基于CARS的高温燃气温度测量技术

基于CARS的高温燃气温度测量技术

赵俭

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

摘要：介绍了CARS温度测量的基本原理、国外在该技术方面的研究进展以及国内各机构在CARS方面的研究情况，分析了各技术分支的优缺点，希望能够在国防科技领域的高温燃气温度测量中较好地发展与应用这项技术，以解决高温测量的难题。

关键词：激光；CARS；高温；燃气；测量

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.02.01

中图分类号：TB942

收稿日期：2014-09-30

作者简介：赵俭(1973-)，男，高级工程师，硕士，主要从事特种条件下温度测量技术和动态温度校准技术研究。

High Gas Temperature Measuring Technology Based on CARS

ZHAO Jian

(Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：The principle of CARS temperature measurement and the research progress at home and abroad are introduced in this paper.Advantages and disadvantages of some technology branches are analyzed.It is hoped that this technology can be developed and applied better in national defence science and technology fields，in order to solve problems of high temperature measurement.

Key words：laser；CARS；high temperature；gas；measurement

0引言

在航空航天等国防科技领域，高温燃气温度是关键的测试参数，对于武器型号的性能评价、状态监控具有重要意义。随着武器型号的不断发展，所需测量的燃气温度越来越高，基于物理探针的接触式测量技术遇到了测温上限的困扰。基于CARS(相干反斯托克斯拉曼散射光谱)、RS(瑞利散射光谱)、PLIF(平面激光诱导荧光)、TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)等激光诊断的非接触式测量技术，由于不受测温上限的限制，受到了国内外研究者的重视，相关研究工作已大面积展开。其中，CARS技术具有高的信号转换效率和空间相关性，可有效地抑制高干扰燃烧体系的背景噪声，并且可实现高空间和高时间分辨，这些是其它的光学诊断所无法比拟的。

1CARS的基本原理

CARS是一种基于三阶非线性拉曼散射的非线性光学效应。1928年，印度物理学家拉曼发现，当单色光入射到介质时，散射光中除了包括频率与入射光相同的瑞利光之外，还包括强度比瑞利光弱得多，频率与入射光频率不同的散射光，这种现象后被称为拉曼散射现象，这种频率不同的散射光被称为拉曼散射光。拉曼散射光的频率对称分布于瑞利光频率的两侧，频率低的称为斯托克斯线，频率高的称为反斯托克斯线。拉曼散射线与瑞利散射线之间的频率差与入射光频率无关，而与介质分子的振、转能级有关，与入射光强度和介质分子浓度成正比。

当作用于拉曼介质的激光脉冲频率为ω1和ω2(ω1>ω2)，它们的频率差等于样品分子的拉曼频率ωR时，分子振动即为共振相干受迫振动，这两束高强度的相干辐射通过激发分子系统产生媒质极化就可以产生出频率为ω1-ω2+ω3=ωCARS的新的相干辐射，即为CARS光谱信号。ω3为探测光的频率。探测光经常与泵浦光(频率为ω1)简并，采用同样的频率，因而在实际当中，探测光也常被称为泵浦光，而另一束入射光(频率为ω2)则被称为斯托克斯光。CARS过程的能级跃迁如图1所示。相干反斯托克斯拉曼散射由双频率入射激光激励分子跃迁从而产生拉曼谱线，它与三阶非线性极化率χ(3)有关。

图1　CARS能级跃迁示意图

根据麦克斯韦方程组和物质方程，在满足一定的相位匹配的条件下，CARS信号的强度Is为

(1)

由式(1)可见，介质的三阶非线性极化率决定了CARS信号的强度，而三阶非线性极化率可表示为

(2)

共振极化率的表达式可通过密度矩阵的方法求得：

(3)

由式(3)可见，三阶非线性极化率正比于CARS过程所涉及能级间的粒子数密度差，而粒子数的布局与温度密切相关。在热力学平衡状态下，服从玻尔兹曼分布，这是CARS测量温度的基础。

