(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210710542.2 (22)申请日 2022.06.22 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100089 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 宋艳　杨立军　李敬轩　 (74)专利代理 机构 北京超凡宏宇专利代理事务 所(特殊普通 合伙) 11463 专利代理师 张萍 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) G01J 5/34(2022.01) G01N 21/3504(2014.01) G01N 21/3581(2014.01) (54)发明名称 一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装 置及方法 (57)摘要 本申请提供了一种燃烧温度场及水蒸气含 量同步测量装置及方法， 包括： 第一测量模块、 第 二测量模块、 第三测量模块和数据处理模块； 第 一测量模块用于产生未穿过火焰 的参考太赫兹 波以及穿过火焰的两束测量太赫兹波， 将参考太 赫兹波和一束测量太赫兹波分别投射到第二测 量模块和第三测量模块， 采集另一束的二维光强 信息； 第二测量模块用于将参考太赫兹波分为两 束， 将一束投射到第三测量模块， 采集另一束的 二维光强信息； 第三测量模块用于生成太赫兹波 和参考太赫兹波的干涉条纹图像； 数据处理模块 用于对两个二维光强信息和干涉条纹图像进行 处理， 得到火焰的温度场分布和水蒸气浓度分 布。 本申请实现了火焰温度和水蒸气含量的同步 测量。 权利要求书3页 说明书8页 附图1页 CN 114877951 A 2022.08.09 CN 114877951 A 1.一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置， 其特征在于， 包括： 第一测量模块、 第 二测量模块、 第三测量模块和数据处 理模块； 所述第一测量模块， 用于产生未穿过火焰样品的参考太赫兹波以及穿过火焰样品的两 束测量太赫兹波， 将参考太赫兹波投射到第二测量模块， 将一束测量太赫兹波投射到第三 测量模块， 采集另一束测量太赫兹波的二维光强信息， 发送至数据处 理模块； 所述第二测量模块， 用于将参考太赫兹波分为两束， 将一束参考太赫兹波投射到所述 第三测量模块， 采集另一束参 考太赫兹波的二维光强信息， 发送至数据处 理模块； 所述第三测量模块， 用于实现测量太赫兹波和参考太赫兹波的干涉， 生成干涉条纹图 像， 发送至数据处 理模块； 所述数据处理模块， 用于对测量太赫兹波的二维光强信息、 参考太赫兹波的二维光强 信息和干涉 条纹图像进行处 理， 得到火焰样品的温度场分布和水蒸气浓度分布。 2.根据权利要求1所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置， 其特征在于， 所述第 一测量模块包括： 自由电子激光器， 光隔离器， 第一离轴抛物面镜， 第二离轴抛物面镜， 第一 分束镜， 第二分束镜和第一热释电探测器； 所述火焰样品位于第一分束镜和第二分束镜之 间； 所述自由电子 激光器， 用于发射连续太赫兹波； 所述光隔离器的中心轴与 所述自由电子激光器发射的太赫兹波平行， 用于隔离反射的 太赫兹回波， 使太赫兹波单 方向传播； 所述第一离轴抛物面镜位于太赫兹波的光路上， 所述第 二离轴抛物面镜与 所述第一离 轴抛物面镜相对放置； 所述第一离轴抛物面镜和 第二离轴抛物面镜对太赫兹波进 行反射准 直， 实现对太赫兹波的扩束； 所述第一分束镜位于第 二离轴抛物面镜反射的光路上， 用于将扩束后的太赫兹波分为 两束： 一束透射的测 量太赫兹波穿过火焰样品到达第二分束镜； 另一束反射的参考太赫兹 波进入所述第二测量模块； 所述第二分束镜用于将测量太赫兹波分为两束， 一束透射的测量太赫兹波进入第 一热 释电探测器， 另一束反射的测量太赫兹波 进入第三测量模块； 所述第一热释电探测器为阵列式探测器， 用于采集透射的测量太赫兹波的二维光强信 息， 发送至数据处 理模块。 3.根据权利要求2所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置， 其特征在于， 所述第 一测量模块还 包括： 速度调制器， 用于调制火焰样品的速度。 4.根据权利要求2所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置， 其特征在于， 所述第 二测量模块包括： 第三分束镜和第二热释电探测器； 所述第三分束镜位于参考太赫兹波的光路上， 用于将参考太赫兹波分为两束， 一束透 射的参考太赫兹波进入第二热释电探测器， 另一束反射的参考太赫兹波进入第三测量模 块； 所述第二热释电探测器为阵列式探测器， 用于测量透射的参考太赫兹波的二维光强信 息， 发送至数据处 理模块。 5.根据权利要求4所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置， 其特征在于， 所述第 三测量模块包括： 第四分束镜、 第三离轴抛物面镜、 第四离轴抛物面镜和C CD相机；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114877951 A 2所述第四分束镜位于第 二分束镜的反射的测量太赫兹波光路， 和第 三分束镜的反射的 参考太赫兹波的光路上， 用于实现测量太赫兹波和参 考太赫兹波的干涉； 所述第四离轴抛物面镜与第 三离轴抛物面镜相对放置， 所述第 三离轴抛物面镜和第四 离轴抛物面镜对干涉后的太赫兹波进行反射准直， 实现干涉后的太赫兹波的缩束， 将缩束 的干涉后的太赫兹波投射至所述C CD相机； 所述CCD相机， 用于对缩束的干涉后的太赫兹波进行成像， 将干涉条纹图像发送至数据 处理模块。 6.根据权利要求5所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置， 其特征在于， 所述数 据处理模块具体用于： 获取测量太赫兹波的二维光强信息、 参 考太赫兹波的二维光强信息和干涉 条纹图像； 对干涉条纹图像进行处 理， 得到火焰样品的温度场分布； 对测量太赫兹波的二维光强信 息、 参考太赫兹波的二维光强信 息和火焰样品的温度场 分布进行处 理， 得到火焰样品的水蒸气浓度分布。 7.根据权利要求6所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置， 其特征在于， 对干涉 条纹图像进行处 理， 得到火焰样品的温度场分布， 得到火焰样品的温度场分布； 包括： 对干涉条纹图像进行滤波处理， 去 除燃烧过程中杂散光对干涉条纹图像的噪声干扰， 得到去噪后的干涉 条纹图像； 对去噪后的干涉 条纹图像进行图像二 值化处理， 得到二 值化图像； 采用数学形态学对二值化图像进行细化， 提取出干涉条纹中心线， 标记干涉条纹级数 N； 基于干涉条纹级数， 计算火焰样品的折 射率分布n(x,y)： 其中， nref为空气折 射率， λ为太赫兹波 波长， L为太赫兹波通过火焰区域宽度； 根据火焰样品的折射率分布n(x,y)、 理想气体定律及Gladstone ‑Dale关系， 计算火焰 样品区域的温度场分布T(x,y)： 其中， Tref是参考温度。 8.根据权利要求7所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置， 其特征在于， 对测量 太赫兹波的二维光强信息、 参考太赫兹波的二维光强信息和火焰样品的温度场分布进 行处 理， 得到火焰样品的水蒸气浓度分布； 包括： 构建多项式形式的配分函数Q(T)， 多 项式系数由HITRAN数据库获得， T为温度； 温度T下水蒸气吸 收谱线的谱线强度S(T)为： 其中， S(T0)为预设温度T0的谱线强度， k为玻尔兹曼常数， h为普朗克常数， c为光速， E ″权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114877951 A 3