燃烧诊断中的光学信号采集方法

蔡李靖 蔡伟伟 施 展 超 星 曹 汛

（1.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京 210023；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；3.清华大学燃烧能源中心，北京 100084）

1 引言

能源是人类生活过程中重要基础之一，对科技社会的发展与进步有着至关重要的作用。虽然近几十年太阳能、核能等新型技术发展趋势日益增加，但是通过化石能源、氢气等燃烧获取的能量仍然是日常生活和工业生产的主要动力源之一。然而，在城市发展和工业化进程的推动下，化石能源燃烧使得碳排放量持续上升［1-2］。氨气作为烟气脱硝的还原剂虽然能显著降低NOx 排放，但是容易产生氨逸散等问题，造成二次污染［3］。作为替代燃料，氢能源作为清洁能源的代表，但是依旧面临着功率密度低、异常燃烧等问题［4］。为了解决上述问题，亟需精准对燃烧过程进行监测与控制。

燃烧过程是广泛存在于内燃和外燃发动机中的一种高温放热化学反应［5］，利用燃烧诊断技术，对燃烧场的密度、温度、速度、空间结构、组分浓度与分布等高速变化的理化特性进行测量与研究，在提高燃烧效率和安全性方面具有重要意义，而且能够有效控制NOx、SOx、碳烟等污染物和温室气体的生成，为“双碳”目标的实现做出不可或缺的贡献。然而，研究燃烧技术的关键在于将流体力学、化学动力学和传热传质之间复杂的相互作用进行解耦和分析。但是这直到今天仍然是一个艰巨的挑战［6］。为了攻克这个难题，需要利用燃烧诊断技术对燃烧场时域、空域、谱域采集得到的信号进行分析，主要包括：（1）如何测量与重构的燃烧场空间信息（空域采样问题）；（2）如何捕获与处理燃烧场时变瞬态信息（时域采样问题）；（3）如何探测燃烧场光谱信息（谱域采样问题）。

燃烧诊断技术分为接触式与非接触式两种。在燃烧场的诸多特性中，温度作为一个基本的热力学状态变量，是反映燃烧过程最重要的性质之一，因此火焰温度的准确测量有助于揭示燃烧现象的本质和燃烧过程规律［7］。早期的接触式测量技术以高精度温度测量为研究目标进行发展，依靠热电偶、光纤、热敏电阻等测温器件，基于电导率或热电动势与温度之间的关系，对物体温度进行测量［7-8］。由于具有量程广、测量可靠等优势，研究人员广泛应用该技术进行燃烧过程的监控［9-11］。然而，由于接触式测量存在一些不足之处：（1）测量误差大。该技术需要测量传感器与火焰直接接触，这些探头及其连接的存在对火焰的流动与热传导性进行干扰，会对表面温度和整个被测物的热状态产生强烈影响，从而导致测量出现误差；（2）空间分辨率较低。在不进行移动的情况下，只能实现点式或线式测量。传感器的形态以及体积大小也限制了二维或三维温度测量的空间分辨率；（3）时间分辨率较低。由于传感器具有一定热惯性，需要固定放置一段时间后才能与燃烧火焰测量点达到热平衡状态，因此只能实现区域温度的平均值测量，难以满足高速变化的燃烧火焰观测需求。因此，对于燃烧场中高速变化理化特性的测量，采用非接触式测量技术从外部进行观测，能够降低接触式测量的带来的影响，减小对燃烧场本身状态的干扰，提高测量稳定性与准确性。以光学测量技术为代表的非接触式测量技术，具有多维度探测与响应快等优势，能够大幅提升燃烧场观测的空间分辨率与时间分辨率［11-12］。

本文首先通过对燃烧诊断中的非接触式光学测量方法进行分类和归纳，分别从空间、时间、光谱采样和处理方式对现有技术进行介绍，在此基础上，针对于燃烧诊断领域中高时间分辨率、高空间分辨率和高光谱分辨率的观测难题，结合相关测量技术最新的进展，对未来的研究方向进行探讨。

2 非接触式光学测量技术发展现状

近几十年来，非接触式光学测量技术已经广泛应用于燃烧场的测量中，如图1 所示。从光谱维度而言，诸多时域、空域采样技术仅捕获燃烧场的宽谱段信号，无法对谱域信息进行解析。然而丰富的信息蕴含在光谱维度中，并且光谱分析的方法具有高灵敏度、高选择性和多组分分析等优势。激光吸收光谱技术［13-26］基于消光法，通过对窄带波长的激光吸收量进行测定，从而对燃烧场特性进行反演。拉曼散射技术［27-28］利用非弹性散射性质对燃烧场光谱信息进行获取，在燃烧诊断领域组分分析中拥有长期发展历史。时域采样技术中，激光诱导光栅技术（Laser-Induced Grating Spectroscopy，LIGS）［29-31］、腔衰荡光谱技术（Cavity ring-down spectroscopy，CRDS）［32-37］通过测量时变的瞬态信息对温度、组分浓度等特性进行计算。然而该技术只能对点态信息进行获取。由于燃烧场中常有湍流、旋流等高速变化现象存在，这种点态测量的方法不能够满足于燃烧场中瞬息万变的空间结构信息。因此，为了获取燃烧场二维或三维空域信息，学者们提出了一些具有代表性的空域技术，包括Mie/Rayleigh 散射直接成像法［38-41］、粒子图像测速法［42-44］等。然而利用这几种技术获得燃烧场的三维空间信息时，需要通过切片扫描或旋转燃烧台等方式，并进行多次曝光，无法在高时间分辨率下对三维空间瞬态信息进行观测。

图1 非接触式光学测量技术Fig.1 Non-contact optical measurement technology

为了解决上述技术无法采集三维空间瞬态信息的问题，需要对时空采集技术与系统进行研究，即如何在单次曝光（单相机单次曝光或多相机同时单次曝光）的时间内，对动态燃烧场进行三维空间瞬态信息采集。幸运的是，结合体积莫尔层析技术［45］、光场成像［46-49］、背景纹影层析技术［50-51］与全息干涉法［52-54］等方式能够解决实时观测的难题。由于无须利用机械结构对燃烧场进行扫描，通过单次曝光即可实现空域信息采集，因此以上几种技术能够实现高时间分辨率的观测。为了获取燃烧场中的时谱信息，太赫兹时域光谱［55］等技术被应用于燃烧诊断领域，能够实现时谱信号解析，然而这种方式难以实现燃烧场空域信息分析。为了获取燃烧场中的空谱信息，体激光诱导荧光（Volumetric Laser-Induced Fluorescence，VLIF）［56-57］、体激光诱导炽光（Volumetric Laser-Induced Incandescence，VLII）［58-62］、火焰自发光层析技术［63-66］、激光吸收光谱层析技术［67-71］、自发光谱被动成像［72-77］等方式成为近期研究热点。遗憾的是，传统光谱成像方法需要牺牲时间维度来获得光谱信息，无法对动态场景多光谱信息实时采集观测。为了直观展示，目前采集方式的优缺点如表1所示。