2国外研究进展

国外对于CARS技术的研究始于20世纪70年代后期，美国、德国、法国、英国、日本、加拿大和俄罗斯等国都在此方面开展了大量的研究工作。

1978年，美国联合技术研究中心(UTRC)的A.C.Eckbreth提出了著名的BOXCARS相位匹配技术，并与J.A.Shirley等人在此基础上衍生出平面BOXCARS和三维交叉布置的折叠BOXCARS。平面和折叠BOXCARS相位匹配方式的提出，大大地提高了CARS的空间分辨能力。与此同时，A.C.Eckbreth还与R.J.Hall等共同完成了氮气、一氧化碳和二氧化碳等组分的CARS测量与光谱仿真工作[1]。这些工作为1980年后CARS的应用和发展奠定了基础。另外，UTRC在应用研究方面也做了大量的工作，1980年前后，A.C.Eckbreth等人通过对氢气/空气预混火焰、航空发动机燃烧室和涡轮的燃烧流场、多烟尘燃烧流场以及发动机羽流的温度测量，证明了CARS对发动机燃烧温度场的测量能力。但此时的CARS测量能力还有很多不足，尽管使用叠加脉冲方式，信号质量尤其是信噪比仍不高。在实际发动机燃烧流场中，非共振背景的处理技术、发射噪声的处理技术和数据拟合技术等方面都有待提高。随后，R.J.Hall等改进了高压下的CARS光谱理论仿真模型，并得到了二氧化碳和水在一定压力下的理论CARS光谱[2]，为在高压下应用CARS技术奠定了基础。A.C.Eckbreth等人提出的多色CARS概念和方法，则使同时测量多种组分或同时测量多种参数成为可能。

UTRC对CARS技术的进步做出了突出贡献，提出了多项有价值的关键技术，但UTRC的研究存在两方面的不足：①对于CARS准确性的研究是通过在管式电炉中与热电偶测温的对比来实现的，未考虑实际的燃烧系统与空气存在差别可能给CARS准确性带来复杂的影响；②代表其最高应用水平的CARS在超声速燃烧测量中的应用未实现高时间分辨测量，未能解决非稳态火焰中CARS测量的时间分辨问题。

NASA兰利研究中心(LRC)的研究工作主要在于CARS的实际应用方面，尤其是在超声速燃烧研究中的应用。1980年代中期，针对CARS应用于实际燃烧系统时信噪比偏低的问题，R.R.Antcliff等人对CARS应用于湍流火焰测量时非共振背景噪声的抑制方法进行了研究。他们还将火焰温度的测量结果与理论计算结果进行了比较，测量温度比计算结果高400 K左右[3]，二者之间的差异与湍流温度场的不均匀有关。这些研究具有很强的发动机燃烧测量应用背景。从1980年代中期至1990年代中期，O.J.Jr.和R.R.Antcliff等人对超声速燃烧流场的CARS测量技术进行研究，在一个超声速燃烧模拟装置中使用多色CARS同时测量氮气、氧气的浓度和温度，并用CFD方法对测量结果进行了校验。在超声速燃烧的CARS测量方面，R.R.Antcliff等人使用参考光路，消除光源脉冲稳定性的影响，改善了CARS信号的质量，另外，还利用共振CARS信号的偏振特性改善了信噪比，但他们未能实现对超声速燃烧分析极为重要的时间分辨测量，其测量结果仍是时均值。Lucht提出了双泵浦CARS测量技术，2005年，S.A.Tedder等人采用该技术，成功地测量了超声速燃烧场中的温度以及氮气、氧气和氢气的浓度[4]，双泵浦CARS测量技术的优点是，可以同时得到两种组分的CARS光谱。NASA兰利研究中心还和威廉玛丽学院合作研究了CARS-IRS技术，该技术将CARS测量技术与IRS测量技术相结合，不仅可以测量温度以及氮气、氧气和氢气的浓度，还可以同时测量两种组分的速度，非常适合于超声速反应流的研究[5]。

