燃料浓度分布激光诊断方法与应用

马洪安，苗 磊，付淑青，宫俊波，曾 文

（沈阳航空航天大学航空发动机学院，沈阳 110136）

0 引言

近年来，随着科技水平的不断发展进步，对动力机械要求越来越高，既要降低能源消耗，又要减少有害排放物，还要寻求碳的零排放等，其中航空发动机占了很重要的地位。目前发动机的高效率燃烧和超低污染排放是未来发展的主要趋势，各国提出了严格的标准并制定了长远的规划[1-3]。其中燃烧室是发动机运行中能源转换的关键部件，要组织稳定和高效地燃烧，需要对燃料的喷射、雾化、混合及燃烧等物理和化学过程有深入和准确地理解。因此，有必要深入了解燃烧室内燃料的供给方式，空气/燃料混合物的局部浓度与分布，以对可燃混合气的局部当量比进行准确表征，确定其与燃烧场和流场的相互影响。有助于提高燃烧效率，降低燃烧污染物排放，改善与优化发动机的燃烧性能[4-5]。

目前发动机中的燃烧参数测量方法分为接触式和非接触式，接触式测量多为物理探针法，如热电偶测温、取样耙和热线风速仪测速等[6]。物理探针法是直接将探测器侵入燃烧流场中，会造成流场、传热、催化、淬灭等多种干扰。以激光为激励光源的非接触式激光测量与诊断技术，测量与诊断能力非常突出，具有高灵敏度、非接触、高时间和空间分辨率等诸多优点。采用非接触式激光测量与诊断技术能够在极其复杂与恶劣的燃烧室内部环境中进行快速测量，而且还能在尽量不干扰原本燃烧过程的基础上获得最准确的数据，在过去的20年间得到了迅猛地发展[7-9]。

本文总结了当前几种基于非接触式激光测量与诊断技术测量燃料浓度分布的方法。论述了几种技术目前的研究进展，提出了新的测量思路，并对其发展趋势进行了展望。

1 基于平面激光诱导荧光燃料浓度分布测量

平面激光诱导荧光（Planar Laser Induced Fluores⁃cence，PLIF）技术是将调谐好的平面激光打在测量截面上，激光波长被调谐到待测组分的某个吸收线，然后该组分吸收光子能量，达到电子激发态并发出荧光[10-12]。PLIF原理如图1所示，v’和v”分别表示上下电子态的振动能级。在线性区内，荧光强度与组分浓度成正比，通过获得荧光的强弱，可以判断出组分的相对浓度分布，目前已在燃烧场诊断方面得到广泛应用[13]。

图1 PLIF原理

1.1 基于示踪分子-PLIF燃料浓度分布测量

目前，通过PLIF 来对燃料浓度分布进行研究，一种广泛使用的技术是对添加到非荧光基燃料中示踪分子的PLIF 信号进行成像[14]。当示踪分子在试验条件下的光谱行为被很好地表征时，对信号进行定量的解释是可能的。常见示踪分子、煤油的典型激发方案见表1。

表1 常见示踪分子、煤油的典型激发方案

其中2 种最广泛使用的燃料示踪分子是酮类（如丙酮）和芳烃类（如甲苯）[15-16]。丙酮（CH3COCH3）作为PLIF 的示踪分子长时间以来被广泛应用，其优点包括低毒性、低成本、高饱和蒸汽压、吸收和发射光谱范围宽，可实现高浓度播种。丙酮荧光信号可使用高能脉冲紫外激光器进行激发，并允许用低噪声、未增强的CCD 相机进行检测。在等温等压流动中，假设荧光产率恒定，则荧光信号与丙酮数密度成正比。丙酮的荧光产率与其他的双原子示踪剂（如OH 和NO）不同，丙酮的荧光产率受体系间快速交叉而非碰撞猝灭的限制，使其荧光产率的组成对压力的依赖性较低。最近研究发现丙酮荧光对于温度的依赖性较高，并随着激发波长变化。对于弱激发荧光信号，丙酮的荧光信号计算为

式中：ηopt为集合光学器件的整体效率；E为激光通量；hc/λ为激发波长为λ 的光子的能量，dVc为收集体积；nabs为吸收分子的数量密度，与温度相关；σ为示踪剂的分子吸收截面；φ为荧光量子产率。σ和φ都受激发波长和温度的影响[17]。

