地解決拜耳濾片譜段限制帶來的誤差影響。

因此，通過激光吸收光譜［13-26］、拉曼散射光譜［27-28］、相干反斯托克斯拉曼光譜（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy，CARS）［88-89］與簡并四波混頻（Degenerate Four-Wave Mixing，DFWM）［90-93］技術(shù)解析光譜維度上多譜段信息，可以對燃燒場中的理化反應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。

利用散射的特性，燃燒場中的粒子在脈沖激光的激發(fā)下，除了能夠產(chǎn)生彈性散射，比如Mie散射和Rayleigh 散射之外，還能夠產(chǎn)生具有光譜信息的非彈性散射，比如拉曼散射［27］等。通過拉曼散射光譜等技術(shù)對燃燒場進(jìn)行譜域信息測量，能夠?qū)θ紵龍鰷囟?、速度、壓力和多種物質(zhì)分布等特性進(jìn)行分析。ZHU Wenkun 等人［28］利用拉曼光譜技術(shù)對煤熱解后的微觀特征進(jìn)行分析，驗(yàn)證了拉曼基線漂移減小與取代基、脂肪基和羰基的耗散相關(guān)。

CARS 基于非線性拉曼散射過程，利用了材料中分子振動(dòng)態(tài)的非線性響應(yīng)，產(chǎn)生了與待測氣體振動(dòng)模式相關(guān)的光譜信號(hào)。CARS 主要通過三個(gè)光源來實(shí)現(xiàn)測量：激發(fā)光、泵浦光和探測光。激發(fā)光和泵浦光波長相近，它們的頻率差與氣體分子的振動(dòng)頻率相匹配，通過非線性效應(yīng)產(chǎn)生新的光，稱為反斯托克斯光。反斯托克斯光與探測光波長相近，它們之間的頻率差與樣品分子的振動(dòng)頻率相匹配。因此，探測光與反斯托克斯光共同作用于樣品，產(chǎn)生的散射光包含了與樣品分子的振動(dòng)模式相關(guān)的信息。SONG Yunfei 等人［88］利用CARS 對丁烷本生燈的火焰溫度進(jìn)行了測量，得到的測量溫度略高于熱電偶的結(jié)果，證明了這種方式在燃燒場溫度測量的有效性。

DWFM 的泵浦和探測光具有一致的頻率，可以由一個(gè)激光器產(chǎn)生的三束光進(jìn)行相互作用，該頻率與目標(biāo)組分的吸收譜諧振時(shí)可以產(chǎn)生第四束輻射信號(hào)［90-91］。DWFM 具有較高的靈敏度，提供了豐富的光譜信息，可以對受限環(huán)境下的低濃度瞬態(tài)物質(zhì)進(jìn)行檢測。Ewart P 等人在首次通過DWFM 檢測了層流預(yù)混空氣-甲烷火焰中的OH 分子［92］，然后利用高分辨率光譜分析進(jìn)行了燃燒場的溫度測量［93］。

激光吸收光譜技術(shù)包括量子級(jí)聯(lián)激光吸收光譜技術(shù)（Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy，QCLAS）［24-25］、可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）［3］等。

QCLAS 通常工作于中紅外譜段，利用量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)射特性和樣品吸收特性之間的相互作用，通過測量光的吸收來獲得樣品的光譜信息。Mathews G C 等人［25］基于QCLAS，通過測量溫度、壓力和CO柱壓力來表征RP-80雷管的爆后火球，可用于評(píng)估爆炸后火球模型和模型假設(shè)的準(zhǔn)確性。

TDLAS 根據(jù)激光是否經(jīng)過調(diào)制，可以分為直接吸收光譜（DAS）與波長調(diào)制光譜（WMS）。直接吸收光譜法由Hanson R K 等人［13］首次應(yīng)用于燃燒診斷領(lǐng)域，對燃燒火焰中CO 濃度進(jìn)行分析。通過對激光器的電流加載一個(gè)低頻掃描信號(hào)進(jìn)行波長周期性調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)特定光譜波段范圍內(nèi)掃描，以獲取氣體分子的吸收特征，從而對流場進(jìn)行分析［14-15］。由于其具有易于實(shí)現(xiàn)、免校準(zhǔn)、時(shí)間分辨率高等優(yōu)勢，能夠在復(fù)雜燃燒環(huán)境中得到應(yīng)用。Fang S 等人［16］利用DAS 技術(shù)對混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行測量，通過化學(xué)反應(yīng)和放熱等狀態(tài)對燃燒效率進(jìn)行分析。波長調(diào)制光譜引入波長調(diào)制技術(shù)［17］，對激光頻率進(jìn)行調(diào)制后通過提取諧波對流場的特性進(jìn)行分析，是一種高靈敏、高穩(wěn)定的方法，對于測量流場性質(zhì)具有良好的噪聲容忍特性［18］，能夠有效提高信噪比［19］。WMS 能夠?qū)?jīng)過流場后的激光的二次諧波信號(hào)進(jìn)行提取（稱為WMS-2f）［17，20］，或利用一次諧波對二次諧波進(jìn)行歸一化（稱為WMS-2f/1f）［21］，或通過波長掃描的方式對測量值進(jìn)行擬合（稱為WMS-nf/1f）［22］等方式對流場特征進(jìn)行分析。Li H等人［20］利用WMS-2f 的方法對穩(wěn)定渦流燃燒器中的丙烷空氣火焰進(jìn)行測量，能夠靈敏地探測溫度波動(dòng)并對熱聲不穩(wěn)定性和傾斜井噴進(jìn)行監(jiān)測。然而WMS-2f 在使用時(shí)候需要進(jìn)行校準(zhǔn)，并且在惡劣環(huán)境中容易發(fā)生傳輸損耗，難以對二次諧波信號(hào)進(jìn)行處理。通過對激光的一次諧波進(jìn)行提取，利用一次諧波信號(hào)對二次諧波信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，能夠解決上述問題，并具有免校準(zhǔn)的優(yōu)勢。Chao X 等人［21］利用WMS-2f/1f 的方法對溫度高達(dá)700 K 的煤粉發(fā)電站鍋爐廢氣進(jìn)行連續(xù)7 小時(shí)監(jiān)測，由于能夠高靈敏地測量CO 氣體濃度，因此該方法具有實(shí)時(shí)優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)和鍋爐效率的潛力。雖然WMS-2f/1f 方法具有免校準(zhǔn)的優(yōu)勢，但是這種方法對于光學(xué)厚度的模擬要求較高且其他光學(xué)元器件會(huì)造成不穩(wěn)定性。通過模擬WMS-nf/1f 信號(hào)并將其擬合到測量的信號(hào)中，能夠緩解上述問題。Qu Z等人［22］利用WMS-nf/1f的原理對甲烷-空氣預(yù)混火焰的H2O 濃度進(jìn)行測量，并提出了用于兩線測溫的波長掃描方案對火焰流場中的溫度進(jìn)行計(jì)算。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光吸收光譜技術(shù)可以與光學(xué)頻率梳技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高效的光譜測量分析。光學(xué)頻率梳主要通過寬帶激光源來實(shí)現(xiàn)，具有離散的、等間距的激光頻率。利用其信號(hào)離散特性，使用雙梳干涉［94］或Vernier 光譜儀［95］等方式對離散光譜信號(hào)進(jìn)行測量。Thorpe M J 等人［96］對乙炔分子超音速冷卻射流進(jìn)行了高分辨率和寬光譜帶寬的測量，通過將噴嘴移動(dòng)獲得不同高度的測量結(jié)果，對其密度、速度和內(nèi)部狀態(tài)分布的冷分子射流進(jìn)行重建與分析。