1988年，密西西比州立大学的F.Y Yueh提出了双色宽带多组分测量技术[6]。1994年，F.Y.Yueh等人又提出可以从基带的线宽得出转动温度，而通过宽带光谱线型得到振动温度的新方法，继双色宽带多组分测量技术的提出后，再次对CARS的关键技术进步做出贡献。密西西比州立大学的研究侧重于技术的发展和理论方案的论证，注重CARS技术细节的研究，他们所探索的关于CARS准确性、相位匹配及对应用方案的设计等课题，对于今天的CARS研究仍有重要的参考意义。美国代顿系统研究实验室的W.B.Roh和法国的J.P.Taran联合提出的单脉冲宽带CARS技术，使得用CARS进行有时间分辨意义的测量成为可能，具有里程碑式的意义。

1980年代初期，德国的K.Knapp等人测量了激波管中氮气的振动温度，D.U.Wellhausen等人测量了低压下受微波激发的氮气振动温度，对用CARS技术测量热力学非平衡系统的温度进行了研究。在1980年代至1990年代中后期的十多年内，德国的研究者提出了一系列独特的CARS测量方法。A.Leipertz等提出了基于傅立叶分析的转动CARS测量方法。R.Brakel等报告了偏振CARS的测量，信号采集和滤波时考虑了CARS的偏振特性。Marowsky等提出了通过相位差抑制非共振背景的技术。B.Large等研究了激光的时间相干性对测量的影响，并且研究了CARS数据处理技术的改进，对非共振三阶非线性极化率进行了校正。1998年，M.Fischer等测量了超声速喷管出口的振动和转动温度，观察到了化学和热力学非平衡现象，再次证明了CARS对非平衡态温度的测量能力。

1997年，德国维尔茨堡大学的W.Kiefer等人用脉宽小于100fs的激光得到了不同激发波长情况下碘蒸气中的时间分辨CARS光谱信号，从实验上证明了飞秒时间分辨CARS光谱应用的可行性。在对得到的时间分辨光谱进行深入的动力学分析之后，他们于1998年在气相苯/甲苯混合物中进行了同样的实验[7]，并且在苯和甲苯的振动模式中间发现了一个新的瞬态强信号。2000年以后，他们又对不同的样品进行了时间分辨CARS光谱的测量和分析[8]，并建立了相应的理论模型。

法国、英国、俄罗斯、日本以及加拿大等国也在CARS测温技术研究方面做了大量的工作。1980年代中期，法国ONERA(法国国家航天航空研究中心)的M.Pealat和J.Bonnet等人研究了CARS光谱由振转能级分布决定的本质，并从理论上区分CARS所测温度对应的振动和转动自由度，致力于将CARS技术用于非平衡过程测量的研究。1990年代以后，ONERA也开始重视CARS在各种燃烧流场中的应用技术，对突扩流、超声速燃烧流场等进行了CARS测量。1993年，英国R-R公司的D.R.Williams等人利用CARS技术进行液体火箭发动机羽流温度和组分的测量，并与理论计算结果进行了比较。1980年代，俄罗斯的A.A.Deviatov等人利用CARS技术，研究在非平衡环境中振动能级被激发的氮气分子的动力学过程，并研究了振动能级的布居数变化。1990年代，S.Dlaskov等人使用CARS研究了激波后的燃烧和变化过程。研究表明，CARS对激波后与燃烧相关的非平衡化学反应过程具有较强的测量能力，测量的温度范围为2000~4500K。日本的Y.Matsunot在激波管中测量了氢气CARS强度与温度和压力的关系。S.Fuji等分别报告了在湍流火焰、钝体绕流火焰以及扩散火焰中CARS的测量结果，并且对背景抑制技术、信号滤波技术和测量准确性进行了研究。S.Fuji等提出，让CARS信号和激光在两片双色镜间反射，从而达到滤波的目的[9]。加拿大的研究者分别在硬件和方法上探索CARS测量的噪声处理，激光时间特性对CARS测量的影响以及光谱的仿真等。1980年代中后期，D.R.Snelling等研究了测量噪声对结果的影响和修正方法。1980年代末，M.J.Deen等报告了使用电子外插法进行动态温度测量的CARS系统设计及性能模拟。D.R.Sneling等介绍了用于CARS测量的探测器的非线性和图像均一性研究[10]。

