(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 202210519988.7 (22)申请日 2022.05.13 (71)申请人 哈尔滨理工大 学 地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学 府路52号 (72)发明人 盖建新　韦自豪　王亚立　张玲珲　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 专利代理师 董玉娇 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01N 23/046(2018.01) G01M 15/14(2006.01) (54)发明名称 复杂流场信息监测系统及方法 (57)摘要 复杂流场信息监测系统及方法， 属于流场信 息电子测量技术领域。 解决了现有流场信息监测 系统存在只能对 单一气体进行测量、 无法直观表 达非均匀流场的结构特征和空间位置特征， 也难 以预测气体运动特征缺陷的问题。 本发明中， 激 光发射单元用于产生流场测量单元所需的入射 激光； 流场测量单元用于通过激光对流场中的待 测气体进行探测采集激光穿过流场后的投影数 据； 数据采集单元用于采集流场测量单元输出的 投影数据， 获得含有流场信息的吸收光谱信号； 上位机单元用于利用代数重建算法对含有流场 信息的吸收光谱信号进行处理完成流场参数的 可视化二维重建； 还用于控制激光发射单元发射 相应波长的激光。 主要用于对复杂流场内的多种 气体进行监测。 权利要求书4页 说明书9页 附图2页 CN 114993986 A 2022.09.02 CN 114993986 A 1.复杂流场信息监测系 统， 其特征在于， 包括激光发射单元(1)、 流场测量单元(2)、 数 据采集单 元(3)以及上位机单 元(4)； 其中， 激光发射单 元(1)， 用于产生 流场测量单 元(2)所需的入射激光； 流场测量单元(2)， 用于通过激光对流场中的待测气体进行探测采集激光穿过流场后 的投影数据； 数据采集单元(3)， 用于采集流场测量单元(2)输出的投影数据， 获得含有流场信息的 吸收光谱信号； 上位机单元(4)， 用于利用代数重建算法对含有流场信息的吸收光谱信号进行处理完 成流场参数的可视化二维重建； 还用于控制激光发射单元(1)发射相应波长的激光； 其中， 流场参数包括 流场实际温度及流场中各待测气体的浓度。 2.根据权利要求1所述的复杂流场信息监测系统， 其特征在于， 激光发射单元(1)包括n 个激光发射模块(1 ‑1)和1个光纤分光器(1 ‑2)； 流场中包括 n‑1种待测气体， n 为整数； 每个激光发射模块(1 ‑1)包括1个激光驱动 控制模块(1 ‑1‑1)、 1个激光器(1 ‑1‑2)和1个 光开关(1‑1‑3)； 其中， 激光驱动控制模块(1 ‑1‑1)， 用于通过输出驱动电流信号来驱使激光器(1 ‑1‑2)发出激 光， 并控制激光器(1 ‑1‑2)温度恒定； 还用于通过控制光开关(1 ‑1‑3)的打开或关闭， 从而控 制激光器(1 ‑1‑2)输出的激光是否进入到光纤分光器(1 ‑2)内； 光纤分光器(1 ‑2)， 用于将激光器(1 ‑1‑2)输出的激光分成2组成分相同的激光， 并通过 2组单模光纤分别将2组成分相同的激光传输 到流场测量单 元(2)； 激光发射单元(1)中的n个激光器(1 ‑1‑2)出射的激光波长各不相同， 且n个激光器(1 ‑ 1‑2)出射的激光， 用于对n ‑1种待测气体进行探测， n个激光器(1 ‑1‑2)分别定义为第一至第 n个激光器(1 ‑1‑2)， 且n个激光器(1 ‑1‑2)输出的激光的中心波长均不相同。 3.