Thurber 等[17]在300~1000 K 下，用8 个不同的波长激发丙酮，研究其吸收特征，获得了常压下丙酮荧光的吸收结果，还建立了1 个简单的模型，以解释现有的荧光数据，并允许外推到其他条件；Koch 等[18]研究了温度和激发波长对3-戊酮荧光信号的影响，表明3-戊酮荧光信号对308 和248 nm 激发波长比丙酮荧光信号敏感，由于酮信号对氧几乎不敏感，通常用于确定燃料数密度，而芳香族荧光被氧强烈猝灭，从而提供了跟踪氧浓度的潜力。并且由于甲苯和萘天然存在于汽油或柴油燃料中，利用它们的光物理特性直接记录燃料在燃烧室中的空间分布是特别有价值的；Koran等[19]研究发现甲苯-PLIF信号不是直接与燃油-空气比成比例；Devillers 等[16]在1 个激发波长为248 nm 的光学模型发动机中获得了甲苯-PLIF 的发射光谱；Orain 等[20-21]在350~900 K、0.1~3.0 MPa 下对萘和1，2，4 -三甲苯荧光光谱信息进行了详细的研究。在0.1 MPa的空气中萘荧光信号强度随温度的变化规律如图2所示。从图中可见，在550~800 K下，萘荧光信号强度的变化较小，在该温度范围内可认为萘荧光信号与摩尔分数成正比，因此，萘荧光可用于测量蒸发条件下（不燃烧）航空喷油器出口的燃油浓度；Smith 等[22]对空气/异辛烷值混合物中双乙酰-PLIF 信号的压力和温度依赖性进行试验研究，并以双乙酰为示踪剂获得了直喷射式发动机中的定量燃料分布测量结果。

图2 在0.1 MPa的空气中萘荧光信号强度随温度的变化规律[20]

综上所述，示踪分子-PLIF 技术为发动机燃料浓度分布的试验研究提供了新手段，其优势在于能获得混合场浓度的高时空分辨率瞬态测量结果，用较简单的分子结构表征复杂燃料的变化情况，大大降低了试验测量难度。但示踪分子的均匀注入、合适示踪分子的选择、示踪分子荧光信号的高效探测和精确定量标定仍是这类技术应用在发动机测量中的关键问题。

1.2 基于煤油-PLIF燃料浓度分布测量

对工业喷油系统的研究必须尽可能接近实际工况，意味着在航空发动机中应该使用多组分液体燃料模拟实际情况，使用替代燃料或在燃料中加入示踪剂可能会导致燃烧室中燃料分布和火焰形状的显著变化。航空煤油中含有的成分极其复杂，中国使用的RP-3 型以及国外使用的Jet-A、JP-8 型航空煤油成分大致相同，均包括链烷烃、环烷烃、芳香烃（单环、双环、多环）等，但成分含量有较大差异[23]。Löfström等[24]通过激光诱导荧光/Mie 散射联合技术，开发出了煤油- PLIF 技术，并通过对煤油汽液2 相进行诊断，研究了多组分液体燃料的汽化程度。但所得结果的准确性较低，需要建立煤油光谱分析。目前普遍认为，煤油中可以产生荧光的成分为芳香烃，并且荧光的频带非常宽。其中，单环芳香烃的荧光波长较短，双环芳香烃的荧光波长较长，煤油与4 种芳香烃荧光光谱光谱如图3 所示。从图中可见，随着温度的升高，双环芳香烃荧光强度的变化对温度更敏感，荧光信号对温度的敏感性如图4 所示。从图中可见，其荧光强度与单环芳香烃相比，会更快地降低，这种现象为煤油-PLIF定量测量提供了方法。

图3 煤油与4种芳香烃荧光光谱光谱[25]

图4 荧光信号对温度的敏感性[25]

试验中测得的煤油的荧光强度为

式中：Ki为煤油或双环芳香烃；SF，i为实际测得相应的荧光强度；Ki为测相应成分荧光强度光路的传递常数；xi为相应成分的浓度；T和P分别为测点的温度和压力；S0，i为特定条件下参考荧光强度。

设定煤油蒸气中各成分比例不变，即xi=k·xkero，其中ki为相应成分在煤油中的比例，xkero为煤油浓度。则式（2）为

参考荧光强度由煤油荧光光谱测量获得；Гi与光路系统和组分比例有关，是1 个常数，通过标定获得[26]。当得到这2个参数之后，就能根据煤油和双环芳香烃荧光强度的差值反推出温度，进而获得煤油浓度。