进入21世纪以来，在CARS技术的研究方面，世界各国多以应用研究为主。2000年，J.Y.Hwang等利用CARS技术对硅土扩散火焰的温度和氢氧基分子分布进行了五次测量，每次测量都是对连续得到的100个光谱取平均，得到的实验标准偏差小于2.5%，这一结果说明了测量结果具有较小的分散性。2002年，A.D.Cutler等人利用氮气Q支CARS光谱在一个简化的超燃装置中进行了温度测量[11]，得到的平均温度比CFD计算结果高约150K。同年，F.Grisch等人采用CARS与LIF、DFWM技术相结合，对几种火焰的温度和气体浓度进行了测量，并将实验结果进行了对比分析，结果表明，火焰最高温度2160K，测量误差约为50K。2004年，F.Chaussard等人采用CARS方法对火箭发动机温度进行测量，空间分辨率1mm，测量误差不超过50K，测量不确定度在6%~8%之间[12]。

从国外的研究进展来看，CARS的理论模型、测量方法以及应用技术等方面都取得了显著的成果。在世界各国的共同努力下，CARS测温技术已经发展到了一个相对较高的水平。同时，随着飞秒激光等新技术的发展，也带动了CARS技术的不断进步。

3国内研究进展

国内对于CARS技术的研究起步较晚，在1995年以前，对CARS技术的研究多以理论分析计算为主，主要集中在对测量原理、测量方法以及理论光谱计算的初步探讨上。直到20世纪90年代中期以后，国内对CARS技术尤其是温度测量技术的实验和理论研究才开始全面展开。国内开展CARS技术研究的单位主要有中科院力学所、西安近代化学研究所、西安核技术研究所、国防科技大学、北京理工大学以及哈尔滨工业大学等。

中科院力学所的赵建荣、杨仕润对CARS技术在国内的发展起到了很大的推动作用。1990年，他们用宽带CARS技术测量了高温空气的温度及其实时升降过程，结果明显地优于有滞后效应的常规热电偶测试方法[13]。他们还将CARSFT理论光谱软件移植到小型机上进行计算和应用研究，利用CARS技术同时测量氢氧燃烧火焰的浓度和温度[14]，将CARS测量技术应用于超声速燃烧研究中，并对多点同时测量、激光的相位匹配技术、光谱仿真等进行了研究。中科院力学所在利用氢气S支和氧气Q支CARS同时测温和测组分浓度的研究方面，具有较高的水平。

国防科技大学的周进、李麦亮等从2000年前后开始进行CARS技术研究，并针对液体火箭发动机燃烧过程和超声速燃烧研究的需要，重点对CARS测温的准确性、高时间分辨测量进行了探索。研究了压力对实验CARS光谱的影响，探索了对湍流场测量十分重要的单脉冲测量技术，在超声速燃烧和液体火箭发动机燃烧流场中得到了有时间分辨意义的测量结果，为CARS测温技术的进一步应用和发展提供了重要的参考[15]。

2000年~2001年，北京理工大学的闫军等人对CARS在炸药测温中的可行性进行研究，并设计了试验方案。另外，闫军等人还对氮的Q支CARS光谱进行了理论计算，得到了不同温度下的光谱，并探讨了拉曼线宽对光谱的影响。结果表明，在拉曼线宽较小时，光谱的分辨率很高且对温度敏感，利用这种技术测量爆温可达到很好的准确度[16]。

2001年，西安近代化学研究所的李春喜等人将CARS技术应用于固体推进剂燃烧火焰的实时诊断中，提出了CARS在推进剂燃烧诊断中的几个关键问题[17]。2003年，李春喜等人利用CARS测量了双基推进剂燃烧时的火焰温度，结果表明，燃烧火焰平衡区的CARS实验拟合温度数值与相应的热力学计算温度值基本吻合[18]。2004~2005年，郝海霞等人对用CARS进行固体推进剂火焰温度测量时，烟尘、C2基、激光强度等对测温结果的影响机制进行了深入的研究[19]。