3.2 時(shí)域采集技術(shù)

高速理化反應(yīng)燃燒場的狀態(tài)是瞬息萬變的。燃燒產(chǎn)生短暫的電子激發(fā)的中間產(chǎn)物，即自由基，壽命僅僅為10-8到10-6s［97］。早期隨著激光光源的出現(xiàn)，依賴于激光的光學(xué)診斷技術(shù)成功應(yīng)用于燃燒診斷領(lǐng)域。在激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)中，由于被激發(fā)電子的自旋是恒定的，自發(fā)衰變以納秒量級(jí)發(fā)生［98］。因此需要對燃燒場中信號(hào)進(jìn)行高時(shí)間分辨率采集，利用連續(xù)采樣得到的瞬態(tài)信息，通過信號(hào)強(qiáng)度時(shí)序上的變化對溫度和組分濃度等特性進(jìn)行分析。

為了能夠?qū)Ω咚僮兓娜紵龍鲞M(jìn)行時(shí)域采樣，依賴于激光的LIGS 技術(shù)被引入燃燒場的測量。LIGS 能夠在惡劣的環(huán)境中以低成本的方式進(jìn)行非接觸式探測，在測量燃燒過程中的局部溫度與組分濃度表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。LIGS 利用兩束交叉激光束與待測燃燒場之間的相互作用產(chǎn)生誘導(dǎo)光柵后，通過探測光束對高速動(dòng)態(tài)燃燒場信息進(jìn)行采樣。Luers A 等人［29］使用一氧化氮作為吸收物質(zhì)，對LIGS進(jìn)行了系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)了火焰溫度的測量與NO濃度的檢測。De Domenico F等人［30］使用1064 nm的激光實(shí)現(xiàn)LIGS，同時(shí)測量火焰溫度和水濃度。并且通過與熱電偶測量數(shù)值和Chemkin 模擬值進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。然而，燃燒場瞬態(tài)激發(fā)信號(hào)通常受到高溫環(huán)境限制而快速衰減，為了實(shí)現(xiàn)低質(zhì)量信號(hào)的高信噪比和高時(shí)間分辨率采集，以及增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量和持續(xù)時(shí)間，Hot D 等人［31］利用中紅外泵浦激光束，產(chǎn)生具有大光柵間距的激光誘導(dǎo)光柵，顯著地提高信噪比和溫度測量精度。

CRDS 是一種基于激光的吸收光譜技術(shù)，由Herbelin J M［32］和Anderson D Z［33］提出。與傳統(tǒng)的吸收光譜技術(shù)相比，該方法具有非常高的靈敏度［34］，主要對受限于兩個(gè)高反射率鏡組成的高精密光學(xué)腔內(nèi)的樣品進(jìn)行組分濃度測量。利用脈沖或連續(xù)激光，每次光被反射時(shí)，有一小部分光從腔中泄漏出來，通過測量出光腔泄漏的時(shí)間依賴性來確定衰減時(shí)間，得到吸收速率，從而實(shí)現(xiàn)組分濃度的定量化分析。CRDS 直接提供了所研究分子的頻率依賴的吸收強(qiáng)度，包含了有關(guān)分子數(shù)目、密度、截面和溫度的信息，已在紫外到紅外寬波段范圍內(nèi)得到應(yīng)用［35-36］。Sandfort V 等人［37］將工作在780.2 nm 的自制外腔二極管激光器耦合到法布里-珀羅腔，從而將腔內(nèi)功率提升至8.17 W，實(shí)現(xiàn)在大氣壓下O2、CO2、C2H4和N2等氣體測量。

3.3 空域采集技術(shù)

Mie 散射成像［38-39］、Rayleigh 散射成像［40-41］等散射直接成像法基于燃燒場的光信號(hào)強(qiáng)度與狀態(tài)方程，通過對燃燒場空域信息進(jìn)行采集并反演，實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)等特性分析。HAYASHI J等人將Mie散射與其他探測技術(shù)結(jié)合，對煤顆粒、多環(huán)芳烴（PAHs）和煤煙進(jìn)行二維瞬態(tài)測量［38］。在等壓理想燃燒狀態(tài)下，根據(jù)Rayleigh 散射方程可知其散射強(qiáng)度與溫度成負(fù)相關(guān)［40］，BERGMANN V 等人利用該技術(shù)對火焰中OH、CH、NO的結(jié)構(gòu)和溫度分布進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的火焰表征［41］。然而這種點(diǎn)態(tài)測量的方式無法對瞬態(tài)二維或三維空域信息進(jìn)行采集。因此，在此基礎(chǔ)上，過濾瑞利散射法［99］等技術(shù)引入新的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更有效的二維平面空域信息測量。PU Jinpeng 等人將過濾瑞利散射法用于湍流煙灰非預(yù)混火焰溫度測量，其對比結(jié)果的一致性表明這種方式的有效性［99］。

粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry，PIV）通過引入平面激光對燃燒場中的粒子進(jìn)行追蹤，是一種成熟的測量速度場的技術(shù)［42-43］，為了研究燃燒場中的速度特性，在燃燒場中散布示蹤粒子或利用燃燒場中本身含有的微小顆粒，采用粒子圖像測速法追蹤這些特征顆粒，通過這些顆粒的運(yùn)動(dòng)來表征流體的速度，原理如圖3 所示。利用雙脈沖激光光源或連續(xù)激光光源對燃燒場進(jìn)行探測，在兩個(gè)已知時(shí)間記錄示蹤粒子的位置，通過互相關(guān)計(jì)算即可求得燃燒場中某一層的示蹤粒子速度分布。Sharaborin D K 等［100］研究了燃?xì)鉁u輪旋流燃燒器模型在非反應(yīng)條件下的湍流輸送和燃料混合，比較了兩種燃料體系（甲烷和丙酮蒸汽）的噴射。3D 掃描粒子圖像測速（SPIV）［44］是基于平面粒子圖像測速法，利用高幀率CCD 相機(jī)與高速激光器結(jié)合激光空間掃描的方法對實(shí)驗(yàn)測量區(qū)域進(jìn)行拍攝，同時(shí)記錄一系列示蹤粒子圖像對，對不同深度的切面進(jìn)行采樣。然后，通過互相關(guān)計(jì)算對三維測量區(qū)域內(nèi)的每個(gè)激光掃描平面示蹤粒子圖像進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)切面的二維流場分布［44］。由于系統(tǒng)掃描頻率高，時(shí)間間隔短，因此可以假定獲得的流場速度是在同一時(shí)刻獲取的。Brücker C［44］首次將SPIV 方法在具有透明氣缸和活塞頂?shù)碾妱?dòng)模型發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行測量，證明其無需做任何修改即可對實(shí)際引擎進(jìn)行研究。

圖3 粒子圖測速法原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of Particle Image Velocimetry（PIV）

4 雙域采集技術(shù)

上述方法僅僅利用燃燒場中的單域采樣信息進(jìn)行解析，信息維度不夠豐富，難以對燃燒場進(jìn)行全面分析診斷。例如激光誘導(dǎo)光柵技術(shù)，雖然具有時(shí)域采樣能力，然而其僅僅是一種點(diǎn)態(tài)測量方法，不具有空域采集的能力，無法對燃燒場的三維空間信息進(jìn)行探測與分析。

根據(jù)燃燒場不同空間結(jié)構(gòu)，可以分為對稱燃燒場與非對稱燃燒場進(jìn)行分析。對于空間形態(tài)以中軸線對稱分布的對稱燃燒場，可以通過采集燃燒場單個(gè)視角的圖像重建三維空間分布實(shí)現(xiàn)空域信息解析［101-103］。對于非對稱分布的燃燒場，通過空間掃描的方式進(jìn)行重建，犧牲了時(shí)間信息，較難反映渦流瞬態(tài)空間結(jié)構(gòu)等燃燒場全局瞬態(tài)信息。為了更好地了解燃燒場空間結(jié)構(gòu)特性，例如火焰燃燒場的拓?fù)?、演化、梯度等，需要具有時(shí)域采樣能力的三維測量技術(shù)［104］。采用莫爾成像、光場成像、全息干涉法或結(jié)合背景紋影成像技術(shù)等方式進(jìn)行多角度采集形式，同時(shí)對燃燒場的空間信息和時(shí)間信息進(jìn)行采集，能夠更深入地研究燃燒場的狀態(tài)。

拉曼散射等技術(shù)能夠獲取燃燒場的譜域信息，但是缺乏時(shí)域與空域采樣解析能力。利用太赫茲時(shí)域光譜等技術(shù)，在時(shí)間維度和光譜維度上對信號(hào)進(jìn)行采集與分析，拓寬了信號(hào)感知與處理方式。為了在空間層面對燃燒場的各個(gè)理化特性進(jìn)行分析，需要對燃燒場空間中各個(gè)體素的光譜信息進(jìn)行測量。最近，有些學(xué)者利用高光譜成像技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單點(diǎn)光譜測量技術(shù)進(jìn)行火焰參數(shù)測量［105-106］，例如采用自發(fā)光譜被動(dòng)成像等方式對燃燒場進(jìn)行空譜采樣，在光譜維度對燃燒場三維空間層面進(jìn)行分析。

4.1 時(shí)空采集技術(shù)

由于具有非接觸式、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，莫爾層析成像被認(rèn)為是一種強(qiáng)大的燃燒場診斷工具。二維莫爾層析成像技術(shù)在數(shù)學(xué)上是基于2D Radon變換的，重建多個(gè)切片后進(jìn)行堆疊生成三維空間信息，然而這種方式只能對真實(shí)燃燒場進(jìn)行近似。體積莫爾層析基于平行投影的三維Radon 變換理論，利用三維空間信息的相關(guān)性從而實(shí)現(xiàn)精確的重建。通過三維Radon 變換理論進(jìn)行推導(dǎo)可知，能夠通過測量波前相位在不同方向上的徑向二階導(dǎo)數(shù)實(shí)現(xiàn)三維折射率場重建，從而對燃燒場的特性進(jìn)行分析。Wang J 等人［45］利用莫爾偏轉(zhuǎn)的原理，采用雙交叉光柵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空間相移來測量投影相位的徑向一階導(dǎo)數(shù)，并重建了丙烷燃燒火焰的三維空間溫度分布。

光場成像技術(shù)能夠同時(shí)對場景的投影和光束的方向進(jìn)行捕獲，近幾十年來，光場主要通過多傳感器捕獲、時(shí)序捕獲和多路復(fù)用成像的方式進(jìn)行采集。多路復(fù)用成像方式能夠使用單個(gè)相機(jī)進(jìn)行高速光場捕獲，會(huì)導(dǎo)致空間和角度維度的分辨率權(quán)衡問題［46］。成像的原理如圖4所示，一次曝光后，能夠生成聚焦于不同深度的圖像，將不同平面的燃燒場投影信息包含在一張圖像中［47］。通過輻射傳遞的方法［47］或與三維層析［48］的方法相結(jié)合，能夠重建對稱和非對稱火焰的溫度場分布。Niu Z T 等人［48］將最鄰近法引入三維層析重建中，通過降低截面的干擾信息提升重建精度，在對稱和非對稱火焰進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的有效性。Liu Y等人［49］通過設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)的籠型光場成像系統(tǒng)，提高了空間分辨率，并且重建了層流擴(kuò)散火焰和湍流擴(kuò)散火焰在不同深度的溫度分布。但是由于各個(gè)微透鏡間距較小，采集的單視角信息過于冗余且不具有多視角信息進(jìn)行輔助重建，導(dǎo)致三維空間重建的精度較差。

圖4 光場成像原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of light field imaging