在进行煤油浓度测量之前，有必要进行煤油荧光光谱测量，有2 个作用：一是找到煤油与双环芳香烃的发射光谱，为试验中测量煤油、双环芳香烃荧光信号滤波片的选择做参考；二是测出在不同温度和压力下的参考荧光强度，作为定量测量煤油浓度的基础。Orain 等[25]在450~900 K、0.1~3.0 MPa 下，对煤油（Jet A1）蒸气激光诱导荧光光谱进行了分析；张少华等[27]确定了中国RP-3 型气态煤油的荧光光谱分布，研究了在空气和氮气这2 种气体环境中腔体压力以及煤油流量对煤油荧光强度的影响规律，并得到了氧气摩尔分数与煤油荧光相对强度之间的关系表达式，其建设的适用于长时间高温高压状态下的光谱测量试验系统与Orain 等[25]所建立的基本一致，煤油荧光光谱测量装置如图5 所示。其主体测试腔腔体温度应可达到实际燃烧室中未燃区温度，压力可达到实际燃烧室中的压力。腔体在3 个面设有紫外光学窗口，正对着的2 个光学窗口用于通过激光，另一个垂直的光学窗口用于测量荧光信号。为避免燃料发生热解，预蒸发煤油和空气的混合物应连续流过测试腔。煤油的荧光光谱最终由光谱仪和ICCD得到。通过改变测试腔的温度和压力，得到不同条件下的荧光光谱，进而计算出参考荧光强度。

图5 煤油荧光光谱测量装置[27]

目前普遍认为煤油荧光信号的激发波长为266 nm 左右[28]，可用1 个Nd：YAG 激光器（掺钕钇铝石榴石激光器）进行激发。相对于煤油的热态（燃烧）测量，煤油的冷态（不燃烧）测量较简单。液态测量结果可直接通过煤油荧光滤波片进行捕捉，后续可通过图片灰度处理和试验装置标定等方法对定性的测量结果进行简单的定量分析。但在冷态测量时，试验件光学玻璃上易粘煤油液滴，会对试验结果造成影响。Fan 等[29-30]利用同步粒子图像测速（Particle Image Ve⁃locimetry，PIV）和煤油-PLIF 技术研究了旋流燃烧室的流场结构和煤油分布特性，结果表明旋流强度对流场和喷雾结构有很大的影响。热态测量时干扰因素较多，要测量出准确的结果需尽可能消除反射光、OH、CH 荧光信号、积碳等对试验结果的影响。在最新的研究中，Wang 等[31]针对超声速火焰实现了煤油-PLIF 和OH-PLIF 的同步测量，通过将OH-PLIF 与煤油-PLIF 荧光信号进行比较，区分出了OH-PLIF 荧光信号。

根据文献和相关经验可总结并设计出煤油-PLIF 试验的基本流程：（1）首先获得煤油及饱和蒸气压数据，目的是控制浓度变量为已知量，并准备1 个可以控制温度和压力的校准装置；（2）尝试分析266 nm 附近激发线下的煤油荧光特性，选取适合的激发波长，测试自吸收的影响；（3）利用校准装置研究煤油的温度-压力与荧光强度曲线，研究煤油的荧光光谱特性曲线，即研究不同激发能量，不同浓度、不同温度下的荧光依赖关系；（4）将荧光强度通过标准灯校准；（5）最终得到煤油浓度-激发能量-温度-探测强度之间的关系，进而通过试验测量获得煤油浓度分布情况。

为解决煤油浓度的定量测量这一大技术难题，Malbois 等[26]提出了一种结合煤油- PLIF 和OH-PLIF诊断技术对煤油摩尔分数和温度进行定量测量的新方法。煤油-PLIF 和OH-PLIF 同步测量光学装置如图6 所示，其中煤油的荧光信号由2 台ICCD 采集，1台ICCD 前设置滤波片A，滤波A 可以通过煤油的大部分荧光信号，包括单环和双环芳香烃的荧光；另一台相机前设置滤波片B，滤波片B 只能通过双环芳香烃的荧光信号。在进气温度为670 K 时，光学装置在0.83、1.80 MPa 下，瞬时煤油摩尔分数试验结果如图7所示。其中OH 荧光信号与煤油摩尔分数叠加在上半部，OH 荧光信号与煤油混合空气的温度叠加在下半部，可以看出提高压力显著降低了燃烧室入口的煤油摩尔分数。

图6 煤油-PLIF和OH-PLIF同步测量光学装置[26]

图7 瞬时煤油摩尔分数试验结果[26]

综上所述，Malbois 等[26]提出的测量方法十分新颖，是目前关于煤油-PLIF 定量测量方面最新最有效的方法之一。但该方法至少需要2 台像增强型相机，由于目前大多数高校试验室不具备这样的条件，因此可根据其测量方法在试验设备上进行适当简化。定量测量煤油-PLIF 如图8 所示，滤波片A 通过煤油的大部分荧光信号，滤波片B通过双环芳香烃的荧光信号，通过光路引导将2 个滤波片捕捉的荧光信号成像到相机的不同位置上，以对2 个滤波片捕捉的荧光信号进行区分。在此期间，保证光程长度一致，以利于后期荧光信号的处理与分析。

