專利名稱：：用于高空間分辨率溫度和物質(zhì)濃度測量的面元劃分和層析成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：0001本發(fā)明涉及通過面元劃分(binning)和層析成<象(tomography)，獲取高空間分辨率的光鐠氣體溫度和物質(zhì)濃度測量的方法和i殳備。
背景技術(shù)：
：0002]吸收光謙法，包括可調(diào)的二極管激光器吸收光譜法(TDLAS)，是用于測量氣態(tài)混合物中的各種物質(zhì)的濃度的技術(shù)。吸收光i普法技術(shù)特別適用于實(shí)現(xiàn)非常低的探測極限。除物質(zhì)濃度之外，還可以利用吸收光語法來確定被觀測的氣體的某些物質(zhì)的溫度、壓力、速度和質(zhì)量流量。上文所描述的方法還可以進(jìn)一步包括通過比較沿著一個視線路徑標(biāo)識的箱與沿著交叉的視線路徑標(biāo)識的箱，確定選定溫度和氣體物質(zhì)濃度的空間位置。溫度和物質(zhì)濃度的分布可以表達(dá)為對應(yīng)于至少兩個視線路徑的位置的解析函數(shù)。或者，溫度和物質(zhì)濃度的分布可以表達(dá)為沿著至少兩個視線路徑的一系列離散的值。這里所說明的一個實(shí)施例是執(zhí)行吸收光譜法的方法，該方法將層析成像與溫度面元劃分組合起來，以改善多維的空間溫度和物質(zhì)濃度分辨率。此外，將層析成像與溫度面元劃分組合起來可以提供某些必需的初始空間信息，以推導(dǎo)所確定的沿著任何特定的視線路徑的溫度箱的順序，而無需有關(guān)被探測的氣體系統(tǒng)的先驗(yàn)假設(shè)。如此，層析成像與溫度面元劃分的組合是共生的；面元劃分技術(shù)可以用于提高層析成像分辨率，并且層析成像提供了關(guān)于沿著每個視線路徑測量的溫度和物質(zhì)濃度的排序的初始空間信息。方程#2:額外的定義<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>A=綜合吸收率，cm"R=綜合吸收率的比率如上文所描述的，溫度面元劃分在具有不同溫度依賴關(guān)系的多個躍遷上利用方程2中的關(guān)系，以確定關(guān)于沿著選定視線的不均勻的溫度分布的信息。這里所公開的方法規(guī)定，溫度的分布和目標(biāo)物質(zhì)的濃度可以通過位置的解析函數(shù)或者沿著給定視線路徑的一系列離散值來表達(dá)。在位置的解析函數(shù)的情況下，解析表達(dá)式的系數(shù)可以通過上文所描述的面元劃分技術(shù)和隨后應(yīng)用的層析成像來求解，以繪制考慮中的區(qū)域的溫度和物質(zhì)濃度的圖。在確定離散值的備選情況下，通過常規(guī)TDLAS加溫度分布和物質(zhì)濃度的面元劃分技術(shù)，來計(jì)算每個值。每個值都構(gòu)成具有特定大小的溫度和物質(zhì)濃度箱。如此，可以通過用層析成像數(shù)據(jù)補(bǔ)充面元劃分信息，制作溫度分布和物質(zhì)濃度圖。0023圖1概要地顯示了使用位置的解析函數(shù)以面元劃分和層析成像實(shí)現(xiàn)的吸收光譜法的實(shí)例。值得注意的是，圖l和隨后的圖不對目前所說明的方法和設(shè)備的范圍構(gòu)成限制。所顯示和描述的特定的層析成像和面元劃分布局是選定的代表性的實(shí)例，以全面地描述可以用于實(shí)現(xiàn)所需的分辨率目標(biāo)的面元劃分和層析成像策略。這里所描述的方法和設(shè)備可以利用任何層析成像圖案來實(shí)現(xiàn)，包括任意數(shù)量或任何布局的視線路徑和任何能實(shí)現(xiàn)的數(shù)量的箱。當(dāng)實(shí)現(xiàn)這里所描述的方法時獲得的最后的分辨率將只受在層析成像實(shí)現(xiàn)方式中所使用的路徑的數(shù)量和對應(yīng)于可用于測量的吸收特征的波長的數(shù)量的限制。圖2也是n乘m條正交路徑的示意布局14，這些路徑可以按任何尺寸的直線網(wǎng)格排列(加起來總共n+m個路徑)。在圖2中，溫度和物質(zhì)濃度用沿著每個路徑的多個部分具有離散值的離散的箱16表示。假設(shè)每個溫度和濃度值在某一長度L(箱的長度)上是常量。如果適當(dāng)?shù)脑挘煌淇梢跃哂邢嗤闹岛统叽?。最初，沿著給定的路徑的箱的順序是未知的。在使用常規(guī)TDLAS和面元劃分技術(shù)求解出所有路徑的所有離散值之后，可以使用來自相鄰的或交叉的路徑的觀察到的箱信息推導(dǎo)箱順序。隨后，可以使用任何數(shù)學(xué)有效的內(nèi)插手段，創(chuàng)建層析成像的圖像。例如，一個路徑外點(diǎn)周圍的路徑上的加權(quán)平均值產(chǎn)生該點(diǎn)的值的合理估計(jì)?