表1 不同采集维度的非接触式光学测量技术优缺点对比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of non-contact optical measurement techniques in different acquisition dimensions

目前在燃烧诊断领域，非接触式光学测量技术在获取空域信息、时域信息和光谱信息方面需要进行权衡。不断提升三个维度信号联合解析能力正是燃烧诊断技术不断发展突破的过程。多域联合采集技术的发展使我们能够更深刻地观测燃烧现象，有助于对燃烧机理进行本质性的剖析。下面，本文以信号采集和处理角度对各种燃烧诊断技术进行分类和详细介绍。

3 单域采集技术

燃烧诊断技术在发展初期，由于技术局限性，只对燃烧场中的空域、时域和谱域单独进行解析。从测温原理角度而言，基于普朗克辐射定律发展的双色测温法证明了光谱信息有助于燃烧场的理化特性的测量分析。早期的激光吸收光谱技术、拉曼散射等光谱测量方法，在组分分析和温度测量上的卓越表现，让我们认识到谱域信息在燃烧场分析的重要性以及获取的必要性。在时域采样中，腔衰荡光谱通过单波长激光在腔体内连续震荡吸收，并对变化的信号进行时域连续采样，从而对组分浓度进行分析。然而，腔衰荡光谱技术仅仅是对点态信息进行获取，无法对燃烧场火焰面、曲率等结构特征进行分析。为了采集燃烧场空间信息，引入以粒子图像测速法为代表的空域采集技术，对燃烧场进行二维平面采样。随后通过加入振镜等系统层面改进，能够采集燃烧场的三维空间信息。

3.1 谱域采集技术

光谱信号与燃烧场中的物质和温度息息相关，因此光谱信息在燃烧诊断的研究中十分重要。在激光诱导荧光技术中，目标物质受到与其特征频率相同的激光激发，原子中的电子从基态跃迁至较高的振动能级再下降至基态时，释放的能量即为荧光，产生的荧光信号是目标分子能量态分布的函数，取决于局部热化学状态与激光波长和功率。因此，受控的荧光信号能够用光谱模型进行分析，以估计目标物质的数量、密度、温度或速度。在燃烧场由自由基产生的特征光中，其中心波长与分子的能量水平成反比，而分子的能量水平又与其化学结构相关，因此由自由基产生的特征光具有独特的光谱轮廓，能够通过捕获该特征光谱信号对自由基的浓度分布信息进行分析。除了组分浓度测量外，温度测量、烟灰分布等燃烧场特性都与各个谱段信号强度相关。通过对较少谱段的谱域信号捕获（例如使用RGB 相机）能够实现燃烧场部分特征分析，相比之下通过获取燃烧场中多谱段信息，有利于实现燃烧场温度、压力、组分分布等多个特性同时分析［78，62］。并且，Huang Y 等人［79］通过仿真数据对光谱波段数量与温度和烟灰分布重建精度相关性进行实验。重建使用的光谱波段数大于55时，获得了较小的Fréchet距离，表明重建的温度和烟灰与预设分布非常相似，验证了光谱波段数的提升能够有效减少特征重建误差，有效提高燃烧诊断的精准性。

以燃烧场温度测量基本原理为例，目前温度测量手段主要基于普朗克定律和燃烧火焰的灰体假设及其改进模型，双色测温法［80-81］在燃烧诊断中被广泛使用。双色测温法通常通过测量两个不同波长下的辐射强度，利用其测量值的比值对温度进行反演计算。波段的辐射近似满足黑体（灰体）的热辐射，辐射强度符合普朗克辐射定律［78］，如式（1）所示。

式中，λ是辐射波长，ελ是发射率函数，T是温度，C1和C2分别是第一和第二辐射常数，其中第一辐射常数C1=3.74×10-16W·m2，第二辐射常数C2=1.44×10-2m·K。

利用维恩定律近似估计，当满足exp(C2/λT) ≫1时，式（1）可以简化为式（2）［82］

在两个不同波长λ1和λ2下，测量得到的单波长辐射强度分别为B(λ1，T)和B(λ2，T)。在测量过程中合理选择波长，使得燃烧场在波长λ1和λ2的发射率ε1和ε2近似相等，则温度T可以通过式（3）进行求解［83］

由上式可知，通过选取波长λ1和λ2，并测量对应波长下的辐射强度，即可对温度进行求解。如图2 所示，Hossain M M 等人［84］采用由8 根光学成像光纤和2 台RGB 相机进行系统设计，采集8 个角度的RGB 投影图像，结合双色测温法，利用相机采集到的R通道和G通道的辐射强度信号对火焰温度和发射率分布的三维重建进行了实验研究、可视化和验证。

图2 双色测温法流程图Fig.2 Schematic diagram of two-color pyrometry

然而RGB 相机中的三通道信息是对光谱维度进行积分得到，并且不同相机存在不同的响应函数，通道间波长间隔较大，导致灰体假设并不完全适用［85］。利用RGB相机进行燃烧场测量时，由于拜耳滤片的谱段的限制，难以得到一个相对优化的结果，从而造成较大的测温误差［86］。然而利用多谱段信息进行温度测量理论上能够得到更加精确的结果［87］，通过对燃烧场进行多谱段采集能够很好地解决拜耳滤片谱段限制带来的误差影响。

因此，通过激光吸收光谱［13-26］、拉曼散射光谱［27-28］、相干反斯托克斯拉曼光谱（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy，CARS）［88-89］与简并四波混频（Degenerate Four-Wave Mixing，DFWM）［90-93］技术解析光谱维度上多谱段信息，可以对燃烧场中的理化反应进行更深入的研究。

