基于遗传算法的2μm波段水的吸收谱线选择.pdf
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1、 基于遗传算法的2 m波段水的吸收谱线选择陶蒙蒙,吴昊龙,王亚民,刘洋阳,李国华,叶景峰(西北核技术研究所;激光与物质相互作用国家重点实验室:西安7 1 0 0 2 4)摘 要:可调谐二极管激光吸收光谱技术的温度测量特性与所选择的吸收谱线密切相关,要获得较高温度精度,就需要根据待测环境的温度特性对吸收谱线进行针对性的选择。提出了基于遗传算法的吸收谱线选择方法,并分别给出了固定温度和宽温度范围下的谱线选择结果。在固定温度下,最优谱线的选择结果具有可扩展性和兼容性,最优的N+1条吸收谱线包含最优的N条吸收谱线;所选谱线的测温不确定度随着谱线数量的增加而减小,而随着温度的升高而增大,且最优谱线的选择
2、结果具有一定的温度适用范围。在宽温度范围下,谱线选择结果依然较为集中,不同谱线数量下的选择结果出现较高程度的重叠;在边缘温度处,最低和最高温度下的谱线选择结果分别会保证向上和向下的温度敏感性。总之,谱线选择结果一般都位于吸收光谱的峰值处,保证了所选吸收谱线的吸收强度;同时,所选结果还都包含位于等效下能级谱峰值和谷值处的吸收谱线,保证了所选吸收谱线的温度敏感性。关键词:可调谐二极管激光吸收光谱;超光谱吸收;多线测温法中图分类号:O 4 3 3;T N 2 4 4 文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0
3、 3 0 1收稿日期:2 0 2 3 0 1 2 7;修回日期:2 0 2 3 0 3 1 4基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 1 0 5 2 6 8,9 1 8 4 1 3 0 3,5 2 1 0 6 2 2 2);激光与物质相互作用国家重点实验室基金资助 项目(S K L L I M 2 0 0 9,S K L L I M 2 1 1 0,S K L L I M 2 2 0 7)作者简介:陶蒙蒙(1 9 8 9-),男,河南周口人,助理研究员,博士,主要从事激光技术应用研究。E-m a i l:t a o m e n g m e n g n i n t.a c.c nS e l
4、e c t i o n o f W a t e r A b s o r p t i o n L i n e s A r o u n d 2 m B a s e d o n G e n e t i c A l g o r i t h mT AO M e n g m e n g WU H a o l o n g WANG Y a m i n L I U Y a n g y a n g L I G u o h u a Y E J i n g f e n g N o r t h w e s t I n s t i t u t e o f N u c l e a r T e c h n o l o g
5、y S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f L a s e r I n t e r a c t i o n W i t h M a t t e r X i a n 7 1 0 0 2 4 C h i n a A b s t r a c t F o r a b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y b a s e d o n t h e r m o m e t r y w a v e l e n g t h s e l e c t i o n i s o f v i t a l i m p o r t a n c
6、e s i n c e t h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e a b s o r p t i o n l i n e s s e l e c t e d T o a c h i e v e h i g h t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t a c c u r a c y c a r e f u l l i n e s e l e c t i o n i s r e q u i r e d r e
7、g a r d i n g t h e i n v e s t i g a t e d t e m p e r a t u r e r a n g e H e r e u t i l i z i n g t h e w a v e l e n g t h s e l e c t i o n m e t h o d b a s e d o n g e n e t i c a l g o r i t h m b e s t w a v e l e n g t h c h o i c e s f o r a k n o w n t e m p e r a t u r e a n d a w i d
8、e t e m p e r a t u r e r a n g e a r e d i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y F o r a k n o w n t e m p e r a t u r e t h e s e l e c t i o n r e s u l t s s h o w e x c e l l e n t e x t e n s i b i l i t y a n d c o m p a t i b i l i t y w i t h t h e b e s t N l i n e s i n c l u d e d i n t