图8 定量测量煤油-PLIF

另外在Nd：YAG 激光器处加设分光镜和特制的小型倍频器，通过分光镜将激光分为2 束，一束光通过4 倍频处理后直接用于激发煤油荧光信号，另一束光通过2倍频处理后通入染料激光器用于激发OH 荧光信号。OH荧光信号能在Nd：YAG激光器较低能量下被激发，因此Nd：YAG 激光器高功率输出条件下能满足同时激发2 种组分，该方法在同步测量多种组分的基础上降低了一部分成本，OH-PLIF 和煤油-PLIF同步测量如图9所示。

图9 OH-PLIF和煤油-PLIF同步测量

体激光诱导荧光是在PLIF 基础上发展的目前最新颖的LIF 测量手段之一，基于燃烧器和光路的配置，建立笛卡尔坐标系，原点定义的中心，X轴定义为激光的传播方向，Y轴被定义为垂直于激光的传播方向，Z轴被定义为流动的方向。通过5 台像增强型相机作为捕获VLIF 信号的成像系统[32,34]。VLIF 测量系统如图10所示。

图10 VLIF测量系统[33]

VLIF 技术主要面对的问题有信号强度、3维视场（Field of View，FOV）和重建算法等方面。VLIF 当前主要应用在试验室条件下简单单组份（如CH）的测量当中。未来有望将模型燃烧室做成全玻璃透明式，或者在四周开5 个光学玻璃窗口，使用4 倍频Nd：YAG激光器作为激发光源，通过VLIF 技术获得立体的燃料浓度分布情况。

2 基于Raman散射燃料浓度分布测量

光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射，又称Raman 效应。Raman散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线（频率为v0）两侧对称地伴有频率为v0±vi（i=1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或Stokes 线，短波一侧的谱线称紫伴线或反Stokes 线；每种散射物质都有自己特定的频率差，频率差与入射光频率无关，由散射物质的性质决定，其中有些频率差与介质的红外吸收频率一致。相对于其他燃烧诊断技术，Raman 散射最显著的优点是只用1 个波长的激发激光就可用来监测流场中的多种组分，并且一般情况下不同物质的Raman 振动光谱几乎不重叠。实际应用时，Raman 散射的入射激光多为可见光或者紫外激光，其信号强度与入射激光频率的4 次方成正比。但Raman散射信号强度十分弱，导致在采集Raman散射信号方面存在一定的困难。

烃类通常是强Raman 散射体。Namazian 等[35]采用2 个相机系统采集CH4的Raman 散射信号，其中1台相机用于从甲烷浓度高的射流中心区域获取数据，第2 个更灵敏的相机用于从甲烷浓度较低的主燃料喷口附近区域获取数据。2 台相机的同时使用将测量的动态范围扩大了10 倍，允许浓度测量范围降至0.005摩尔分数。

Miles[36]建立了1 种基于Raman 散射的光学成像测量系统，用以研究内燃机的混合过程。该系统允许以亚毫米的空间分辨率对CO2、O2、N2、C3H8和H2O 的摩尔分数进行多点、单次激光射击测量，在-30θCAD处集成的样本图像如图11所示，其中θCAD为试验装置中曲柄角度，yCCD为用以标识空间位置的整数坐标。

图11 -30θCAD位置处集成的样本图像[36]

Egermann 等[37]采用线性Raman 散射技术同时测量了O2、N2、H2O 和燃料（异辛烷）的浓度，Raman 散射同步测量试验装置如图12 所示。试验采用3 倍频的Nd：YAG 激光器作为激发光源，采用脉冲扩展器降低了激光束的最大强度，防止高能量的激光对测量装置造成破坏并将空气击穿。激光束经过一系列的透镜和反射镜，在线形焦点处产生的Raman信号。

图12 Raman散射同步测量试验装置[37]

刘建胜等[38]利用可调谐的KrF 准分子激光激发振动Raman 散射（Vibrational Raman Scattering ，VRS）技术对甲烷-空气燃烧火焰内主要分子的组分浓度（CH4、N2、O2、H2O 等）进行了单次测量，并且通过1 次测量就可以同时给出温度及浓度参数；Barlow 等[39]采用线成像Raman/Rayleigh/CO-LIF 和交叉平面OHLIF 成像相结合的方法对槽形燃烧器上方稳定的CH4/空气湍流分层火焰进行了研究。这种用于线成像测量的新检测系统允许在0.104 mm 的分辨率下测定主要组分的浓度和当量比。新型光学采集系统如图13 所示。该系统使用1 个长通滤波器将Raman 相机监测的波长范围（550~700 nm）与Rayleigh 散射（532 nm）和CO荧光（480~488 nm）分离出来。

