可調諧二極管激光吸收光譜技術測量風洞流速

谷俊青，徐勝利

（中國科學技術大學工程科學學院，安徽合肥230027）

·激光應用技術·

可調諧二極管激光吸收光譜技術測量風洞流速

谷俊青，徐勝利

（中國科學技術大學工程科學學院，安徽合肥230027）

基于對水蒸氣的吸收譜線在超音速流場的多普勒效應，結合HITRAN數據庫，選取適合當前環境的吸收譜線7181.1558 cm－1，結合超音速風洞裝置建立起一套基于可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術的實驗裝置，測量對應頻移，分析反演出流場速度，實驗結果表明，在高速環境下，系統測量流速為563.06 m／s，線性誤差為5.09%，效果良好，從而為對激波管等高速脈沖設備的進一步測量實驗打下了良好基礎。

光譜學；風洞流速；可調諧二極管激光吸收光譜；多普勒頻移；水蒸氣測量

1 引 言

超音速流和高超音速流在許多具有挑戰性的前沿應用領域中都會出現，比如航空航天領域、空氣動力推進學領域、燃燒學領域。因此對超音速流和高超音速流的各項參數進行測量相當有意義。

需要特別指出的是，在對超音速流和高超音速流的研究中，尤其以含水蒸氣的高超音速流的各項參數的測量［1］最受關注。原因有以下幾點：其一，它是空氣的自然組成成分，存在于所有涉及空氣的流體中；其二，水蒸氣是燃燒的基本產物；其三，在實際應用中水蒸氣的各項參數和燃燒的程度、燃燒的效率、推進效率、散熱量這些性能參數息息相關。因此對水蒸氣的測量普遍的和燃燒、推進力、航空動力學裝置相關。由于超音速流和高超音速流本身具有速度高、時間空間梯度大的屬性，另外在測量過程中有限的光接入和對操作時間要求短（通常是毫秒量級）也使如何進行精確快速的測量變得相當具有挑戰性。

可調諧半導體二極管激光器吸收光譜技術（TDLAS）是基于近紅外吸收光譜發展極為廣泛的技術之一，它靈敏度高，響應速度快，造價低廉并且采用無接觸式探針的測量得到路徑平均吸收，避免了對氣流和測量環境的影響。

除了測量吸收強度［2－4］，可調諧二極管激光器也可以測量流速，它通過不同光路中同一吸收線強的頻率變化得到，在高速流動系統中通過搭建交叉光路進行頻譜測量。本文主要通過對超音速風洞環境下對水蒸氣吸收波長的變化進行分析，應用示波器和數據采集卡進行采集，驗證多普勒頻移原理，為下一步的工作打下良好基礎。

2 測量原理

當一束頻率為v的激光通過樣品，其出射光強和入射光強滿足比爾－朗伯關系式：

其中，I0為入射光強；I為出射光強；αi（v）為相應i介質吸收系數；σi（v）為分子吸收截面；Ni為氣體分子密度；L為吸收光程。

由于不同分子都具有其特有的紅外吸收光譜，因此記錄不同波段范圍的光譜，我們就能獲得某一特定分子的相關信息。在高速系統的研究中，主要關注于水、二氧化碳、氧氣等對應的吸收譜線［5］。在本工作中，我們是基于水分子的光譜來獲得系統溫度、氣壓、速度和質量流量等參數。

如圖1，兩束激光以不同入射角入射流場，由于多普勒效應，探測器測到的吸收譜線會產生不同的頻率偏移（紅移和藍移），如圖2所示。通過計算兩者吸收頻率的頻差，可以反演計算出風洞的進風口速度：

其中，u為風洞流速；c為光速；ν0為中心吸收頻率；Δν為對應的頻率偏移。

圖1 理論光路Fig.1 Theoretical optical path

由于風洞的光路較短（垂直入射光路才25 mm），為了實驗結果明顯和易于計算，基于HITRAN和HITEMP數據庫［6］，選取室溫下吸收較強的中心頻率為7181.1558 cm－1的吸收譜線作為計算譜線。并選取7181.1558 cm－1的吸收譜線和7182.94962 cm－1的吸收譜線作為波長標定的基準，如圖3所示。

圖2 多普勒頻移示意圖Fig.2 Exhibition of Doppler frequency shift

圖3 室溫下的譜線吸收強度Fig.3 Lline strength of absorption under room temperature

3 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示。

圖4 實驗裝置圖Fig.4 Schematic of the experiment

超音速風洞：包括穩定段、噴管、實驗段和擴壓段（如圖5所示）。氣流由高壓儲氣罐通過進氣管道進入穩定段，穩定段內安裝有蜂窩板和阻尼網以消除來流漩渦、降低湍流度，提高氣流均勻性。噴管是核心部件，作用是使氣流膨脹加速至所需馬赫數。實驗段內布置噴孔、凹槽和支架等進行煤油霧化實驗研究。擴壓段可降低流速，使氣流靜壓恢復，減小氣流在風洞出口的總壓損失。本實驗測量是在6處進行。

圖5 風洞系統結構圖Fig.5 Structure ofWind tunnel system

紅外半導體激光器：使用的是垂直腔面發射的VCSEL激光器，中心波長為1392 nm，由于其功率較低（常溫下最高功率只有1.15 mW），耦合入光纖后會使得光能量損失過大，不能應用于實驗，所以采用兩個VCSEL激光器（采用外接，方便固定光路）進行實驗，并通過改變其溫度控制器TEC的設置從而調節其工作溫度，使得兩個激光器的7181.1558 cm－1的吸收譜線的吸收峰同步于相同驅動電流。