9、h e b e s t N+1 l i n e s T h e t e m p e r a t u r e u n c e r t a i n t i e s d e c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e s e l e c t e d w a v e l e n g t h n u m b e r w h i l e g r o w a g a i n s t t h e r i s e o f t h e t e m p e r a t u r e A n d t h e s e l e c t e d l i n e s
10、a r e a p p l i c a b l e w i t h i n a c e r t a i n t e m p e r a t u r e r a n g e F o r a 1-103020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3w i d e t e m p e r a t u r e r a n g e t h e s e l e c t i o n r e s u l t s f o r d i f f e r e n t w
11、 a v e l e n g t h n u m b e r s s h o w a h i g h d e g r e e o f o v e r l a p A t t h e e d g e s o f t h e t e m p e r a t u r e r a n g e t h e s e l e c t i o n r e s u l t s f o r t h e l o w e s t t e m p e r a t u r e s h o w h i g h s e n s i t i v i t y t o w a r d s h i g h e r t e m p e
12、 r a t u r e s w h i l e t h o s e f o r t h e h i g h e s t t e m p e r a t u r e s h o w h i g h s e n s i t i v i t y t o w a r d s l o w e r t e m p e r a t u r e s O v e r a l l t h e s e l e c t e d l i n e s a r e u s u a l l y f o u n d a t t h e p e a k s o f t h e a b s o r b a n c e s p e
13、 c t r u m e n s u r i n g h i g h a b s o r p t i o n a n d a t t h e l i m i t s o f t h e e f f e c t i v e l o w e r e n e r g y s p e c t r u m a s s u r i n g h i g h t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y K e y w o r d s t u n a b l e d i o d e l a s e r a b s o r p t i o n s p e c t r o
14、 s c o p y h y p e r s p e c t r a l a b s o r p t i o n m u l t i-l i n e t h e r m o m e t r y 近年来,可调谐二极管激光吸收光谱(t u n a b l e d i o d e l a s e r a b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y,T D L A S)技术广 泛 应 用 于 复 杂 物 理 场 非 接 触 式 温 度 测 量 领域15。基于T D L A S技术的温度测量中,一般都是利用2条吸收谱线对水分子的吸收光谱特性进行测量,通过吸收面积比
15、反演得到环境的温度信息67。因此,T D L A S测量系统的温度测量特性与所选择的吸收谱线密切相关,要获得较高的温度测量精度,就需根据待测环境的温度特性对吸收谱线进行针对性的选择81 2,这就使吸收谱线的选择成为T D L A S测量系统中的一个关键环节,直接决定了测量系统的测量准确性和灵敏度。针对T D L A S系统中的谱线选择问题,研究人员开展了大量的研究工作,以期形成一套固定且具有广泛适用性的谱线选择方法。目前,常用的谱线选择方法可分为分析法和数值法2种,其中以分析法最为普遍。分析法从定性分析的角度针对光谱范围、吸收强度、温度敏感性及光谱间隔等条件设定56个选线准则,在此基础上根据实
16、际应用需求针对吸收强度及谱线下能级差等参数辅以若干定量条件,最终完成谱线选择。1 9 9 7年,N a g a l i等8针对双线测温法中的谱线选择问题,首先提出了谱线对选择的5条准则。之后,Z h o u等91 1进一步完善了基于定性分析的谱线对选择方法,根据不同应用场景提出了6条针对性的选线准则,使分析法趋于成熟稳定,并被广泛接受和使用。该方法目前已经在标准燃烧炉、高温炉及发动机等 不 同 的 温 度 测 量 实 验 研 究 中 得 到 了 实 际应用1 21 6。虽然分析法一定程度上较好地解决了吸收光谱的选线问题,但由于缺少定量的参考,无法实现谱线选择的自动化,且选线过程也相对较为繁琐。
17、2 0 0 9年,C a s w e l l1 7提出了等效下能级的概念,并用于吸收光谱技术中近红外波段的吸收谱线选择,为吸收谱 线 选 择 的 数 值 法 奠 定 了 基 础。2 0 1 1年,A n等1 82 0对等效下能级及基于等效下能级的谱线选择问题进行了系统的研究,研究结果表明,等效下能级能够更有效的反映不同环境条件下吸收谱线的温度敏感特性,吸收光谱的温度测量不确定度可表达为等效下能级的一个函数,利用等效下能级可将谱线选择问题巧妙地转化成了一个数学优化问题,这就是谱线选择的数值方法。利用数值法,C a s w e l l等2 1和A n等2 2就1.31.4 m区间的吸收谱线选择问题