2003年~2004年，西北核技术研究所的胡志云等人采用单脉冲非稳腔空间增强探测CARS技术，测量了常压下固体推进剂火焰的温度以及氮气的浓度。结果表明，该技术具有较高的空间分辨率，横向空间分辨率约为0.1 mm，纵向空间分辨率约为3 mm，火焰温度测量结果的不确定度小于5%[20]。2009年，胡志云等人采用10 Hz重复频率运转的宽带CARS实验系统，测量了常压和2 MPa背景压力下固体推进剂的燃烧场，获得了较高信噪比的单次脉冲氮气CARS实验谱，用CARS理论计算软件拟合CARS实验谱给出了固体推进剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度随高度的分布。结果表明，氮气CARS谱测量温度的相对不确定度优于4%；在较低浓度范围内，测量组分浓度的相对不确定度优于5%[21]。2013年，张立荣等人通过模块化设计和有针对性的抗振动设计，研制了一台可用于发动机现场测试、结构紧凑的集成化CARS诊断系统，并利用该系统测量了超声速燃烧室出口喷流的温度，获得了单脉冲CARS温度拟合结果和温度随时间的变化。测量结果显示，不稳定燃烧状态下的温度抖动范围大于稳定燃烧状态，但平均温度低于稳定燃烧状态，表明不稳定燃烧的效率相对较低[22]。

2000年以来，哈尔滨工业大学的夏元钦等人开始致力于飞秒CARS技术的研究，建立了飞秒CARS的理论模型，搭建了飞秒CARS测温装置，并初步实现了燃烧温度场的测量，有效地提高了CARS温度测量的时间分辨力。2011年，夏元钦、王梓等人研究了飞秒CARS显微成像技术，并探索了该技术在分子超快动力学中的应用[23]。同年，吴倩倩在对CARS理论系统研究的基础上，建立了氮气、一氧化碳、氢气等燃烧场相关气体的Q支振动CARS和S支转动CARS的光谱计算模型，计算出了它们的理论CARS谱线，并引入了时间分辨CARS光谱计算模型[24]。2013年，夏元钦、李金钊等人开展了飞秒时间分辨CARS和飞秒单脉冲CARS两种测温方法的研究，并分别建立了相应的理论模型。利用空间及频域滤波装置提高了CARS信号的信噪比，通过有效减少非共振背景噪声，得到了延迟时间分别为200 fs，500 fs，1ps和2ps的CARS信号[25]。

国内研究者对CARS技术的研究虽相对较少，很多问题还亟待解决，但对应用研究十分重视，对不同条件下燃烧火焰的温度测量有十分深入的研究，在超声速燃烧、火箭发动机诊断和固体推进剂燃烧测量方面的应用研究方面具备了较高的水平。

4结论与展望

与传统的接触式温度测量技术相比，CARS测温技术具有测温上限高、不干扰流场和温场、时间和空间分辨力高等优点，是未来武器型号研制中必不可少的燃烧诊断工具。从国外的技术发展趋势来看，CARS技术作为一种新型的测温技术，必将逐步取代传统测温技术，具有广阔的应用前景。目前，我国已有多家单位在CARS技术方面投入研究，并取得了一定的研究成果。

经过数十年的发展，CARS测量技术已经取得了实质性的进展，测量理论基本成熟，在应用技术方面也取得了许多突破。随着CARS测量技术研究的继续深入，时间分辨力问题、准确性问题、环境适应性问题等将会逐渐得到解决。随着这些关键问题的解决，基于CARS的高温燃气温度测量技术，在燃烧诊断、状态监测中所起到的作用将会越来越突出，CARS技术也将会被注入越来越多的活力，从而推动科技的发展。

参考文献

[1] Fischer M，Magens E，Weisgerber H，et al.CARS Temperature Measurements on an Air Breathing Ram Jet Model[C]//36thAerospace Science Meeting & Exhibit.Reno：AIAA，1998：1-10.

[2] Eckbreth A C，Anderson T J.Dual Broadband CARS for Simultaneous，Multiple Species Measurements[J].Applied Optics，1985，24(1)：3731.

[3] Chan Bong Park，Hideaki Nakane，Nobuo Sugimoto，et al. Algorithm Improvement and Validation of National Institute for Environmental Studies Ozone Differential Absorption Lidar at the Tsukuba Network for Detection of Stratospheric Change Complementary Station[J].Applied Optics，2006，45(15)：3561-3576.