图13 新型光学采集系统[39]

综上所述，Raman散射技术的主要发展方向是解决Raman散射信号强度弱的问题。目前，用于增强弱Raman 散射信号的相干反Stokes Raman 散射（Coher⁃ent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS）技术已被广泛应用，并随着飞秒（fs）和皮秒（ps）激光器技术的问世和发展使得超快光谱CARS 技术快速发展。快光谱CARS 技术可以有效抑制非共振背景，极大地提高了测量的时间分辨率，进一步提高了测量的精度和范围。在近些年的研究中，Chloe 等[40]提出了一种同时激发多分子转-振跃迁和纯转动跃迁的混合飞秒/皮秒相干反Stokes Raman 散射（fs/ps CARS）系统，并对CH4的浓度进行了测量；Bohlin 等[41]利用利用双光束CARS 相位匹配技术实现了7 fs 泵浦光与Stokes 脉冲的重叠，通过75 ps 的交叉探测光束来提供准确的空间位置，并对CH4/空气火焰近壁区域的主要组分分布进行了1 维成像。根据上述对CH4浓度的研究，未来有望将超快光谱CARS 技术应用于复杂的高碳数烃浓度测量中。

3 基于Rayleigh散射燃料浓度分布测量

Rayleigh 散射是一种弹性光散射过程，入射光子与相互作用的分子或粒子之间不存在净能量交换。因此，散射光与入射光具有相同的波长，且散射光线的强度与入射光线波长的4 次方成反比。根据与入射辐射电场相互作用的粒子的大小，可以区分Ray⁃leigh 散射和Mie 散射，其中Rayleigh 散射是指光从直径远小于入射光波长（小于波长的十分之一）的分子或小粒子上的弹性散射[7]。

Rayleigh 散射目前是一种很常用的诊断方法，在湍流燃烧场检测中有广泛使用，经常用于2 维成像，以测量火焰中的温度和混合分数。与PLIF 相比，它不需要被研究的介质掺杂粒子或示踪分子，而且Ray⁃leigh 散射可以通过任何可见波长或紫外波长的激发来得到，并不需要共振跃迁激发。与Raman 散射相比，Rayleigh 散射的散射截面通常比相应的Raman 散射截面大3 个数量级，这使得通过Rayleigh 散射测量平均和波动分量时具有更高的时空分辨率[39]。另外，由于Rayleigh 散射信号与分子数密度具有简单的线性依赖关系，因此无需复杂的系统校准就可以直接测量出Rayleigh 散射信号的定量结果。然而，应用这种弹性散射诊断技术时，需要在光学装置中额外的注意。由于Mie散射过程通常比Rayleigh散射强几个数量级。因此，Rayleigh 信号经常会受到粒子和背景散射光的干扰，这使得对试验环境的要求十分苛刻。

Rayleigh信号强度IR与每种气体的摩尔分数Xi和散射截面σi以及气体的总数密度N成正比。对于理想气体的多组分混合物，Rayleigh散射强度IR为

式中：C为集合光学的校准常数；I1为入射激光光的强度[42]。

从式（4）中可见，若将Rayleigh 散射信号与燃料浓度联系起来，则必须确定燃料和空气的Rayleigh 散射截面。物种i的Rayleigh 散射横截面σi与垂直于入射光的偏振平面和折射率（n）有关

式中：ni为STP（标准温度和压力，273 K，101325 Pa）条件下气体的折射率。N0为Loschmidt 数（2.687×1019 cm-3），即STP 下理想气体的分子数密度；λ为波长，θ为散射角，即散射平面上入射方向与散射方向之间的角度；α为去极化比[43]。

去极化比α常用于描述分子各向异性的影响。对于各向同性分子（极化张量的对角所有元素都相等），α为零。对于各向异性分子（至少极化张量的2个对角化元素不相等），入射辐射场将在分子内引入1 个偶极矩，这一般与辐射的电场不平行。在这种情况下，α不等于零。大多数分子的去极化比都很小，变化范围可能从0 到大约0.15。在先前的一些研究中利用Rayleigh 散射截面的变化来获得物种摩尔分数的变化[44]。现在的大多数应用中，假定Rayleigh 散射截面是恒定的。但是，需要注意的是，截面随温度的升高略有增加。这种微弱的温度依赖性是由于能量更高的转动态和振动态数量增加，从而导致分子有效体积增大。