背景紋影層析技術(shù)結(jié)合背景紋影技術(shù)與層析技術(shù)對三維空間進(jìn)行重建，在多個(gè)角度對填充紋理特征的背景板進(jìn)行信號(hào)采樣，以構(gòu)成一個(gè)層析問題，利用重建算法對燃燒場進(jìn)行重建［50］。Liu H 等人［50］為了驗(yàn)證背景紋影技術(shù)在復(fù)雜場景下的適用性，對預(yù)混湍流火焰的9個(gè)角度投影信息進(jìn)行獲取，并重建三維空間的折射率。隨后，Liu H 等人［51］基于背景紋影實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)8 個(gè)相機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對丁烷/空氣非對稱預(yù)混火焰進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過熱電偶對重建溫度場的精度進(jìn)行分析，驗(yàn)證該系統(tǒng)和算法的有效性。

與背景紋影技術(shù)不同，全息干涉法通過多次曝光實(shí)現(xiàn)差分干涉測量，定量捕獲燃燒場的幅值和相位信息，具備非接觸和大景深的優(yōu)勢［52］。Xi T 等人［53］利用高速相機(jī)，采用數(shù)字全息法對窄通道燃燒的乙烯-氧氣預(yù)混火焰進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，以10 μs 的時(shí)間分辨率成功地測量了窄通道內(nèi)中微弱壓縮波、火焰和激波的傳播。Wu等人［54］采用25 kHz高速全息成像系統(tǒng)對推進(jìn)劑的燃燒中的顆粒進(jìn)行實(shí)時(shí)三維空間重建，并追蹤單顆粒的整個(gè)燃燒過程，從帶有時(shí)間分辨率的重建結(jié)果中對粒子大小、三維空間分布和粒子軌跡進(jìn)行跟蹤和分析。

4.2 時(shí)譜采集技術(shù)

上述方法能夠通過對時(shí)間、空間中采樣得到的信號(hào)進(jìn)行燃燒場分析，然而缺乏譜域解析能力。傅里葉紅外光譜法和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)基于干涉原理，能夠獲得不同時(shí)刻燃燒場的單一譜段強(qiáng)度，對譜域信息進(jìn)行解析，從而綜合利用時(shí)域、譜域信息對燃燒場特性進(jìn)行分析。

傅里葉紅外光譜法是通過干涉的原理獲得信號(hào)的干涉圖，并對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換實(shí)現(xiàn)光譜信號(hào)的獲取，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣體種類的判別，并測量氣體的濃度［107］。通過熱重分析技術(shù)能夠?qū)θ紵^程中的熱穩(wěn)定性與產(chǎn)物進(jìn)行分析，在燃燒診斷領(lǐng)域通常將傅里葉紅外光譜法與熱重分析技術(shù)結(jié)合對物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的氣體進(jìn)行測量與分析，比如煤、木材、瀝青、廢茶葉等在不同環(huán)境下的燃燒過程，從而更加充分地對物質(zhì)燃燒的過程不同階段進(jìn)行揭示。Liu L 等人［108］利用這種技術(shù)在不同氧氣濃度下對煤燃燒過程進(jìn)行測量，并對氣體產(chǎn)物進(jìn)行測量從而對煤燃燒過程的活化能進(jìn)行分析。

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在太赫茲波段對燃燒場進(jìn)行探測，通過對太赫茲波段光譜進(jìn)行測量，結(jié)合物質(zhì)的吸收線對燃燒產(chǎn)物及濃度進(jìn)行分析。在煙灰濃度較大的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可見光波段或紅外波段的光無法透過，使用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探測時(shí)需要使用過濾裝置將煙灰顆粒濾除后進(jìn)行探測，因此可見光與紅外波段的技術(shù)不具有長時(shí)間探測能力［55］。根據(jù)Mie散射理論，在較長的波長范圍內(nèi)，煙灰顆粒的消光系數(shù)有減弱趨勢，并且太赫茲波段的電磁波不會(huì)被煙灰顆粒明顯散射，因此太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)特別適用于煙灰濃度較大的場景中。Araki M 等人［55］對燃燒過程中產(chǎn)生的氰化氫（HCN）濃度進(jìn)行監(jiān)測，并將得到的測量結(jié)果與傅里葉紅外光譜技術(shù)測量結(jié)果進(jìn)行對比，精度誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在燃燒診斷領(lǐng)域中的有效性。

4.3 空譜采集技術(shù)

利用平面激光進(jìn)行燃燒場成像是燃燒成像的兩個(gè)主要手段之一［109］。激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)可分為平面激光誘導(dǎo)光譜、體激光誘導(dǎo)光譜與激光誘導(dǎo)擊穿光譜。通常情況下，以平面激光片的形式對燃燒場進(jìn)行激發(fā)，原子吸收激光能量后處于非穩(wěn)態(tài)，自發(fā)衰變形成熒光［98，110］的過程又稱為平面激光誘導(dǎo)熒光成像（Planar Laser-Induced Fluorescence，PLIF）［111-112］。利用增強(qiáng)型CCD 相機(jī)［6］或CMOS 相機(jī)［111-112］，對熒光信號(hào)進(jìn)行捕獲，根據(jù)捕獲的信號(hào)強(qiáng)度對燃燒場進(jìn)行分析，獲得燃燒場溫度［111，113］、速度［114］、結(jié)構(gòu)［100］等信息。HSU P S 等人［111］利用PLIF 技術(shù)對甲烷預(yù)混湍流火焰進(jìn)行溫度測量，從每兩個(gè)激發(fā)躍遷中收集PLIF 圖像，并使用圖像的強(qiáng)度比來確定局部溫度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 PLIF溫度測量結(jié)果，引用自［111］，已獲得Optica Publishing Group授權(quán)Fig.5 The temperature measurement results of PLIF，adapted with permission from ［111］? The Optical Society

為了利用PLIF進(jìn)行燃燒場三維空間探測，需要將平面激光對多個(gè)平面進(jìn)行順序掃描［6］，如圖6（a）所示，Cho K Y 等人［112］利用一套5 kHz OH PLIF 系統(tǒng)、一個(gè)高速檢測系統(tǒng)（圖像增強(qiáng)器和CMOS 相機(jī)）和一個(gè)振鏡掃描鏡對燃燒場進(jìn)行測量，切片結(jié)果如圖6（b）所示。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)記錄高速燃料蒸汽射流，實(shí)現(xiàn)燃燒場的三維空間OH相對濃度重建。