[4] Tedder S A，Byrne S O，Danehy P M，et al.CARS Temperature and Species Concentration Measurements in a Supersonic Combustor with Normal Injection[C]//43rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno：AIAA，2005：1-16.

[5] Tedder S A，Bivolaru D，Danehy P M，et al.Characterization of a Combined CARS and Interferometric Rayleigh Scattering System[C]//45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno：AIAA，2007：1-8.

[6] Yueh F Y，Beiting E J.Simultaneous N2，CO2Measurements and H2Multiplex CARS in Combustion Environments Using a Single Dye Laser[J].Applied Optics，1988，27(15)：3233-3243.

[7] Rubner O，Schmitt M，Knopp G，et al.Femtosecond Time-Resolved CARS Spectroscopy on Binary Gas-Phase Mixtures：A Theoretical and Experimental Study of the Benzene/Toluene System[J].Phys.Chem.A 1998，102：9734-9738.

[8] Siebert T，Schmitt M，Grafe S，et al.Ground state vibrational wave-packet and recovery dynamics studied by time-resolved CARS and pump-CARS spectroscopy[J].Raman Spectrosc，2006，37：397-403.

[9] Kim J I，Hwang J Y，Lee J，et al.Numerical and Experimental Study on Silica Generating Counter Flow Diffusion Flames[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48：75-81.

[10] Papac M J，Dunn-Rankin D，Stipe C B，et al.N2CARS Thermometry and O2Lif Concentration Measurements in a Flame under Electrically Induced Microbuoyancy[J].Combustion and Flame，2003，133：241-254.

[11] Singh J P，Yueh F Y.Study of N2CARS Spectra of a Coal-Fired Flow Facility[C]//24thPlasmadynamics & Lasers Conference.Orlando：AIAA，1993：1-10.

[12] Chaussard F，Michaut X，Saint-Loup R，et al.Optical Diagnostic of Temperature in Rocket Engines by Coherent Raman Techniques[J].C.R.Physique，2004(5)：249-258.

[13] 赵建荣，李春金，孙树兰.宽带CARS技术用于气体温度的测量[J].中国激光，1990，17(3)：163-167.

[14] 赵建荣，杨仕润，俞刚.同时测量氢和氧CARS谱的新方法[J].中国激光，1997，24(11)：985-988.

[15] 李麦亮，赵永学，耿辉，等.CARS在发动机燃烧测量中应用研究[J].大连理工大学学报，2001，41(S1)：107-112.

[16] YAN Jun，XU Geng-guang.Theoretical Calculation of Nitrogen Q-branch CARS Spectra[J].Jour.of Beijing Institute of Technology，2001，10(1)：109-112.

[17] 李春喜，赵鸣，赵凤起，等.CARS技术及其在火炸药燃烧诊断中的应用[J].含能材料，2001，9(3)：133-135.

[18] 李春喜，赵鸣，张蕊娥，等.双基推进剂燃烧火焰温度CARS测定技术[J].火炸药学报，2003，26(1)：65-67.

[19] 郝海霞，李春喜.推进剂燃烧火焰温度CARS测试技术问题的探讨[J].火炸药学报，2004，27(1)：45-48.

[20] HU Zhiyun，LIU Jingru，ZHANG Zhenrong，etc.Single-pulse CARS Spectra in Solid Propellant Combustion at Atmosphere Pressure[J].Chinese Optics Letters，2003，1(7)：395-397.

[21] 胡志云，刘晶儒，张振荣，等.宽带CARS在诊断固体推进剂燃烧场中的应用[J].火炸药学报，2009，32(2)：52-5.

[22] 张立荣，胡志云，叶景峰，等.移动式CARS系统测量超声速燃烧室出口温度[J].中国激光，2013，40(4)：1-5.

[23] 王梓.飞秒CARS光谱在分子相干振动过程及显微成像应用的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：1-58.

[24] 吴倩倩.基于火焰测温的飞秒CARS光谱技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：1-48.

[25] 李金钊.飞秒CARS在燃烧测温中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：1-55.

动态计量技术发展跟踪系列之五