；陬li普吸收率的方法表l:離散值情況的代表性的方程<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>0032如果溫度和物質(zhì)濃度的分布可以表達(dá)為位置的解析函數(shù),則可以確定的系數(shù)的最大數(shù)量等于可以求解的方程的數(shù)量。如果有正在檢查的特定量氣體的某些方面的先驗(yàn)知識，則可以利用較少的方程確定較多的系數(shù)。在某些情況下，如果先驗(yàn)信息可用，則可以將位置的解析函數(shù)和一系列離散值結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)面元劃分。—旦溫度和物質(zhì)濃度的分布^皮表達(dá)為一系列離散值(要么最初，要么在對位置的解析函數(shù)進(jìn)行求解之后)，就確定溫度、物質(zhì)濃度和箱尺寸的組的列表。然而，可能需要知道正在檢查中的特定量氣體的特性，以便沿著給定路徑設(shè)置箱。然而，一旦完成了沿著交叉的或相鄰的路徑的面元劃分，并考慮了先驗(yàn)條件，就可以使用數(shù)學(xué)計(jì)算產(chǎn)生氣體溫度和濃度的層析成像表示法，以填充箱之間的空隙。下面的實(shí)例只用于說明用途，不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。實(shí)例1:實(shí)例l考慮了使用3個路徑的圓柱對稱燃燒區(qū)測量和水的3條吸收線的測量，如圖3-4所示。如此，在實(shí)例1中，在具有圓形13截面的燃燒區(qū)18上測量溫度和水濃度。假設(shè)溫度和水濃度分布是圓形對稱的。使用的對稱性的最小單位是圓的八分之一。假設(shè)每個對稱的單位相對于相鄰的對稱單位表現(xiàn)出鏡面對稱。因此，可以只確定一個單元中的溫度和水濃度分布，并且基于前面的對稱性的假設(shè)，對于其他單元假設(shè)結(jié)果是相同的。如圖3所示，在45度的圓弧內(nèi)，以22.5度的間隔，部署了三個視線激光器路徑20、22、24。由于沿著每個路徑進(jìn)行了三個波長的光語檢查，可以沿著每個路徑確定兩個箱；假設(shè)這兩個箱是邊界箱26和中心箱28。此外，根據(jù)上面所提及的基本假設(shè)，對于所有三個路徑，假設(shè)中心箱28具有相同的大小、溫度和水濃度。相應(yīng)地，三個邊界箱24(每個路徑一個箱)各自都是相同大小。額外假設(shè)完整的對稱性，三個邊界箱中的每個都可以相等地被分為兩個部分，例如，26(a，b),—個部分被置于給定路徑的每個末端。Twaii[KPH20『atm515993420.132616413420.135716213420.134815253380.130915993430.1301016013450.128『00491表2:對于兩個路徑，假設(shè)Lp，/L-0.1的結(jié)果Ledse/L=0,l路徑#Tmain[KTwaii[KPmoatml516卯3200.144617373200.148717153200.146816103160.141916卯3220.1411016943240.139如圖17的示意圖所示，在此公開的本發(fā)明的另一個方面是適合于實(shí)現(xiàn)這里所描述的方法的用于吸收光鐠法的設(shè)備170。用于吸收光i普法的設(shè)備170包括用于沿著穿過所關(guān)注的一定量氣體的大于一個的視線路徑172a-172n在多個波長上獲取吸收數(shù)據(jù)的設(shè)備。吸收光語法設(shè)備170可以包括在所關(guān)注的多個波長上產(chǎn)生光的多個可調(diào)二極管激光器光源174a-174n。在以多個波長上產(chǎn)生的激光可以通過光學(xué)或光子學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
中已知的任何手段分發(fā)到多個視線路徑172a-n。圖17用圖形方式顯示了一個代表性的分發(fā)方法。在圖17的實(shí)施例中，每個波長、-、上的光最初通過多路復(fù)用器178被復(fù)用，并被耦合到單根光纖176。承載復(fù)用光的光纖176耦合到交換機(jī)或路由器180，交換機(jī)或路由器180可以有選擇地將復(fù)用光路由到與每個視線路徑172的輸入端關(guān)聯(lián)的輸入或投光器(pitchoptics)182a-n。光跨一見線路徑從輸入光學(xué)裝置182向與所關(guān)注的特定量的氣體相對的輸出或收光器(catchoptic)184a-n投影。每個收光器或輸出光學(xué)裝置184可以耦合到輸出端路由器或交換機(jī)186(它們通過光纖188與解復(fù)用器190進(jìn)行通信)。解復(fù)用器的輸出可以傳輸?shù)綄斎氩ㄩL、-、敏感的一系列檢測器192-192n。檢測器192a-n的輸出可以傳輸?shù)?陂配置為計(jì)算吸收光語法數(shù)據(jù)的設(shè)備194。