18、开展了大量的研究工作,解决了不同应用场景下的最优谱线选择问题,目前,该方法已在标准燃烧炉、脉冲爆震燃烧室及燃气轮机等不同的应用场景中得到了大量应用2 32 4。2 m波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于目前常用的1.31.5 m波段,在吸收光谱测量领域具有很大的应用潜力91 0。2 0 0 3年,Z h o u等9使 用1.8 m附 近 水 的 吸 收 谱 线 实 现 了 对H e n c k e n炉 中 乙 烯/空 气 预 混 火 焰 的 温 度 测 量。2 0 1 9年,符鹏飞等2 5选择1 8 7 7 n m处水的2条吸收谱线,实现了对贫燃条件下模型燃烧室内部温度的多点分布式测量。
19、本课题组在前期研究工作中,研制了2 m波段的F P宽带扫描光纤激光器,测量了2 m波段水分子的宽带吸收光谱,实现了对空气和酒精火焰的温度反演2 62 8,但相关应用中并未对吸收谱线进行优化选择。本文利用等效下能级的概念,针对2 m波段水的吸收谱线的选择开展理论研究。提出了基于遗传算法的谱线选择方法,在固定温度及宽温度范围下开展了谱线优化选择研究,给出了2 m波段水的适用吸收谱线,为后续开展相关实验研究工作奠定了基础。1等效下能级与温度测量不确定度1.1等效下能级与H I T R AN数据库中的谱线下能级E不同,等效下能级E 不是一个固定值,它表征的是在特定波长位置处所有光谱范围内各个吸收谱线下
20、能级的2-103020 陶蒙蒙 等:基于遗传算法的2 m波段水的吸收谱线选择第2期等效综合作用结果,同时考虑了谱线重叠、温度及压强等因素。等效下能级E 可表示为1 72 0E=kBl nR1TT0Q(T)Q(T0)h c1T0-1T (1)其中:h为普朗克常数;c为真空中的光速;kB为玻尔兹曼常数;T为温度;T0为参考温度;Q为配分函数;R1为在温度T和T0下的谱线强度之比。一般情况下,参考温度T0取与温度T相近的温度点,谱线强度比R1可通过H I T R AN数据库计算求解。在不考虑谱线重叠带来的影响时,有E=E(2)即此时等效下能级与下能级相同。1.2温度测量不确定度1.2.1传统双线法的
21、测温不确定度双线测温是吸收光谱中最常用的测温方法,该方法使用2条吸收谱线的吸收面积比来实现温度反演,且选择的2条吸收谱线一般都有较大的间隔,不会发生谱线重叠。2条不同谱线的吸收面积比R1 2(T)可表示为R1 2(T)=A1(T)A2(T)=S1(T)S2(T)=S1(T0)S2(T0)e x p-h ckB(E1-E2)1T-1T0 (3)其中:A1(T)和A2(T)分别为2条谱线在温度T下的吸收面积;S1(T)和S2(T)分别为2条谱线在温度T下的吸收强度;E1和E2分别为2条谱线的下能级。由式(3)可知,选定2条吸收谱线后,吸收面积比R1 2(T)仅与温度T有关,因此R1 2(T)可用来
22、进行温度反演。对式(3)两边取对数,表示为l nR1 2(T)=l nS1(T0)S2(T0)-h ckB(E1-E2)1T-1T0 (4)对式(4)求导可得R1 2(T)R1 2(T)=h ckBE1-E2TT2(5)实际应用中,吸收面积为实际测量值,由于测量噪声的存在,会给吸收面积比带来一定的不确定度,表示为R1 2(T)2=R1 2(T)A1(T)A1(T)2+R1 2(T)A2(T)A2(T)2(6)其中,A1(T)和A2(T)分别为2条谱线吸收面积的测量噪声。式(6)与式(3)联立,可得:R1 2(T)R1 2(T)=A2(T)A1(T)R1 2(T)A1(T)A1(T)2+R1 2
23、(T)A2(T)A2(T)2=A1(T)A1(T)2+A2(T)A2(T)2(7)结合式(5),可得双线法温度测量的不确定度表示为TT(2)=kBTh cEA1(T)A1(T)2+A2(T)A2(T)2(8)其中,E=E1-E2。1.2.2多线法的测温不确定度双线测温法中,要实现对吸收面积的测量,要求激光波长能扫描覆盖对应的吸收谱线。但在高压下,由于谱线展宽,传统的分布式反馈激光器(d i s-t r i b u t e d f e e d b a c k l a s e r,D F B)很难实现对吸收谱线的完全覆盖,给吸收面积测量带来了较大的不确定度;另一方面,由于测量噪声的存在,吸收强度较
24、小的谱线也容易引入较大的不确定度,影响双线测温法的测量精度。与双线测温法利用2条谱线吸收面积比进行温度反演不同,多线测温法利用不同谱线处的多个吸收强度比,通过拟合来反演得到温度,具有更好的准确度和稳定性。多线测温的不确定度TT可表示为1 72 0TT(N)=kBTh cN1Ei 2-NN1E2iN1aiai 2N1Ei-NEi 2(9)其中:Ei为谱线处的等效下能级;ai为谱线i的吸收度;ai为测量噪声;N为吸收谱线总数。使用双线测温法时,不确定度可表示为TT(2)=kBTh cE a1(T)a1(T)2+a2(T)a2(T)2(1 0)其中,E=E1-E2。不考虑谱线重叠时,不确定度可表示为
25、TT(2)=kBTh cEa1(T)a1(T)2+a2(T)a2(T)2(1 1)3-103020第1 4卷现 代 应 用 物 理与传统双线测温法的不确定度式(8)形式一致。2谱线选择方法合适的吸收谱线应使系统的温度测量不确定度最小,因此谱线选择过程就是在给定的光谱范围内寻找目标函数式(9)的最小值。遗传算法是一种基于自然选择的极值求解方法,广泛应用于函数优化问题。本文通过遗传算法来求解目标函数的最小值,获得最优的谱线选择。基于遗传算法的谱线选择过程如图1所示。由图1可见,首先,利用H I T R AN 2 0 1 6数据库生成各谱线在不同温度下的吸收光谱,两光谱在对应波长处相比,并通过插值得
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