圖6 平面激光誘導(dǎo)熒光三維空間重建示意圖.（a）系統(tǒng)示意圖；（b）掃描結(jié)果示意圖，引用自［112］，已獲得Optica Publishing Group授權(quán)Fig.6 Schematic diagram of three-dimensional reconstruction by planar laser-induced fluorescence.（a）System diagram；（b）Scan result diagram，reprinted with permission from ［112］? The Optical Society

將平面激光通過光學(xué)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為體激光的形式即可實(shí)現(xiàn)體激光誘導(dǎo)光譜成像，通常分為誘導(dǎo)熒光或誘導(dǎo)熾光兩種形式，同時(shí)在多角度對燃燒場的投影信號(hào)進(jìn)行獲取，結(jié)合層析重建算法實(shí)現(xiàn)三維空間重建。雖然在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上需要增加高成本激光器，并且由激光器發(fā)出的線激光擴(kuò)展成體激光會(huì)產(chǎn)生非均勻擴(kuò)散等問題，但是該技術(shù)具有激光體積可調(diào)控與激發(fā)過程可控制等優(yōu)勢。利用光學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控激光體積與探測位置能對觀測區(qū)域進(jìn)行精確探測與重建，可以更好的計(jì)算火焰面等形態(tài)特性；精準(zhǔn)控制激光的波長與功率，以進(jìn)行與譜域相關(guān)的溫度和組分的定量測量。L Ma 團(tuán)隊(duì)［56］首次利用VLIF對碘蒸汽進(jìn)行探測，在出口位置加入一個(gè)桿將蒸汽射流切分為V 形以增加三維空間形態(tài)的復(fù)雜度，并用五個(gè)相機(jī)組成探測系統(tǒng)對V 形射流進(jìn)行探測，實(shí)現(xiàn)三維空間重建，結(jié)果如圖7 所示。隨著高功率高速激光器與高速相機(jī)的發(fā)展，VLIF在測量速率上大大提升。L Ma團(tuán)隊(duì)［57］在前期基礎(chǔ)上，使用10 kHz的Nd∶YLF 激光器激發(fā)V 形碘蒸氣射流，并利用七個(gè)高速相機(jī)組成的探測系統(tǒng)對其進(jìn)行探測與重建。雖然在信號(hào)折射率與投影信噪比方面有略微影響，但成功地將VLIF 三維空間探測速率從10 Hz 提升至10 kHz。

圖7 VLIF重建示意圖，引用自［56］，已獲得Optica Publishing Group授權(quán)Fig.7 The reconstruction result diagram of VLIF，adapted with permission from ［56］? The Optical Society

體激光誘導(dǎo)熾光［58-60］與體激光誘導(dǎo)熒光在原理上具有差異性，其主要在于誘導(dǎo)熒光是通過吸收激光能量使得原子中的電子躍遷后自發(fā)衰敗輻射出能量形成熒光，而誘導(dǎo)熾光是通過激光脈沖加熱粒子，由于具有能量吸收、輻射、傳導(dǎo)、升華、退火、氧化或熱離子發(fā)射等作用的影響，使得粒子受激產(chǎn)生熱輻射［58］。通過VLII技術(shù)，能夠?qū)α鲌鲋械臒熁殷w積分?jǐn)?shù)、粒子直徑場與溫度場進(jìn)行分析。Hall E M等人［59］通過對激光誘導(dǎo)熾光二維掃描重建結(jié)果與三維層析重建結(jié)果進(jìn)行對比，證明了體激光誘導(dǎo)熾光技術(shù)的可行性。Meyer T R 等人［61］首次將VLII 應(yīng)用于非穩(wěn)態(tài)火焰進(jìn)行煙灰體積分?jǐn)?shù)的測量，利用高功率高速的體積激光將火焰內(nèi)的煙灰場以納秒量級(jí)速率進(jìn)行激發(fā)，利用七臺(tái)配備立體鏡的相機(jī)組成的探測系統(tǒng)進(jìn)行14 個(gè)角度的探測，證明了可以在10 kHz 高速率條件下對煙灰場的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行三維空間重建與分析。Bauer F J 等人［62］結(jié)合光纖束進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，并且通過兩個(gè)濾光器件提取兩個(gè)波段的信號(hào)值，對重建三維空間信息的溫度場進(jìn)行分析。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜法（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）將脈沖激光束聚焦于待測點(diǎn)，將其加熱至高溫，從而分解成原子和離子。當(dāng)原子和離子重新結(jié)合時(shí)，對其發(fā)出的輻射進(jìn)行探測，用于組分的定量分析。在燃燒診斷領(lǐng)域，LIBS能夠用于分析煤炭燃燒過程中堿金屬的釋放過程［115］，或者不同實(shí)驗(yàn)室火焰比如層流預(yù)混火焰［116］、擴(kuò)散火焰［117］、湍流部分預(yù)混火焰［118］中當(dāng)量比分布等。Li S 等人［119］利用LIBS 技術(shù)結(jié)合三維移動(dòng)平臺(tái)測量了原子和基團(tuán)在燃燒火焰中的空間分布，通過捕獲燃燒過程的光譜信號(hào)對溫度分布進(jìn)行表征，成功實(shí)現(xiàn)燃燒場的空譜采集。