信號發生器：掃描信號發生器采用直接數字頻率合成（DDS）技術設計，為雙通道信號輸出。采用三角波驅動信號，掃描頻率取1kHz，一分為二輸入兩個激光器溫度電流控制板進行同步調諧至1392 nm附近，掃描范圍約1.1 nm。為了盡量準確，當使用數據采集卡采集數據時，采用最高采樣頻率20 MHz／s。

紅外光電探測器：兩個探測器是基于In-Ga-As光電二極管（型號為PN-2000，光敏面為φ2 mm）而制作的反向放大電路探測器，其對應的響應光譜為900～1650 nm，飽和光功率值為5 mW。

數據采集卡：采用的是基于32位PCI總線的四通道信號采集卡，最大采樣率為50 Msps／CH。

須要注意的是，由于產生多普勒頻移的是風洞內的吸收光程，外面的多余光程會對實驗產生一定干擾，目前采取激光器和紅外探測器緊靠風洞的測量窗口，盡量減少外面光程的干擾。并且考慮風洞的運行會對光路產生一定的抖動，對光具座嚴格固定。

4 實驗結果及分析

1）兩吸收線的初始校準，如圖6所示。

圖6 無風時初始信號Fig.6 Original signals while no wind blowing

2）示波器的測量結果，如圖7所示。

圖7 測量結果Fig.7 Results ofmeasuring

風洞的來流壓力為5 atm，啟動正常，但由于光路抖動較大，采取測量多次平均數據力求消除背景噪聲，采用1 kHz掃描頻率進行調諧，粗略測得兩光路夾角均為53度，經計算得出流速約為568.01 m／s，誤差10%，結果良好。

3）應用數據采集卡的測量結果：

測量界面，如圖8所示。

圖8 數據采集界面Fig.8 Interface of data acquisition

反演結果，如圖9所示。

圖9 0～25 ms區間速度分布Fig.9 Velocity distribution in the range of0～25 ms

調整過光路，兩光路夾角為53°，掃描頻率取4 kHz。為了盡量準確，數據采集卡采用最高采樣頻率20 MHz／s，處理出速度數據，統計計算得到速度563.06m／s，誤差為5.09%。

5 結 論

基于可調諧二極管激光吸收光譜技術，通過搭建可行的實際光路，我們實現了對風洞的多普勒頻移測速，效果穩定，結果良好，為進一步在激波管等高速瞬態環境下測量打下了良好基礎。

［1］ R K Hanson，P A Kuntz，C H Kruger.Resonance absorption spectroscopy of combustion gases using tunable infrared diode lasers［C］.Presented at Fall Meeting of the Eastern States Section，The Combustion Institute，Philadelphia，1976：18－19.

［2］ Li Fei，Yu Xilong，Chen lihong，Zhang Xinyu.Temperature and water vapour concentrationmeasurements of CH4／Air premixed flat flame based on TDLAS［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2009，23（2）：40－44（in Chinese）李飛，余西龍，陳立紅，張新宇，TDLAS測量甲烷／空氣預混平面火焰溫度和H2O濃度［J］.實驗流體力學，2009，23（2）：40－44.

［3］ Wang Jian，Huang Wei，Gu Haitao，et al.Temperature measurementwith tunable diodes absorption spectroscopy［J］.Acta Optica Sinica，2007，27（9）：1639－1642.（in Chinese）王健，黃偉，顧海濤，等.可調諧二極管激光吸收光譜法測量氣體溫度［J］.光學學報，2007，27（9）：1639－1642.

［4］ Guan Cong，Qu Yi.Research on absorption line profile of methane changing with environment［J］.Laser＆Infrared，2012，42（1）：36－40.（in Chinese）貫叢，曲藝.甲烷紅外吸收光譜隨環境變化關系研究［J］.激光與紅外，2012，42（1）：36－40.

［5］ Liu Yunyan，Pan Jiaoqing，Cheng Chuanfu，et al.Application and key technologies of semiconductor laser in the detection of oxygen［J］.Laser＆Infrared 2011，41（5）：501－505.（in Chinese）劉云燕，潘教青，程傳福，等.半導體激光器在氧氣探測中的應用及關鍵技術［J］.激光與紅外，2011，41（5）：501－505.

［6］ R K Hanson，L C Philippe.Diode laser absorption technique for monitoring mass flux in high speed airflows［C］.Invited Presentation at NASPMid-Term Technology Review，Monterey，1992.

Fluid velocity measurement of supersonic w ind tunnel w ith tunable diode laser absorption spectroscopy

GU Jun-qing，XU Sheng-li
（School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，Hefei230027，China）

Tunable diode laser absorption spectroscopic（TDLAS）technology applies thewavelength tunable characteristics of diode lasers to the absorption spectroscopy of the selected absorption line.Based on the absorption line ofwater vapor，combined with HITRAN database，the frequency is chosen which fits the current environment（7181.1558cm－1），experiment equipments are setup，the according frequency shiftof the chosen frequency ismeasured and the fluid velocity is calculated.Experiments results show that velocity measurement is 563.06m／s，with the linear error of5.09%，which builds good foundation for the next series ofexperiments under transientenvironments of high velocity such as shock tube.

spectroscopy；flow velocity；tunable diode laser absorption spectroscopy；Doppler shift；measuring water vapor

O433.4

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.01.002

谷俊青（1989－），男，碩士研究生，主要研究方向為紅外光譜分析。E-mail：huigu＠ustc.edu.cn

2013-05-17；

2013-06-05