利用散射的特性，燃烧场中的粒子在脉冲激光的激发下，除了能够产生弹性散射，比如Mie散射和Rayleigh 散射之外，还能够产生具有光谱信息的非弹性散射，比如拉曼散射［27］等。通过拉曼散射光谱等技术对燃烧场进行谱域信息测量，能够对燃烧场温度、速度、压力和多种物质分布等特性进行分析。ZHU Wenkun 等人［28］利用拉曼光谱技术对煤热解后的微观特征进行分析，验证了拉曼基线漂移减小与取代基、脂肪基和羰基的耗散相关。

CARS 基于非线性拉曼散射过程，利用了材料中分子振动态的非线性响应，产生了与待测气体振动模式相关的光谱信号。CARS 主要通过三个光源来实现测量：激发光、泵浦光和探测光。激发光和泵浦光波长相近，它们的频率差与气体分子的振动频率相匹配，通过非线性效应产生新的光，称为反斯托克斯光。反斯托克斯光与探测光波长相近，它们之间的频率差与样品分子的振动频率相匹配。因此，探测光与反斯托克斯光共同作用于样品，产生的散射光包含了与样品分子的振动模式相关的信息。SONG Yunfei 等人［88］利用CARS 对丁烷本生灯的火焰温度进行了测量，得到的测量温度略高于热电偶的结果，证明了这种方式在燃烧场温度测量的有效性。

DWFM 的泵浦和探测光具有一致的频率，可以由一个激光器产生的三束光进行相互作用，该频率与目标组分的吸收谱谐振时可以产生第四束辐射信号［90-91］。DWFM 具有较高的灵敏度，提供了丰富的光谱信息，可以对受限环境下的低浓度瞬态物质进行检测。Ewart P 等人在首次通过DWFM 检测了层流预混空气-甲烷火焰中的OH 分子［92］，然后利用高分辨率光谱分析进行了燃烧场的温度测量［93］。

激光吸收光谱技术包括量子级联激光吸收光谱技术（Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy，QCLAS）［24-25］、可调谐二极管激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）［3］等。

QCLAS 通常工作于中红外谱段，利用量子级联激光器的发射特性和样品吸收特性之间的相互作用，通过测量光的吸收来获得样品的光谱信息。Mathews G C 等人［25］基于QCLAS，通过测量温度、压力和CO柱压力来表征RP-80雷管的爆后火球，可用于评估爆炸后火球模型和模型假设的准确性。

TDLAS 根据激光是否经过调制，可以分为直接吸收光谱（DAS）与波长调制光谱（WMS）。直接吸收光谱法由Hanson R K 等人［13］首次应用于燃烧诊断领域，对燃烧火焰中CO 浓度进行分析。通过对激光器的电流加载一个低频扫描信号进行波长周期性调谐，实现特定光谱波段范围内扫描，以获取气体分子的吸收特征，从而对流场进行分析［14-15］。由于其具有易于实现、免校准、时间分辨率高等优势，能够在复杂燃烧环境中得到应用。Fang S 等人［16］利用DAS 技术对混合火箭发动机的燃烧过程进行测量，通过化学反应和放热等状态对燃烧效率进行分析。波长调制光谱引入波长调制技术［17］，对激光频率进行调制后通过提取谐波对流场的特性进行分析，是一种高灵敏、高稳定的方法，对于测量流场性质具有良好的噪声容忍特性［18］，能够有效提高信噪比［19］。WMS 能够对经过流场后的激光的二次谐波信号进行提取（称为WMS-2f）［17，20］，或利用一次谐波对二次谐波进行归一化（称为WMS-2f/1f）［21］，或通过波长扫描的方式对测量值进行拟合（称为WMS-nf/1f）［22］等方式对流场特征进行分析。Li H等人［20］利用WMS-2f 的方法对稳定涡流燃烧器中的丙烷空气火焰进行测量，能够灵敏地探测温度波动并对热声不稳定性和倾斜井喷进行监测。然而WMS-2f 在使用时候需要进行校准，并且在恶劣环境中容易发生传输损耗，难以对二次谐波信号进行处理。通过对激光的一次谐波进行提取，利用一次谐波信号对二次谐波信号进行归一化处理，能够解决上述问题，并具有免校准的优势。Chao X 等人［21］利用WMS-2f/1f 的方法对温度高达700 K 的煤粉发电站锅炉废气进行连续7 小时监测，由于能够高灵敏地测量CO 气体浓度，因此该方法具有实时优化燃烧控制系统和锅炉效率的潜力。虽然WMS-2f/1f 方法具有免校准的优势，但是这种方法对于光学厚度的模拟要求较高且其他光学元器件会造成不稳定性。通过模拟WMS-nf/1f 信号并将其拟合到测量的信号中，能够缓解上述问题。Qu Z等人［22］利用WMS-nf/1f的原理对甲烷-空气预混火焰的H2O 浓度进行测量，并提出了用于两线测温的波长扫描方案对火焰流场中的温度进行计算。

随着激光技术的发展，激光吸收光谱技术可以与光学频率梳技术结合，实现更高效的光谱测量分析。光学频率梳主要通过宽带激光源来实现，具有离散的、等间距的激光频率。利用其信号离散特性，使用双梳干涉［94］或Vernier 光谱仪［95］等方式对离散光谱信号进行测量。Thorpe M J 等人［96］对乙炔分子超音速冷却射流进行了高分辨率和宽光谱带宽的测量，通过将喷嘴移动获得不同高度的测量结果，对其密度、速度和内部状态分布的冷分子射流进行重建与分析。

3.2 时域采集技术

高速理化反应燃烧场的状态是瞬息万变的。燃烧产生短暂的电子激发的中间产物，即自由基，寿命仅仅为10-8到10-6s［97］。早期随着激光光源的出现，依赖于激光的光学诊断技术成功应用于燃烧诊断领域。在激光诱导荧光技术中，由于被激发电子的自旋是恒定的，自发衰变以纳秒量级发生［98］。因此需要对燃烧场中信号进行高时间分辨率采集，利用连续采样得到的瞬态信息，通过信号强度时序上的变化对温度和组分浓度等特性进行分析。