根据权利要求1所述的复杂流场信息监测系统， 其特征在于， 流场测量单元(2)包括 位于同一平面内的2组激光准直器(2 ‑1)和2组光电探测器(2 ‑2)， 每组激光准直器(2 ‑1)中 激光准直器的数量与每组光电探测器(2 ‑2)中光电探测器的数量相同； 2组激光准直器(2 ‑1)以正交分布的方式固定在流场出口处， 且2组激光准直器(2 ‑1)分 别与2组光电探测器(2 ‑2)相对应； 每组激光 准直器(2‑1)， 用于对接收的激光进行准 直； 每组光电探测器(2 ‑2)， 用于对与 其相对应的那组激光准直器(2 ‑1)输出的光信号进行 光电转化后送至数据采集单元(3)， 且每组光电探测器(2 ‑2)与其相对应的一组激光准直器 (2‑1)的连线垂直于流场流动方向。 4.根据权利要求2所述的复杂流场信息监测系统， 其特征在于， 上位机单元(4)包括1个 控制模块(4 ‑1)、 1个流场温度及浓度反演显示模块(4 ‑2)和n‑2个流场浓度反演显示模块 (4‑3)； 控制模块(4 ‑1)， 用于控制激光驱动控制模块(1 ‑1‑1)产生与其相对应 的激光器(1 ‑1‑ 2)所需的驱动电流信号， 以及用于实现通过控制激光驱动控制 模块(1‑1‑1)对与其相对应 的光开关(1‑1‑3)的打开或关闭进行控制； 流场温度及浓度反演显示模块(4 ‑2)， 用于接收通过第一和第二个激光器(1 ‑1‑2)输出 的激光对流场中同一种待测气体进行探测后， 获得的两个含有流场信息的吸收光谱信号权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114993986 A 2和 并根据两个含有流场信息的吸收光谱信号 和 获得流场实际温度和所探 测的同一种待测气体的浓度并显示， 其中， 同一种待测气体作为第一种待测气体； n‑2个流场浓度反演显示模块(4 ‑3)分别与剩余的n ‑2个激光器(1 ‑1‑2)和剩余的n ‑2种 待测气体均存在一 一对应的关系； 流场浓度反演显示模块(4 ‑3)， 用于接收通过与其所对应的激光器(1 ‑1‑2)输出的激光 对流场中与该激光所对应的待测气体进行探测后， 获得的1个含有流场信息的吸收光谱信 号 并结合含有流场信息的吸收光谱信号 和流场实际温度， 获得待测气体的浓度并 显示。 5.根据权利要求4所述的复杂流场信 息监测系统， 其特征在于， 流场温度及浓度反演显 示模块(4 ‑2)根据两个含有流场信息的吸收光谱信号 和 获得流场 实际温度和所探 测的同一种待测气体的浓度的实现方式为： 预设流场初始温度分布后， 利用双线测温法和代数重建算法对两个含有流场信 息的吸 收光谱信号 和 进行解算至收敛， 从而获得流场实际温度和所探测的同一种待测气体 的浓度。 6.根据权利要求4所述的复杂流场信 息监测系统， 其特征在于， 流场浓度反演显示模块 (4‑3)结合含有流场信息的吸收光谱信号和流场实际温度， 获得待测气体的浓度的实现方 式为： 利用流场实际温度和 代数重建算法对含有流场信息的吸收光谱信号 进行解算至收 敛， 从而获得 所探测的待测气体的浓度。 7.根据权利要求4所述的复杂流场信 息监测系统， 其特征在于， 流场温度及浓度反演显 示模块(4 ‑2)所获得的两个含有流场信息的吸 收光谱信号 和 的表达式为： 其中， 流场被划分成N个网格， j为网格编号， j＝1,2,3 ……N， N为整数； P为流场压强； Sq′ (T)为在第一个激光器(1 ‑1‑2)和随流场温度T变化共同作用的条件 下第一种待测气体的谱 线强度； Sq″(T)为在第二个激光器(1 ‑1‑2)和随流场温度T变化共同作用的条件下第一种待 测气体的谱线强度； Xq′为在第一个激光器(1 ‑1‑2)作用下第一种待测气体的浓度； Xq″为在 第二个激光器(1 ‑1‑2)作用下第一种待测气体的浓度； Lij为第i条光束穿过编号为j的网格 的路径长度； 为第一个激光器(1 ‑1‑2)输出激光的第i条光线穿流场后， 相应的待测气体吸收激 光后所形成光谱信号； 为第二个激光器(1 ‑1‑2)输出激光的第i条光线穿流场， 相应的待测气体吸收激光 后所形成光谱信号； 为第一个激光器(1 ‑1‑2)输出激光状态下， 第j个网格内气体吸 收系数；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114993986 A 3