火焰自發(fā)光層析技術(shù)是一種相對簡單的空譜探測技術(shù)，對火焰燃燒時(shí)產(chǎn)生的特征光譜信號(hào)進(jìn)行觀測，即可對火焰的三維空間結(jié)構(gòu)信息，表面積、曲率等形態(tài)信息，溫度信息，組分濃度信息進(jìn)行采集與分析。Foo C T 等人［63］通過向火焰的內(nèi)環(huán)加入NaCl、外環(huán)加入Sr（NO3）2，利用不同的汽化堿金屬鹽發(fā)射不同特征波長的光。設(shè)計(jì)29 個(gè)相機(jī)陣列系統(tǒng)，在不同的相機(jī)上配備不同的濾光片以檢測不同的特征波長，主要分為三組，分別對NaCl、Sr（NO3）2、CH*進(jìn)行檢測，利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同時(shí)對燃燒火焰投影信號(hào)進(jìn)行獲取。通過對不同波長的投影信號(hào)分別進(jìn)行三維空間重建，對不同氣流的燃燒火焰的前沿位置及其相互作用進(jìn)行分析。Ma L 等人［64］用8 個(gè)高速攝像機(jī)組成的多角度采集系統(tǒng)，以20 kHz 的采集速率對Mach 2 腔體燃燒腔的點(diǎn)火過程進(jìn)行研究，主要測量了兩種燃料條件下火焰的流動(dòng)特性，其中包括點(diǎn)火核的三維體積、表面積、形狀因子等火焰形態(tài)信息。通過對這些形態(tài)信息的測量分析清楚地區(qū)分了燃燒腔點(diǎn)火階段和穩(wěn)定燃燒階段，并闡述了在燃燒腔內(nèi)火焰流動(dòng)的相互作用，證明了該技術(shù)在高速燃燒裝置中的實(shí)用性。Wang Q 等人［78］將一分九光纖束與分光鏡結(jié)合，同時(shí)在兩個(gè)波段下對燃燒火焰的九個(gè)視角投影信息進(jìn)行獲取，利用雙色法對燃燒火焰的溫度場進(jìn)行重建與分析。熱擾動(dòng)會(huì)對燃燒器的燃燒過程產(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致排放量增加，燃燒效率降低，甚至對燃燒器產(chǎn)生不可逆損壞等問題［65］。而CH*和OH*等自由基信號(hào)與火焰熱釋放相關(guān)，通過探測自由基特征波段的信號(hào)量對燃燒火焰進(jìn)行重建，可以對燃燒穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究。Moeck J P 等人［66］用高速相機(jī)記錄自由基的特征光，從傅里葉域提取出與螺旋結(jié)構(gòu)相關(guān)的頻率分量，通過相位平均的方式提取不同角度的視圖，并用于熱擾動(dòng)的研究。

激光吸收光譜層析技術(shù)主要基于激光吸收光譜技術(shù)，在特定光譜波段范圍內(nèi)掃描激光波長，通過監(jiān)測燃燒場空間中各個(gè)視線對激光強(qiáng)度的吸收量的測量，反演燃燒場三維空間信息。這項(xiàng)技術(shù)主要有平面激光層析和體激光探測兩種方式。

平面激光通常采用多種線激光陣列構(gòu)成探測平面的形式，比如單激光束、平行激光陣列、扇形激光陣列等，結(jié)合機(jī)械掃描機(jī)制實(shí)現(xiàn)空間探測。如圖8 所示，Liu C 等人［67］利用圓柱透鏡等光學(xué)器件對光路進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升了扇形激光陣列的性能，提高了重建精度，并進(jìn)行了氣體濃度反演與溫度場重建。

圖8 激光吸收光譜層析技術(shù)層析示意圖Fig.8 Schematic diagram of laser absorption spectrum tomography

線或面形態(tài)的激光結(jié)合層析技術(shù)能夠?qū)θ紵龍鋈S空間信息進(jìn)行重建，然而使用機(jī)械結(jié)構(gòu)將測量激光進(jìn)行平移的方法相對比較復(fù)雜。因此，Wei C 等人［68］和Tancin R J 等人［69］利用凹透鏡和柱狀透鏡等光學(xué)器件將激光擴(kuò)展形成體激光，通過旋轉(zhuǎn)燃燒臺(tái)收集多個(gè)角度下經(jīng)過燃燒場吸收后的二維投影圖像，進(jìn)行數(shù)值模擬仿真和實(shí)際系統(tǒng)測試［70-71］，對甲烷、乙烯等燃燒火焰進(jìn)行三維空間體積重建，并預(yù)測了火焰的溫度場和組分濃度。

激光吸收光譜層析技術(shù)主要依靠物質(zhì)在不同光譜波段的吸收特性，對激光吸收量進(jìn)行測量從而分析燃燒場相關(guān)特性，需要依靠發(fā)射主動(dòng)激光才能實(shí)現(xiàn)。然而，針對自發(fā)光的燃燒場，比如燃燒火焰等，需要依靠被動(dòng)成像的方式，對燃燒場自發(fā)的特征光譜進(jìn)行測量。近年來，很多學(xué)者通過這種獲取光譜的方式在溫度分析、堿金屬含量分析等應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究［72-74］。液晶可調(diào)濾波器（LCTF）利用液晶的電控雙折射效應(yīng)，通過外加電場使得不同波長的光發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)波段選擇。張海丹［75］和謝正超［76］等人利用LCTF 對火焰的三維溫度場、顆粒濃度場和氣體濃度場進(jìn)行重建與分析。除了使用上述LCTF 之外，還能夠使用轉(zhuǎn)輪式、掃描式等商用多光譜相機(jī)，對火焰的多譜段信息進(jìn)行采集。理論上，利用多譜段信息能夠更加精準(zhǔn)的對溫度等特性進(jìn)行反演［120-121］。如圖9 所示，Huot A 等人［77］基于轉(zhuǎn)輪式光譜相機(jī)，對火焰8 個(gè)譜段的光譜信息進(jìn)行獲取，通過多譜段信息對蠟燭燃燒火焰的溫度進(jìn)行估計(jì)，對蠟燭燃燒產(chǎn)物進(jìn)行分析。

圖9 轉(zhuǎn)輪式光譜相機(jī).（a）系統(tǒng)示意圖；（b）采樣結(jié)果示意圖Fig.9 Rotating wheel spectral camera.（a）System diagram；（b）Diagram of measurement

5 多域聯(lián)合采集發(fā)展趨勢展望

上述技術(shù)由于信號(hào)采樣能力的局限性，只利用單域或雙域信息對燃燒場進(jìn)行分析。在自發(fā)光譜被動(dòng)成像技術(shù)中，使用光譜成像設(shè)備進(jìn)行信號(hào)獲取時(shí)，普遍使用時(shí)分復(fù)用手段，雖然能夠獲得空間和光譜維度信息，但是其時(shí)序掃描效率低下，無法在單次曝光下采集場景完整的高維光譜圖像，難以在時(shí)域維度進(jìn)行燃燒場全局特征解析，在測量不穩(wěn)定的燃燒火焰時(shí)產(chǎn)生較大難題。單域或雙域技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足于復(fù)雜燃燒場的研究需求，多域信號(hào)聯(lián)合采樣與分析是研究燃燒技術(shù)的關(guān)鍵所在?？煺帐焦庾V成像技術(shù)及快照式光譜光場成像技術(shù)是近年來備受關(guān)注的新興課題，能夠同時(shí)對場景的時(shí)空譜以及更高維信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。由于先進(jìn)的光譜測量技術(shù)具有時(shí)空譜聯(lián)合采樣的優(yōu)勢，能夠在單次曝光下對燃燒場多維信號(hào)進(jìn)行采集，具有極高的采集效率，燃燒診斷領(lǐng)域引入相關(guān)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)采集與分析是非接觸式光學(xué)測量技術(shù)的未來研究方向。