Espey 等[42-45]利用平面激光Rayleigh 散射（Planar Laser Rayleigh Scattering，PLRS）技术，获得了蒸发燃烧的柴油射流气相燃料浓度的定量图像。定量PLRS燃料浓度测量的光学装置如图14 所示。Rayleigh 散射所需的激光光源一般由2 倍频的Nd：YAG 激光器（λ=532 nm）产生。激光通过气缸壁顶部的1 个窗口进入气缸，与其中1 个燃料射流方向一致，并通过另一侧的窗口离开气缸。这种安排可以减少在柱体表面激光散射的数量，从而减少在Rayleigh 成像中产生的背景信号。

图14 定量PLRS燃料浓度测量的光学装置[42]

因为燃料射流中燃料摩尔分数和总数密度会随着温度的变化而发生变化。为此，Espey 等[42]采用了如下2 种方式来处理：假设柴油射流在气缸-空气环境下为等温的；利用绝热混合假设模拟了射流中的局部温度缺陷。并且通过研究证明了等温流场的假设对于燃料浓度的计算是相当准确的。需要注意的是，在当量比计算中，射流温度的不确定问题并不是Ray⁃leigh 散射诊断所特有的。对于任何用于测量燃料浓度的不可知论方法，必须解决未知的喷气温度问题，以便将信号还原为当量比（除非同时进行独立的空气浓度测量）。在燃料与空气绝热混合（无传热无传质）的假设下，可以采用热力学平衡的计算方法来确定所有燃料与空气比的绝热混合温度。将通过能量守恒定律推导出热力学平衡计算模型与理想气体定律和式（4）结合使用，就能确定基于绝热混合假设估计多种情况下的燃料浓度和当量比。

Fielding 等[46]证明了通过测量Rayleigh 信号的偏振和去偏振分量，并取它们的差异或适当的线性组合，可以获得燃料浓度。Rayleigh 散射的极化和去极化分量的信号分布如图15 所示。从图中可见，当极化Rayleigh 信号在单位混合分数下为最大时，去极化信号为零。

图15 Rayleigh散射的极化和去极化分量的信号分布[46]

Patton 等[47]使用校准、未强化、高分辨率的CMOS相机和一种独特的高能、高重复频率脉冲的脉冲激光系统（Pulse-Burst Laser System，PBLS），获得了不同雷诺数下丙酮湍流射流的瞬时图像。高速2维Rayleigh散射成像的试验装置如图16 所示，CMOS 与CCD 相机测量结果如图17所示。从图中可见，2种相机所得的结果之间差别很小。

图16 高速2维Rayleigh散射成像的试验装置[47]

图17 CMOS与CCD相机测量结果[47]

综上所述，Rayleigh 散射技术因测量环境要求较为苛刻，目前多应用于温度测量当中，在燃料浓度测量方面应用较少。为解决激光Rayleigh 散射技术诊断燃烧场时存在的Mie 散射和背景杂散光干扰问题。近些年发展了基于碘分子超精细吸收凹陷的滤波技术，即滤波Rayleigh 散射技术（Filtered Rayleigh Scat⁃tering，FRS），通过在待测高温流场和探测器之间放置碘分子滤波池，实现了对杂散光的有效抑制。一些试验研究已经证明滤波Rayleigh 散射技术极大提高了Rayleigh 散射信号的信噪比[48-50]。但此技术鲜有人应用于燃料浓度分布的测量方面，未来结合滤波Ray⁃leigh 散射在温度测量方面上的先进经验，可将ICCD探测到的滤波Rayleigh 散射信号S（与燃烧场温度和压力有关）与室温下浓度分布情况已知的标定装置的滤波Rayleigh 散射信号S0相比，定义出FRS 相对强度S*，以消除集合光学的校准常数和入射激光强度的影响。并且可根据上述VLIF 的试验装置，去除掉染料激光器，将FRS 的相对强度算法结合进VLIF 的重构算法当中，未来有望获得V-Rayleigh散射的测量结果。

4 基于Mie散射燃料浓度分布测量

Mie 散射理论是由麦克斯韦方程组推导出来的均质球形粒子在电磁场中对平面波散射的精确解。Mie 散射理论上适合于任何粒子尺度，目前一般把粒子直径与入射光波长相当的微观粒子所造成的散射称为Mie 散射。根据Lorenz-Mie 理论，Mie 散射的散射强度与频率的2 次方成正比，并且散射在光线向前方向比向后方向更强，方向性比较明显[51]。