为了能够对高速变化的燃烧场进行时域采样，依赖于激光的LIGS 技术被引入燃烧场的测量。LIGS 能够在恶劣的环境中以低成本的方式进行非接触式探测，在测量燃烧过程中的局部温度与组分浓度表现出优异的性能。LIGS 利用两束交叉激光束与待测燃烧场之间的相互作用产生诱导光栅后，通过探测光束对高速动态燃烧场信息进行采样。Luers A 等人［29］使用一氧化氮作为吸收物质，对LIGS进行了系统研究，实现了火焰温度的测量与NO浓度的检测。De Domenico F等人［30］使用1064 nm的激光实现LIGS，同时测量火焰温度和水浓度。并且通过与热电偶测量数值和Chemkin 模拟值进行比较，验证了该技术的可行性。然而，燃烧场瞬态激发信号通常受到高温环境限制而快速衰减，为了实现低质量信号的高信噪比和高时间分辨率采集，以及增强信号质量和持续时间，Hot D 等人［31］利用中红外泵浦激光束，产生具有大光栅间距的激光诱导光栅，显著地提高信噪比和温度测量精度。

CRDS 是一种基于激光的吸收光谱技术，由Herbelin J M［32］和Anderson D Z［33］提出。与传统的吸收光谱技术相比，该方法具有非常高的灵敏度［34］，主要对受限于两个高反射率镜组成的高精密光学腔内的样品进行组分浓度测量。利用脉冲或连续激光，每次光被反射时，有一小部分光从腔中泄漏出来，通过测量出光腔泄漏的时间依赖性来确定衰减时间，得到吸收速率，从而实现组分浓度的定量化分析。CRDS 直接提供了所研究分子的频率依赖的吸收强度，包含了有关分子数目、密度、截面和温度的信息，已在紫外到红外宽波段范围内得到应用［35-36］。Sandfort V 等人［37］将工作在780.2 nm 的自制外腔二极管激光器耦合到法布里-珀罗腔，从而将腔内功率提升至8.17 W，实现在大气压下O2、CO2、C2H4和N2等气体测量。

3.3 空域采集技术

Mie 散射成像［38-39］、Rayleigh 散射成像［40-41］等散射直接成像法基于燃烧场的光信号强度与状态方程，通过对燃烧场空域信息进行采集并反演，实现空间结构等特性分析。HAYASHI J等人将Mie散射与其他探测技术结合，对煤颗粒、多环芳烃（PAHs）和煤烟进行二维瞬态测量［38］。在等压理想燃烧状态下，根据Rayleigh 散射方程可知其散射强度与温度成负相关［40］，BERGMANN V 等人利用该技术对火焰中OH、CH、NO的结构和温度分布进行研究，实现准确的火焰表征［41］。然而这种点态测量的方式无法对瞬态二维或三维空域信息进行采集。因此，在此基础上，过滤瑞利散射法［99］等技术引入新的实验结构设计，实现更有效的二维平面空域信息测量。PU Jinpeng 等人将过滤瑞利散射法用于湍流烟灰非预混火焰温度测量，其对比结果的一致性表明这种方式的有效性［99］。

粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry，PIV）通过引入平面激光对燃烧场中的粒子进行追踪，是一种成熟的测量速度场的技术［42-43］，为了研究燃烧场中的速度特性，在燃烧场中散布示踪粒子或利用燃烧场中本身含有的微小颗粒，采用粒子图像测速法追踪这些特征颗粒，通过这些颗粒的运动来表征流体的速度，原理如图3 所示。利用双脉冲激光光源或连续激光光源对燃烧场进行探测，在两个已知时间记录示踪粒子的位置，通过互相关计算即可求得燃烧场中某一层的示踪粒子速度分布。Sharaborin D K 等［100］研究了燃气涡轮旋流燃烧器模型在非反应条件下的湍流输送和燃料混合，比较了两种燃料体系（甲烷和丙酮蒸汽）的喷射。3D 扫描粒子图像测速（SPIV）［44］是基于平面粒子图像测速法，利用高帧率CCD 相机与高速激光器结合激光空间扫描的方法对实验测量区域进行拍摄，同时记录一系列示踪粒子图像对，对不同深度的切面进行采样。然后，通过互相关计算对三维测量区域内的每个激光扫描平面示踪粒子图像进行计算，得到各个切面的二维流场分布［44］。由于系统扫描频率高，时间间隔短，因此可以假定获得的流场速度是在同一时刻获取的。Brücker C［44］首次将SPIV 方法在具有透明气缸和活塞顶的电动模型发动机中进行测量，证明其无需做任何修改即可对实际引擎进行研究。

图3 粒子图测速法原理示意图Fig.3 Schematic diagram of Particle Image Velocimetry（PIV）

4 双域采集技术

上述方法仅仅利用燃烧场中的单域采样信息进行解析，信息维度不够丰富，难以对燃烧场进行全面分析诊断。例如激光诱导光栅技术，虽然具有时域采样能力，然而其仅仅是一种点态测量方法，不具有空域采集的能力，无法对燃烧场的三维空间信息进行探测与分析。

根据燃烧场不同空间结构，可以分为对称燃烧场与非对称燃烧场进行分析。对于空间形态以中轴线对称分布的对称燃烧场，可以通过采集燃烧场单个视角的图像重建三维空间分布实现空域信息解析［101-103］。对于非对称分布的燃烧场，通过空间扫描的方式进行重建，牺牲了时间信息，较难反映涡流瞬态空间结构等燃烧场全局瞬态信息。为了更好地了解燃烧场空间结构特性，例如火焰燃烧场的拓扑、演化、梯度等，需要具有时域采样能力的三维测量技术［104］。采用莫尔成像、光场成像、全息干涉法或结合背景纹影成像技术等方式进行多角度采集形式，同时对燃烧场的空间信息和时间信息进行采集，能够更深入地研究燃烧场的状态。

拉曼散射等技术能够获取燃烧场的谱域信息，但是缺乏时域与空域采样解析能力。利用太赫兹时域光谱等技术，在时间维度和光谱维度上对信号进行采集与分析，拓宽了信号感知与处理方式。为了在空间层面对燃烧场的各个理化特性进行分析，需要对燃烧场空间中各个体素的光谱信息进行测量。最近，有些学者利用高光谱成像技术代替传统单点光谱测量技术进行火焰参数测量［105-106］，例如采用自发光谱被动成像等方式对燃烧场进行空谱采样，在光谱维度对燃烧场三维空间层面进行分析。

4.1 时空采集技术

由于具有非接触式、抗干扰能力强等优点，莫尔层析成像被认为是一种强大的燃烧场诊断工具。二维莫尔层析成像技术在数学上是基于2D Radon变换的，重建多个切片后进行堆叠生成三维空间信息，然而这种方式只能对真实燃烧场进行近似。体积莫尔层析基于平行投影的三维Radon 变换理论，利用三维空间信息的相关性从而实现精确的重建。通过三维Radon 变换理论进行推导可知，能够通过测量波前相位在不同方向上的径向二阶导数实现三维折射率场重建，从而对燃烧场的特性进行分析。Wang J 等人［45］利用莫尔偏转的原理，采用双交叉光栅的系统结构产生空间相移来测量投影相位的径向一阶导数，并重建了丙烷燃烧火焰的三维空间温度分布。