針對于先進(jìn)的光譜測量技術(shù)，近幾十年來開展了大量的研究［122-123］。結(jié)合膠體量子點(diǎn)［124-125］、微環(huán)諧振器［126-128］、光子晶體板［129］、螺旋波導(dǎo)［130］、光學(xué)微腔［131-132］，薄膜［133］、納米線［134-135］等新型材料及器件，能夠?qū)崿F(xiàn)光譜維度信號(hào)的探測。利用光學(xué)元器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)窄帶濾波或光學(xué)分光，亞像素級(jí)馬賽克鍍膜技術(shù)［136-137］、光學(xué)復(fù)制重映射技術(shù)［138-139］、圖像映射技術(shù)［140-144］和色散光譜技術(shù)［145-146］用于實(shí)現(xiàn)高光譜重建。Si M 等人［136］和Zheng S 等人［137］利用亞像素級(jí)馬賽克鍍膜型的多光譜成像設(shè)備對燃燒火焰進(jìn)行瞬時(shí)捕獲進(jìn)行研究，這種方法能夠獲得較高的時(shí)間分辨率，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)燃燒火焰進(jìn)行觀測。棱鏡-掩模視頻成像光譜儀（Prism-Mask Video Imaging System，PMVIS）［145］利用均勻稀疏掩模和棱鏡分光的巧妙設(shè)計(jì)，能夠?qū)鼍跋∈杩臻g的光譜信息進(jìn)行采樣，允許在光譜分辨率和空間分辨率之間進(jìn)行不同的權(quán)衡。Gao L 等人［140，142］使用不同角度的微切片映射鏡將圖像切片進(jìn)行重新定向，然后通過棱鏡色散分布到二維傳感器上，設(shè)計(jì)圖像映射光譜儀（Image Mapping Spectrometer，IMS）。IMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)場景空譜信息與傳感器平面像素的一一對應(yīng)，通過單次曝光采集信號(hào)并追溯色散圖像像素位置與三維光譜數(shù)據(jù)體素的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)時(shí)空譜信號(hào)的聯(lián)合采集與重建；Pawlowski M E 等人［143］將IMS系統(tǒng)工作譜段擴(kuò)展至近紅外波段，提升時(shí)間采樣率約一個(gè)量級(jí)，以百赫茲速率對鹵素?zé)艚z的發(fā)射光譜進(jìn)行觀測。然而，IMS的空間、光譜分辨率受限于微切片映射鏡的設(shè)計(jì)，且隨著切片尺寸的減小會(huì)受到衍射效應(yīng)的串?dāng)_，從而影響成像質(zhì)量［144］。以上通過光學(xué)設(shè)計(jì)能以較高的時(shí)間分辨率直接采集場景空譜信號(hào)，但是難以解決空間分辨率與光譜分辨率不可兼得的固有矛盾。

為了解決了高速動(dòng)態(tài)場景的高分辨率光譜信息獲取的難題，以計(jì)算重構(gòu)方式為基礎(chǔ)的快照光譜成像技術(shù)成為近期研究熱點(diǎn)?；跀鄬訑z影［147-148］、壓縮感知［149-159］、混合光路［160-162］、光譜編碼［163-164］、傅里葉變換［165-166］等技術(shù)路徑與衍射光學(xué)元件［167-172］、散射介質(zhì)［173-174］、超表面［175-180］等新型材料器件，在單次曝光下用二維傳感器實(shí)現(xiàn)多維信息同時(shí)采集，通過計(jì)算重構(gòu)的方式恢復(fù)多維數(shù)據(jù)。計(jì)算層析成像光譜儀（Computed Tomographic Imaging Spectrometry，CTIS）［147-148］利用衍射光柵等光學(xué)元器件對三維空間場景進(jìn)行多方向、多階投影后，由二維平面?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行采集，通過重建算法即可重建場景高光譜信息。受壓縮感知原理啟發(fā)，編碼光圈快照光譜成像系統(tǒng)（Coded Aperture Snapshot Spectral Imaging，CASSI）［149-150］，通過光學(xué)編碼的方式將三維光譜信息投影到傳感器上，利用自然場景稀疏性假設(shè)重建高光譜圖像［151-152］。Lin X 等人對編碼策略進(jìn)行改進(jìn)，提出的雙編碼壓縮高光譜成像系統(tǒng)［153］使用兩個(gè)掩模在空間和光譜平面進(jìn)行編碼，獲得了更高的壓縮隨機(jī)度；提出的空間光譜編碼壓縮成像系統(tǒng)［154-155］通過空間光譜聯(lián)合編碼，實(shí)現(xiàn)了光譜采集的低成本與系統(tǒng)集約化實(shí)現(xiàn)方案。將RGB 彩色傳感器與彩色編碼孔徑引入光譜系統(tǒng)［156-159］，利用彩色濾波器件的靈活編碼設(shè)計(jì)，為空間光譜解耦提供新的約束，實(shí)現(xiàn)場景光譜高質(zhì)量重建。為了解決基于編碼的光譜采集系統(tǒng)中光譜和空間分辨率不可兼得的矛盾，近年來提出了混合光路系統(tǒng)，將具有不同維度信息優(yōu)勢的采集方案進(jìn)行融合，以顯著突破單光路系統(tǒng)的能力限制；Cao X 等人［160-161］利用基于PMVIS系統(tǒng)進(jìn)行混合光路設(shè)計(jì)，同時(shí)采集光譜高分辨、空間低分辨的光譜通道信號(hào)和光譜低分辨、空間高分辨的彩色相機(jī)通道信號(hào)，結(jié)合光譜傳播算法可以獲得同時(shí)具有高光譜分辨率和高空間分辨率的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)；Wang L 等人［162］將高時(shí)間采樣率的RGB光路與高曝光時(shí)間的CASSI 光路進(jìn)行信息融合，實(shí)現(xiàn)高幀率的光譜壓縮成像。

上述快照式光譜成像技術(shù)在相機(jī)單一視角下，單次曝光時(shí)間內(nèi)僅能對場景中的二維空間和光譜維度信息f(x，y，λ)進(jìn)行采集。結(jié)合層析技術(shù)，在單次曝光時(shí)間內(nèi)采集燃燒場的多視角投影信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速理化反應(yīng)的燃燒場三維空間信息及光譜信息的重建。