Mie 散射一大技术优势就是试验系统相对简单且信号强度较强，一般可见光至紫外波段的激光器，甚至氙灯均可作为其光源。由于Mie 散射对大液滴较敏感，因此Mie 散射技术通常用于检测宏观下液态燃料的分布情况。Löfström 等[24]使用1 个Nd：YAG 激光器产生532 nm 波长的激光，通入到模型喷油装置中，通过Mie散射技术，用CCD相机捕捉到了Jet-A煤油液滴的定性分布情况。可见Mie 散射对于液态燃料浓度分布的定性测量十分有效，但定量测量一直是一个难题。且对于微小液滴的测量，由于散射光信号较弱，因此需要昂贵的像增强器作为探测器。为解决上述这些Mie 散射的测量问题，Kosaka 等[52]提出了一种定量测量喷雾燃料浓度的2 维Mie 散射新技术，2维Mie 散射成像光学布置如图18 所示。该试验装置采用单脉冲Nd：YAG 激光器作为光源，波长为532 nm，输出能量为170 mJ/pulse，脉冲持续时间小于10 ns。激光束被3 个圆柱形透镜膨胀和准直，从而得到1个高度为14 mm、厚度为0.11~0.19 mm的激光片光。圆柱形透镜以垂直的45°倾斜，使激光片光通过喷嘴孔附近的喷射截面，以45°横切喷射轴。液滴中的散射光由CCD 相机拍摄。将硅油溶解在基础燃料中，硅液滴的大小可以通过改变基础燃料中硅的百分比来控制，通过对硅液滴成像来描述燃料中小液滴的分布情况，并将喷嘴孔喷射压力和周围的气体密度作为定量测量的基准参数。

图18 2维Mie散射成像光学布置[52]

骆洪亮等[53]以某型号发动机典型工况为试验对象，利用Mie 散射的方法在定容燃烧弹中获取了宏观喷雾发展和撞壁的特征参数。定容弹Mie 散射测量系统如图19 所示，试验所用光源为氙灯，利用高速相机直接获取整个撞壁喷雾的轮廓特征，拍摄过程中光源和相机呈90°放置。拍摄到的原始图像和通过Mat⁃lab 编程设置阈值处理后图像分别如图20 所示。处理后的图片可以更好的找到喷雾的边缘有效区域，分辨出Mie散射光强的变化情况。

图19 定容弹Mie散射测量系统[53]

图20 Mie散射图像处理过程[53]

上述的研究主要应用于试验室条件下，并不能完全还原真实发动机内部情况。Pastor等[54]重现真实柴油发动机在低负荷下的工作条件，采用高速Mie 散射技术，获得了传统七孔喷嘴在高瞬态喷射条件下柴油喷射的液体长度。Mie散射用于液体长度测量如图21所示。2个连续的白光源（150 W石英卤素）配备8 mm液体光导轨，为燃烧室提供均匀的照明，并且有一定的倾斜，以防止窗口表面反射产生局部光学饱和。采用分割法对图像进行处理，即1 个原始图像被分成与喷嘴中的孔一样多的部分，得到用数字的直方图分布；应用PDF 统计确定1 个阈值，以获得喷雾剂的二值图像；最后，对每个扇区采用连通性算法建立每个喷雾的轮廓。

图21 Mie散射用于液体长度测量[54]

综上所述，Mie 散射可应用在液态燃料的浓度分布测量中，即通过捕捉燃料液滴的散射光来获得液体燃料液滴的分布情况。Mie 散射测量技术结构简单、光源和相机选择多样，可使用如PIV 系统光源、低燃料吸收率波长（如532 nm）下的PLIF 系统光源、氙灯等直接照射燃料液滴，采用高速相机、ICCD、CCD 相机等进行捕捉。但Mie 散射测量技术仅能探测出宏观的燃料液态分布结构，在捕捉细小粒子方面还存在一定局限性。且Mie 散射拍摄的原始图像为黑白的定性结果，需通过Matlab 等软件进行后续处理，并通过环境已知量进行定量标定。未来Mie 散射技术将会拓展到全局所有液滴（由大到小）的分布情况的探测，来获得更细致的液态燃料分布情况。通过对计算数据库的不断完善，更准确更完善的Mie 散射算法和程序被提出，Mie 散射技术未来将会同PLIF 技术一样，相机拍摄得到的原始图片直接通过电脑程序处理为信息更加丰富、更加准确的伪彩色图片，以减少后续处理的时间和增加试验结果分析的准确性。并可以以VLIF 技术为基础，将二值化图像处理算法与重构算法相结合发展V-Mie散射技术，来获得全方位立体的液态燃料分布情况。且由于Mie 散射技术对光源和相机要求较低，因此V-Mie 散射相比于VLIF 技术在测量设备方面的成本会低许多。