光场成像技术能够同时对场景的投影和光束的方向进行捕获，近几十年来，光场主要通过多传感器捕获、时序捕获和多路复用成像的方式进行采集。多路复用成像方式能够使用单个相机进行高速光场捕获，会导致空间和角度维度的分辨率权衡问题［46］。成像的原理如图4所示，一次曝光后，能够生成聚焦于不同深度的图像，将不同平面的燃烧场投影信息包含在一张图像中［47］。通过辐射传递的方法［47］或与三维层析［48］的方法相结合，能够重建对称和非对称火焰的温度场分布。Niu Z T 等人［48］将最邻近法引入三维层析重建中，通过降低截面的干扰信息提升重建精度，在对称和非对称火焰进行仿真实验，证明了该方法的有效性。Liu Y等人［49］通过设计优化参数的笼型光场成像系统，提高了空间分辨率，并且重建了层流扩散火焰和湍流扩散火焰在不同深度的温度分布。但是由于各个微透镜间距较小，采集的单视角信息过于冗余且不具有多视角信息进行辅助重建，导致三维空间重建的精度较差。

图4 光场成像原理示意图Fig.4 Schematic diagram of light field imaging

背景纹影层析技术结合背景纹影技术与层析技术对三维空间进行重建，在多个角度对填充纹理特征的背景板进行信号采样，以构成一个层析问题，利用重建算法对燃烧场进行重建［50］。Liu H 等人［50］为了验证背景纹影技术在复杂场景下的适用性，对预混湍流火焰的9个角度投影信息进行获取，并重建三维空间的折射率。随后，Liu H 等人［51］基于背景纹影实验装置设计8 个相机的实验系统，对丁烷/空气非对称预混火焰进行实验，通过热电偶对重建温度场的精度进行分析，验证该系统和算法的有效性。

与背景纹影技术不同，全息干涉法通过多次曝光实现差分干涉测量，定量捕获燃烧场的幅值和相位信息，具备非接触和大景深的优势［52］。Xi T 等人［53］利用高速相机，采用数字全息法对窄通道燃烧的乙烯-氧气预混火焰进行测量实验，以10 μs 的时间分辨率成功地测量了窄通道内中微弱压缩波、火焰和激波的传播。Wu等人［54］采用25 kHz高速全息成像系统对推进剂的燃烧中的颗粒进行实时三维空间重建，并追踪单颗粒的整个燃烧过程，从带有时间分辨率的重建结果中对粒子大小、三维空间分布和粒子轨迹进行跟踪和分析。

4.2 时谱采集技术

上述方法能够通过对时间、空间中采样得到的信号进行燃烧场分析，然而缺乏谱域解析能力。傅里叶红外光谱法和太赫兹时域光谱技术基于干涉原理，能够获得不同时刻燃烧场的单一谱段强度，对谱域信息进行解析，从而综合利用时域、谱域信息对燃烧场特性进行分析。

傅里叶红外光谱法是通过干涉的原理获得信号的干涉图，并对干涉图进行傅里叶变换实现光谱信号的获取，能够实现对气体种类的判别，并测量气体的浓度［107］。通过热重分析技术能够对燃烧过程中的热稳定性与产物进行分析，在燃烧诊断领域通常将傅里叶红外光谱法与热重分析技术结合对物质燃烧产生的气体进行测量与分析，比如煤、木材、沥青、废茶叶等在不同环境下的燃烧过程，从而更加充分地对物质燃烧的过程不同阶段进行揭示。Liu L 等人［108］利用这种技术在不同氧气浓度下对煤燃烧过程进行测量，并对气体产物进行测量从而对煤燃烧过程的活化能进行分析。

太赫兹时域光谱技术在太赫兹波段对燃烧场进行探测，通过对太赫兹波段光谱进行测量，结合物质的吸收线对燃烧产物及浓度进行分析。在烟灰浓度较大的实验环境中，可见光波段或红外波段的光无法透过，使用相关技术进行探测时需要使用过滤装置将烟灰颗粒滤除后进行探测，因此可见光与红外波段的技术不具有长时间探测能力［55］。根据Mie散射理论，在较长的波长范围内，烟灰颗粒的消光系数有减弱趋势，并且太赫兹波段的电磁波不会被烟灰颗粒明显散射，因此太赫兹时域光谱技术特别适用于烟灰浓度较大的场景中。Araki M 等人［55］对燃烧过程中产生的氰化氢（HCN）浓度进行监测，并将得到的测量结果与傅里叶红外光谱技术测量结果进行对比，精度误差在10%以内，验证了太赫兹时域光谱技术在燃烧诊断领域中的有效性。

4.3 空谱采集技术

利用平面激光进行燃烧场成像是燃烧成像的两个主要手段之一［109］。激光诱导光谱技术可分为平面激光诱导光谱、体激光诱导光谱与激光诱导击穿光谱。通常情况下，以平面激光片的形式对燃烧场进行激发，原子吸收激光能量后处于非稳态，自发衰变形成荧光［98，110］的过程又称为平面激光诱导荧光成像（Planar Laser-Induced Fluorescence，PLIF）［111-112］。利用增强型CCD 相机［6］或CMOS 相机［111-112］，对荧光信号进行捕获，根据捕获的信号强度对燃烧场进行分析，获得燃烧场温度［111，113］、速度［114］、结构［100］等信息。HSU P S 等人［111］利用PLIF 技术对甲烷预混湍流火焰进行温度测量，从每两个激发跃迁中收集PLIF 图像，并使用图像的强度比来确定局部温度，结果如图5所示。

图5 PLIF温度测量结果，引用自［111］，已获得Optica Publishing Group授权Fig.5 The temperature measurement results of PLIF，adapted with permission from ［111］© The Optical Society

为了利用PLIF进行燃烧场三维空间探测，需要将平面激光对多个平面进行顺序扫描［6］，如图6（a）所示，Cho K Y 等人［112］利用一套5 kHz OH PLIF 系统、一个高速检测系统（图像增强器和CMOS 相机）和一个振镜扫描镜对燃烧场进行测量，切片结果如图6（b）所示。系统动态记录高速燃料蒸汽射流，实现燃烧场的三维空间OH相对浓度重建。