近幾年，在快照式光譜成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，衍生出了一系列快照式光譜光場成像技術(shù)［181］，能夠?qū)鼍暗乃木S信息f(x，y，z，λ)或五維信息f(x，y，θ，φ，λ)進(jìn)行采集與重建。研究者們基于結(jié)構(gòu)光［182-184］、飛行時(shí)間［185-186］等主動(dòng)探測技術(shù)，立體匹配技術(shù)［187-188］，模態(tài)融合技術(shù)［189-191］，傅里葉變換技術(shù)［192-193］，孔徑調(diào)制技術(shù)［194-196］，衍射調(diào)控技術(shù)［197-198］，像面調(diào)制技術(shù)［199］，光場層析技術(shù)［200］，超透鏡陣列技術(shù)［201］等方式對快照式光譜光場成像技術(shù)進(jìn)行探索，這些技術(shù)將多維信息壓縮進(jìn)行采集，通過計(jì)算解耦的方式對空間信息和光譜信息進(jìn)行重建，從而實(shí)現(xiàn)場景高維感知。Kang Z 等人［188］使用具有不同窄帶濾光片的光譜相機(jī)陣列實(shí)現(xiàn)場景光譜光場的采集，基于譜不變特性和立體匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜信息與光場信息的重建。Xiong Z 等人［190］利用分束器雙路系統(tǒng)分別采集場景的光場信息與光譜信息，將兩路信息融合重建高維度的光場光譜數(shù)據(jù)。然而結(jié)合兩個(gè)或更多不同的成像系統(tǒng)來同時(shí)捕獲高維信息會(huì)顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度與相機(jī)間對齊配準(zhǔn)等問題，為了改進(jìn)這種光譜與光場成像任務(wù)相對分立的缺點(diǎn)，單路壓縮光譜光場成像架構(gòu)能夠以更緊密的方式捕獲場景多維信息的復(fù)用表示，從而實(shí)現(xiàn)高維信號(hào)的計(jì)算重構(gòu)。Baek S H 等人［197］提出了一種緊湊的單鏡頭單目高光譜深度成像方法，使用衍射光學(xué)元件使其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)隨深度和光譜而變化，再以端到端深度學(xué)習(xí)的方法從單個(gè)捕獲圖像重建光譜和深度。Ding X 等人［199］通過將編碼光圈快照光譜成像結(jié)構(gòu)與微透鏡陣列串聯(lián)，使得探測到的編碼數(shù)據(jù)混合場景的空間光譜信息和光線的方向信息，首先基于壓縮感知理論恢復(fù)不同波長下的光場數(shù)據(jù)，然后基于數(shù)字重聚焦技術(shù)從光場數(shù)據(jù)中恢復(fù)每個(gè)光譜圖像。Hua X 等人［201］利用橫向色散超透鏡陣列和單色成像傳感器實(shí)現(xiàn)超緊湊光譜光場成像，提供了4 nm光譜分辨率和近衍射極限空間分辨率的快照成像。

對于燃燒場中譜域監(jiān)測的需求，即測量特定自由基（如OH*、CH*、C2*、Na*和K*等）的發(fā)射強(qiáng)度，一般要求監(jiān)測系統(tǒng)的譜域監(jiān)測能力在紫外至近紅外譜段范圍內(nèi)，并具有10～50 nm 的光譜分辨率［202-203］；對于多物種分析，會(huì)存在不同分子發(fā)射光譜特征峰相近、同一分子具有多處發(fā)射光譜的情況［204］，則要求監(jiān)測系統(tǒng)的光譜分辨能力足以區(qū)分它們之間的差別，通常在納米級(jí)別。目前光譜測量技術(shù)已經(jīng)可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)10 nm 以及更高分辨率的實(shí)時(shí)成像［205-206］，與目前常用于燃燒場監(jiān)測的寬帶濾波式多光譜成像相比［63］，高光譜分辨率測量可以傳遞更多關(guān)于燃燒過程的信息，在譜域維度為燃燒診斷提供更全面的解析能力。

從上述的分析和介紹中可以看出，快照式光譜成像技術(shù)與快照式光譜光場成像技術(shù)在場景空間信息和光譜信息采集中具有很大優(yōu)勢，并且能夠在單次曝光下完成相關(guān)信息采集。時(shí)空譜以及更高維信號(hào)的聯(lián)合采集，對于燃燒診斷前沿方法的研究具有重要意義。新型技術(shù)與燃燒診斷技術(shù)結(jié)合的過程中，在如何搭建與完善采集系統(tǒng)，如何進(jìn)行多維信號(hào)處理與分析等問題上都值得深入思考與研究，而這些正是未來高速燃燒場的高維信息同步采集與分析技術(shù)的研究方向。

6 結(jié)論

燃燒診斷相關(guān)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)長達(dá)數(shù)十年，雖然燃燒診斷領(lǐng)域已經(jīng)取得了令人欣喜的成果，但仍面臨多方面的挑戰(zhàn)。通過燃燒診斷技術(shù)，對燃燒場的密度、溫度、速度、結(jié)構(gòu)等特性進(jìn)行研究，能夠在控制溫室氣體及污染物生成、提高燃燒效率和安全監(jiān)控方面具有重大意義。為了避免傳統(tǒng)接觸式測量對燃燒場帶來干擾，非接觸式測量技術(shù)在近幾十年得到大力發(fā)展。我們將現(xiàn)有的非接觸式光學(xué)代表性技術(shù)按照空域、時(shí)域和譜域采樣進(jìn)行分類，并對目前技術(shù)在燃燒場探測過程中無法實(shí)現(xiàn)多域同時(shí)采樣的原因進(jìn)行剖析。然而研究燃燒機(jī)理的過程中，在高時(shí)間分辨率、高空間分辨率和高光譜分辨率下對燃燒場進(jìn)行采樣是至關(guān)重要的。我們通過對現(xiàn)有先進(jìn)的光譜捕獲技術(shù)進(jìn)行調(diào)研分析，認(rèn)為采用快照式光譜成像技術(shù)或快照式光譜光場成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空域、時(shí)域和譜域采樣的平衡。在未來的研究中，將其與燃燒診斷技術(shù)結(jié)合，在單次曝光中同時(shí)采集多域信息，在具有高時(shí)間分辨率的情況下，實(shí)現(xiàn)高速理化反應(yīng)的燃燒場三維空間信息及光譜信息的重建，這種信號(hào)采集及處理方法必然能夠?yàn)槿紵龍龅姆治鎏峁?qiáng)有力的技術(shù)支持。