設(shè)備194可以是較大的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)196的一部分，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)196包含適合于創(chuàng)建溫度和氣體物質(zhì)濃度的圖的硬件和軟件，如此創(chuàng)建的圖具有來源于沿著通過所關(guān)注的一定量的氣體的大于一個的視線路徑172a-n標(biāo)識的選定溫度和氣體物質(zhì)濃度箱的至少二維信息。上文所描述的吸收光語法設(shè)備170的特定光學(xué)/光子學(xué)配置只是代表性的。本發(fā)明的范圍包括適合于執(zhí)行這里所描述的方法的任何設(shè)備。本發(fā)明還包含權(quán)利要求的所有可能的置換，好像它們是多個從屬權(quán)利要求。[0053盡管參考許多實(shí)施例詳細(xì)地顯示和描述了本發(fā)明，但是，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對這里所說明的各種實(shí)施例的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行更改，這里所說明的各種實(shí)施例不對權(quán)利要求的范圍構(gòu)成限制。這里引用的所有參考文獻(xiàn)都全部引用，作為參考。1權(quán)利要求1.一種吸收光譜法的方法，包括沿著穿過所關(guān)注的一定量氣體的多于一個的視線路徑，在多個波長處獲取吸收數(shù)據(jù)；沿著多個視線路徑標(biāo)識多于一個的溫度和氣體物質(zhì)濃度箱；以及創(chuàng)建溫度和氣體物質(zhì)濃度的圖，所述圖具有來源于沿著多于一個視線路徑標(biāo)識的選定溫度和氣體物質(zhì)濃度箱的至少二維信息。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的吸收光鐠法的方法，進(jìn)一步包括通過比較沿著一個視線路徑標(biāo)識的箱與沿著交叉的視線路徑標(biāo)識的箱，確定選定溫度和氣體物質(zhì)濃度箱的空間位置。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的吸收光譜法的方法，其中，溫度和物質(zhì)濃度的分布被表示為對應(yīng)于至少兩個視線路徑中的每個的位置的解析函數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的吸收光i瞽法的方法，其中，溫度和物質(zhì)濃度的分布被表示為沿著至少兩個視線路徑的一系列離散的值。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過將吸收方程應(yīng)用于所測量的光譜吸收，求解位置的解析函數(shù)的系數(shù)。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過將測量的光鐠吸收擬合到利用未知面元劃分參數(shù)計(jì)算出的頻鐠輪廓，求解位置的解析函數(shù)的系數(shù)。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述離散值是通過將吸收方程應(yīng)用于測量的光譜吸收來確定的。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述離散值是通過將測量的光i普吸收擬合到根據(jù)未知面元劃分參數(shù)計(jì)算出的來確定的。9.一種用于吸收光譜法的設(shè)備，包括用于沿著穿過所關(guān)注的一定量氣體的多于一個的視線路徑，在多個波長處獲取吸收數(shù)據(jù)的裝置；用于沿著多個視線路徑標(biāo)識多于一個的溫度和氣體物質(zhì)濃度箱的裝置；以及用于創(chuàng)建溫度和氣體物質(zhì)濃度的圖的裝置，所述圖具有來源于沿著多于一個視線路徑標(biāo)識的選定溫度和氣體物質(zhì)濃度箱的至少二維化息。全文摘要一種吸收光譜法的方法，包括沿著穿過所關(guān)注的一定量氣體的多于一個的視線路徑，在多個波長處獲取吸收數(shù)據(jù)。該方法進(jìn)一步包括沿著多個視線路徑標(biāo)識多于一個的溫度和氣體物質(zhì)濃度箱，以及創(chuàng)建溫度和氣體物質(zhì)濃度的圖。如此創(chuàng)建的圖將具有來源于沿著多于一個視線路徑標(biāo)識的選定溫度和氣體物質(zhì)濃度箱的至少二維信息。還公開了用于實(shí)現(xiàn)上面的方法的設(shè)備。文檔編號G01N21/00GK101680833SQ200880017330公開日2010年3月24日申請日期2008年5月23日優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日發(fā)明者A·D·薩比伊,H·霍夫范德,J·豪厄爾,趙青春申請人:佐勒技術(shù)公司