图6 平面激光诱导荧光三维空间重建示意图.（a）系统示意图；（b）扫描结果示意图，引用自［112］，已获得Optica Publishing Group授权Fig.6 Schematic diagram of three-dimensional reconstruction by planar laser-induced fluorescence.（a）System diagram；（b）Scan result diagram，reprinted with permission from ［112］© The Optical Society

将平面激光通过光学结构扩展为体激光的形式即可实现体激光诱导光谱成像，通常分为诱导荧光或诱导炽光两种形式，同时在多角度对燃烧场的投影信号进行获取，结合层析重建算法实现三维空间重建。虽然在系统结构上需要增加高成本激光器，并且由激光器发出的线激光扩展成体激光会产生非均匀扩散等问题，但是该技术具有激光体积可调控与激发过程可控制等优势。利用光学结构调控激光体积与探测位置能对观测区域进行精确探测与重建，可以更好的计算火焰面等形态特性；精准控制激光的波长与功率，以进行与谱域相关的温度和组分的定量测量。L Ma 团队［56］首次利用VLIF对碘蒸汽进行探测，在出口位置加入一个杆将蒸汽射流切分为V 形以增加三维空间形态的复杂度，并用五个相机组成探测系统对V 形射流进行探测，实现三维空间重建，结果如图7 所示。随着高功率高速激光器与高速相机的发展，VLIF在测量速率上大大提升。L Ma团队［57］在前期基础上，使用10 kHz的Nd∶YLF 激光器激发V 形碘蒸气射流，并利用七个高速相机组成的探测系统对其进行探测与重建。虽然在信号折射率与投影信噪比方面有略微影响，但成功地将VLIF 三维空间探测速率从10 Hz 提升至10 kHz。

图7 VLIF重建示意图，引用自［56］，已获得Optica Publishing Group授权Fig.7 The reconstruction result diagram of VLIF，adapted with permission from ［56］© The Optical Society

体激光诱导炽光［58-60］与体激光诱导荧光在原理上具有差异性，其主要在于诱导荧光是通过吸收激光能量使得原子中的电子跃迁后自发衰败辐射出能量形成荧光，而诱导炽光是通过激光脉冲加热粒子，由于具有能量吸收、辐射、传导、升华、退火、氧化或热离子发射等作用的影响，使得粒子受激产生热辐射［58］。通过VLII技术，能够对流场中的烟灰体积分数、粒子直径场与温度场进行分析。Hall E M等人［59］通过对激光诱导炽光二维扫描重建结果与三维层析重建结果进行对比，证明了体激光诱导炽光技术的可行性。Meyer T R 等人［61］首次将VLII 应用于非稳态火焰进行烟灰体积分数的测量，利用高功率高速的体积激光将火焰内的烟灰场以纳秒量级速率进行激发，利用七台配备立体镜的相机组成的探测系统进行14 个角度的探测，证明了可以在10 kHz 高速率条件下对烟灰场的体积分数进行三维空间重建与分析。Bauer F J 等人［62］结合光纤束进行系统设计，大大降低了实验成本，并且通过两个滤光器件提取两个波段的信号值，对重建三维空间信息的温度场进行分析。

激光诱导击穿光谱法（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）将脉冲激光束聚焦于待测点，将其加热至高温，从而分解成原子和离子。当原子和离子重新结合时，对其发出的辐射进行探测，用于组分的定量分析。在燃烧诊断领域，LIBS能够用于分析煤炭燃烧过程中碱金属的释放过程［115］，或者不同实验室火焰比如层流预混火焰［116］、扩散火焰［117］、湍流部分预混火焰［118］中当量比分布等。Li S 等人［119］利用LIBS 技术结合三维移动平台测量了原子和基团在燃烧火焰中的空间分布，通过捕获燃烧过程的光谱信号对温度分布进行表征，成功实现燃烧场的空谱采集。

火焰自发光层析技术是一种相对简单的空谱探测技术，对火焰燃烧时产生的特征光谱信号进行观测，即可对火焰的三维空间结构信息，表面积、曲率等形态信息，温度信息，组分浓度信息进行采集与分析。Foo C T 等人［63］通过向火焰的内环加入NaCl、外环加入Sr（NO3）2，利用不同的汽化碱金属盐发射不同特征波长的光。设计29 个相机阵列系统，在不同的相机上配备不同的滤光片以检测不同的特征波长，主要分为三组，分别对NaCl、Sr（NO3）2、CH*进行检测，利用设计的实验系统同时对燃烧火焰投影信号进行获取。通过对不同波长的投影信号分别进行三维空间重建，对不同气流的燃烧火焰的前沿位置及其相互作用进行分析。Ma L 等人［64］用8 个高速摄像机组成的多角度采集系统，以20 kHz 的采集速率对Mach 2 腔体燃烧腔的点火过程进行研究，主要测量了两种燃料条件下火焰的流动特性，其中包括点火核的三维体积、表面积、形状因子等火焰形态信息。通过对这些形态信息的测量分析清楚地区分了燃烧腔点火阶段和稳定燃烧阶段，并阐述了在燃烧腔内火焰流动的相互作用，证明了该技术在高速燃烧装置中的实用性。Wang Q 等人［78］将一分九光纤束与分光镜结合，同时在两个波段下对燃烧火焰的九个视角投影信息进行获取，利用双色法对燃烧火焰的温度场进行重建与分析。热扰动会对燃烧器的燃烧过程产生巨大影响，导致排放量增加，燃烧效率降低，甚至对燃烧器产生不可逆损坏等问题［65］。而CH*和OH*等自由基信号与火焰热释放相关，通过探测自由基特征波段的信号量对燃烧火焰进行重建，可以对燃烧稳定性问题进行研究。Moeck J P 等人［66］用高速相机记录自由基的特征光，从傅里叶域提取出与螺旋结构相关的频率分量，通过相位平均的方式提取不同角度的视图，并用于热扰动的研究。

激光吸收光谱层析技术主要基于激光吸收光谱技术，在特定光谱波段范围内扫描激光波长，通过监测燃烧场空间中各个视线对激光强度的吸收量的测量，反演燃烧场三维空间信息。这项技术主要有平面激光层析和体激光探测两种方式。

平面激光通常采用多种线激光阵列构成探测平面的形式，比如单激光束、平行激光阵列、扇形激光阵列等，结合机械扫描机制实现空间探测。如图8 所示，Liu C 等人［67］利用圆柱透镜等光学器件对光路进行优化进行实验系统设计，提升了扇形激光阵列的性能，提高了重建精度，并进行了气体浓度反演与温度场重建。

图8 激光吸收光谱层析技术层析示意图Fig.8 Schematic diagram of laser absorption spectrum tomography

线或面形态的激光结合层析技术能够对燃烧场三维空间信息进行重建，然而使用机械结构将测量激光进行平移的方法相对比较复杂。因此，Wei C 等人［68］和Tancin R J 等人［69］利用凹透镜和柱状透镜等光学器件将激光扩展形成体激光，通过旋转燃烧台收集多个角度下经过燃烧场吸收后的二维投影图像，进行数值模拟仿真和实际系统测试［70-71］，对甲烷、乙烯等燃烧火焰进行三维空间体积重建，并预测了火焰的温度场和组分浓度。

激光吸收光谱层析技术主要依靠物质在不同光谱波段的吸收特性，对激光吸收量进行测量从而分析燃烧场相关特性，需要依靠发射主动激光才能实现。然而，针对自发光的燃烧场，比如燃烧火焰等，需要依靠被动成像的方式，对燃烧场自发的特征光谱进行测量。近年来，很多学者通过这种获取光谱的方式在温度分析、碱金属含量分析等应用进行相关研究［72-74］。液晶可调滤波器（LCTF）利用液晶的电控双折射效应，通过外加电场使得不同波长的光发生干涉，实现波段选择。张海丹［75］和谢正超［76］等人利用LCTF 对火焰的三维温度场、颗粒浓度场和气体浓度场进行重建与分析。除了使用上述LCTF 之外，还能够使用转轮式、扫描式等商用多光谱相机，对火焰的多谱段信息进行采集。理论上，利用多谱段信息能够更加精准的对温度等特性进行反演［120-121］。如图9 所示，Huot A 等人［77］基于转轮式光谱相机，对火焰8 个谱段的光谱信息进行获取，通过多谱段信息对蜡烛燃烧火焰的温度进行估计，对蜡烛燃烧产物进行分析。

图9 转轮式光谱相机.（a）系统示意图；（b）采样结果示意图Fig.9 Rotating wheel spectral camera.（a）System diagram；（b）Diagram of measurement

5 多域联合采集发展趋势展望

上述技术由于信号采样能力的局限性，只利用单域或双域信息对燃烧场进行分析。在自发光谱被动成像技术中，使用光谱成像设备进行信号获取时，普遍使用时分复用手段，虽然能够获得空间和光谱维度信息，但是其时序扫描效率低下，无法在单次曝光下采集场景完整的高维光谱图像，难以在时域维度进行燃烧场全局特征解析，在测量不稳定的燃烧火焰时产生较大难题。单域或双域技术已经不能够满足于复杂燃烧场的研究需求，多域信号联合采样与分析是研究燃烧技术的关键所在。快照式光谱成像技术及快照式光谱光场成像技术是近年来备受关注的新兴课题，能够同时对场景的时空谱以及更高维信号进行实时采集。由于先进的光谱测量技术具有时空谱联合采样的优势，能够在单次曝光下对燃烧场多维信号进行采集，具有极高的采集效率，燃烧诊断领域引入相关技术进行信号采集与分析是非接触式光学测量技术的未来研究方向。

针对于先进的光谱测量技术，近几十年来开展了大量的研究［122-123］。结合胶体量子点［124-125］、微环谐振器［126-128］、光子晶体板［129］、螺旋波导［130］、光学微腔［131-132］，薄膜［133］、纳米线［134-135］等新型材料及器件，能够实现光谱维度信号的探测。利用光学元器件设计实现窄带滤波或光学分光，亚像素级马赛克镀膜技术［136-137］、光学复制重映射技术［138-139］、图像映射技术［140-144］和色散光谱技术［145-146］用于实现高光谱重建。Si M 等人［136］和Zheng S 等人［137］利用亚像素级马赛克镀膜型的多光谱成像设备对燃烧火焰进行瞬时捕获进行研究，这种方法能够获得较高的时间分辨率，实现对动态燃烧火焰进行观测。棱镜-掩模视频成像光谱仪（Prism-Mask Video Imaging System，PMVIS）［145］利用均匀稀疏掩模和棱镜分光的巧妙设计，能够对场景稀疏空间的光谱信息进行采样，允许在光谱分辨率和空间分辨率之间进行不同的权衡。Gao L 等人［140，142］使用不同角度的微切片映射镜将图像切片进行重新定向，然后通过棱镜色散分布到二维传感器上，设计图像映射光谱仪（Image Mapping Spectrometer，IMS）。IMS 系统实现场景空谱信息与传感器平面像素的一一对应，通过单次曝光采集信号并追溯色散图像像素位置与三维光谱数据体素的映射关系，实现时空谱信号的联合采集与重建；Pawlowski M E 等人［143］将IMS系统工作谱段扩展至近红外波段，提升时间采样率约一个量级，以百赫兹速率对卤素灯丝的发射光谱进行观测。然而，IMS的空间、光谱分辨率受限于微切片映射镜的设计，且随着切片尺寸的减小会受到衍射效应的串扰，从而影响成像质量［144］。以上通过光学设计能以较高的时间分辨率直接采集场景空谱信号，但是难以解决空间分辨率与光谱分辨率不可兼得的固有矛盾。

为了解决了高速动态场景的高分辨率光谱信息获取的难题，以计算重构方式为基础的快照光谱成像技术成为近期研究热点。基于断层摄影［147-148］、压缩感知［149-159］、混合光路［160-162］、光谱编码［163-164］、傅里叶变换［165-166］等技术路径与衍射光学元件［167-172］、散射介质［173-174］、超表面［175-180］等新型材料器件，在单次曝光下用二维传感器实现多维信息同时采集，通过计算重构的方式恢复多维数据。计算层析成像光谱仪（Computed Tomographic Imaging Spectrometry，CTIS）［147-148］利用衍射光栅等光学元器件对三维空间场景进行多方向、多阶投影后，由二维平面传感器进行采集，通过重建算法即可重建场景高光谱信息。受压缩感知原理启发，编码光圈快照光谱成像系统（Coded Aperture Snapshot Spectral Imaging，CASSI）［149-150］，通过光学编码的方式将三维光谱信息投影到传感器上，利用自然场景稀疏性假设重建高光谱图像［151-152］。Lin X 等人对编码策略进行改进，提出的双编码压缩高光谱成像系统［153］使用两个掩模在空间和光谱平面进行编码，获得了更高的压缩随机度；提出的空间光谱编码压缩成像系统［154-155］通过空间光谱联合编码，实现了光谱采集的低成本与系统集约化实现方案。将RGB 彩色传感器与彩色编码孔径引入光谱系统［156-159］，利用彩色滤波器件的灵活编码设计，为空间光谱解耦提供新的约束，实现场景光谱高质量重建。为了解决基于编码的光谱采集系统中光谱和空间分辨率不可兼得的矛盾，近年来提出了混合光路系统，将具有不同维度信息优势的采集方案进行融合，以显著突破单光路系统的能力限制；Cao X 等人［160-161］利用基于PMVIS系统进行混合光路设计，同时采集光谱高分辨、空间低分辨的光谱通道信号和光谱低分辨、空间高分辨的彩色相机通道信号，结合光谱传播算法可以获得同时具有高光谱分辨率和高空间分辨率的动态光谱数据；Wang L 等人［162］将高时间采样率的RGB光路与高曝光时间的CASSI 光路进行信息融合，实现高帧率的光谱压缩成像。

上述快照式光谱成像技术在相机单一视角下，单次曝光时间内仅能对场景中的二维空间和光谱维度信息f(x，y，λ)进行采集。结合层析技术，在单次曝光时间内采集燃烧场的多视角投影信号，能够实现高速理化反应的燃烧场三维空间信息及光谱信息的重建。

近几年，在快照式光谱成像技术的基础上，衍生出了一系列快照式光谱光场成像技术［181］，能够对场景的四维信息f(x，y，z，λ)或五维信息f(x，y，θ，φ，λ)进行采集与重建。研究者们基于结构光［182-184］、飞行时间［185-186］等主动探测技术，立体匹配技术［187-188］，模态融合技术［189-191］，傅里叶变换技术［192-193］，孔径调制技术［194-196］，衍射调控技术［197-198］，像面调制技术［199］，光场层析技术［200］，超透镜阵列技术［201］等方式对快照式光谱光场成像技术进行探索，这些技术将多维信息压缩进行采集，通过计算解耦的方式对空间信息和光谱信息进行重建，从而实现场景高维感知。Kang Z 等人［188］使用具有不同窄带滤光片的光谱相机阵列实现场景光谱光场的采集，基于谱不变特性和立体匹配技术实现光谱信息与光场信息的重建。Xiong Z 等人［190］利用分束器双路系统分别采集场景的光场信息与光谱信息，将两路信息融合重建高维度的光场光谱数据。然而结合两个或更多不同的成像系统来同时捕获高维信息会显著增加系统复杂度与相机间对齐配准等问题，为了改进这种光谱与光场成像任务相对分立的缺点，单路压缩光谱光场成像架构能够以更紧密的方式捕获场景多维信息的复用表示，从而实现高维信号的计算重构。Baek S H 等人［197］提出了一种紧凑的单镜头单目高光谱深度成像方法，使用衍射光学元件使其点扩散函数随深度和光谱而变化，再以端到端深度学习的方法从单个捕获图像重建光谱和深度。Ding X 等人［199］通过将编码光圈快照光谱成像结构与微透镜阵列串联，使得探测到的编码数据混合场景的空间光谱信息和光线的方向信息，首先基于压缩感知理论恢复不同波长下的光场数据，然后基于数字重聚焦技术从光场数据中恢复每个光谱图像。Hua X 等人［201］利用横向色散超透镜阵列和单色成像传感器实现超紧凑光谱光场成像，提供了4 nm光谱分辨率和近衍射极限空间分辨率的快照成像。

对于燃烧场中谱域监测的需求，即测量特定自由基（如OH*、CH*、C2*、Na*和K*等）的发射强度，一般要求监测系统的谱域监测能力在紫外至近红外谱段范围内，并具有10～50 nm 的光谱分辨率［202-203］；对于多物种分析，会存在不同分子发射光谱特征峰相近、同一分子具有多处发射光谱的情况［204］，则要求监测系统的光谱分辨能力足以区分它们之间的差别，通常在纳米级别。目前光谱测量技术已经可以稳定实现10 nm 以及更高分辨率的实时成像［205-206］，与目前常用于燃烧场监测的宽带滤波式多光谱成像相比［63］，高光谱分辨率测量可以传递更多关于燃烧过程的信息，在谱域维度为燃烧诊断提供更全面的解析能力。

从上述的分析和介绍中可以看出，快照式光谱成像技术与快照式光谱光场成像技术在场景空间信息和光谱信息采集中具有很大优势，并且能够在单次曝光下完成相关信息采集。时空谱以及更高维信号的联合采集，对于燃烧诊断前沿方法的研究具有重要意义。新型技术与燃烧诊断技术结合的过程中，在如何搭建与完善采集系统，如何进行多维信号处理与分析等问题上都值得深入思考与研究，而这些正是未来高速燃烧场的高维信息同步采集与分析技术的研究方向。

6 结论

燃烧诊断相关技术的发展已经长达数十年，虽然燃烧诊断领域已经取得了令人欣喜的成果，但仍面临多方面的挑战。通过燃烧诊断技术，对燃烧场的密度、温度、速度、结构等特性进行研究，能够在控制温室气体及污染物生成、提高燃烧效率和安全监控方面具有重大意义。为了避免传统接触式测量对燃烧场带来干扰，非接触式测量技术在近几十年得到大力发展。我们将现有的非接触式光学代表性技术按照空域、时域和谱域采样进行分类，并对目前技术在燃烧场探测过程中无法实现多域同时采样的原因进行剖析。然而研究燃烧机理的过程中，在高时间分辨率、高空间分辨率和高光谱分辨率下对燃烧场进行采样是至关重要的。我们通过对现有先进的光谱捕获技术进行调研分析，认为采用快照式光谱成像技术或快照式光谱光场成像技术能够实现空域、时域和谱域采样的平衡。在未来的研究中，将其与燃烧诊断技术结合，在单次曝光中同时采集多域信息，在具有高时间分辨率的情况下，实现高速理化反应的燃烧场三维空间信息及光谱信息的重建，这种信号采集及处理方法必然能够为燃烧场的分析提供强有力的技术支持。