5 基于激光诱导击穿光谱燃料浓度分布测量

激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectrum，LIBS）是一种强大的诊断方法，可用于测量燃烧系统中的当量比、燃料成分和温度等。在这种技术中，1 个足够高能量的激光脉冲通过聚焦到1 个小体积上打破分子的化学键，将分子碎片初始化为元素成分。然后，在激发与目标分子分离的原子时，产生高温等离子体。可以记录和分析这些被激发原子在其弛豫过程中的发射情况，以定性和定量地确定样品的元素组成。在LIBS 中，如果等离子体处于局部热力学平衡（Local Thermodynamic Equilibrium，LTE），则光谱发射线的强度与原子激发态的数量呈线性相关

式中：I为光谱发射线的强度；N为激发态原子的粒子数；hv为被激光激发的单光子能量；E为原子的激发能；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；C为常数，与仪器参数、元素性质等因素有关；C、hv、E、k、T均为特定光谱发射线及给定试验条件下的常数。

也就是说，光谱发射线的强度在某些条件下随原子激发态的数量而直接变化。在LIBS 试验中，经常利用原子谱线的相对强度来获得原子种类的定性信息，而不受仪器参数的影响[55-56]。

LIBS 技术具有时空分辨率高、对环境要求低、响应时间快、非侵入性等优点。LIBS 技术收集受激发态发射的原子，不同于其他光学诊断技术受分子状态（例如燃烧或未燃烧的气体）的影响。LIBS 技术可以应用于任何物质的分析，而不管其物理状态如何，为实时的多元素分析提供了可能[57-59]。尤其应用于恶劣环境中十分有效。目前LIBS 技术成功地对低碳数烃燃料（如甲烷和丙烷）的局部当量比测量进行了许多研究，Ferioli 等[63]在试验室条件下对标准汽车发动机中的甲烷/空气进行了定量的局部当量比测量。甲烷/空气单镜头光谱如图22 所示，其中CN 的发射光谱是由于等离子体中产生的C 和N 重组成了CN*，当量比可由N 或O 峰与C 或CN 信号之间的比值得到。CN 比与UEGO 传感器测量的当量比之间的相关性如图23所示，结果表明LIBS预测的单次当量比的平均值与UEGO传感器读数较吻合，证明了此方法的准确性。

图22 甲烷/空气单镜头光谱[50]

图23 CN比与UEGO传感器测量的当量比之间的相关性[50]

由于煤油是一种由多种高碳数烃类燃料组成的混合复合物。它的分解阈值和光谱与甲烷等低碳氢烃燃料有很大的不同，因此Zhang 等[55]在设计制造的模拟超声速燃烧状态的高温高压试验箱中通过LIBS技术对预混煤油/空气进行了局部当量比的定量测定，LIBS 诊断系统装置如图24。LIBS 测量时通过使用2倍频Nd：YAG 激光器输出532 nm 波长，使受激原子产生了预混煤油/空气气体的LIBS信号。测量结果通过ICCD 相机进行采集，LIBS试验中预混煤油/空气气体的典型光谱如图25所示。在预混煤油/空气气体的LIBS试验中，H/O或H/N的值与原子的相对浓度成正比，即H/O 或H/N 的值与试验单元中预混煤油/空气气体的当量比线性对应。根据其线性关系做出的校准线作为LIBS技术定量局部当量比测量的基本数据。

图24 LIBS诊断系统装置[55]

图25 LIBS试验中预混煤油/空气气体的典型光谱[55]

综上所述，LIBS 技术理论上可对任何燃料进行测量，目前LIBS 技术主要应用在甲烷等气体燃料的浓度测量中。LIBS 技术虽测量功能强大，但无法直接获得燃料浓度分布的图像，需要通过原子光谱进行分析获得其燃料当量比情况，进而反推出燃料浓度情况。其中环境气体氛围包括气体的种类和压强等是影响等离子体演化以及等离子体光谱特征的重要因素，随着环境压力的改变，等离子体的尺寸、电子数密度、特征谱线强度以及入射激光能量的吸收比例都会发生变化[64]。目前国内外学者们对LIBS 光谱信号的增强进行了深入研究，通过双脉冲LIBS、fs-LIBS、ns-LIBS等光谱信号增强技术可使LIBS技术的稳定性与检测精度得到极大提升[65-66]。其中在双脉冲LIBS 中提出了一种共振激发（LIBS-LIF）技术，该技术在LIBS 激发等离子的基础上，再利用特定波长的激光照射等离子体，检测其荧光信号[67]。该方法大幅提高了LIBS 的灵敏度和选择性，在燃料浓度测量方面有很大的应用前景。并且LIBS 技术根据其不受样品形态影响的特点，未来有望实现液态燃料的浓度测量。随着高功率脉冲激光器，宽带高分辨多道光谱仪，分析方法等技术取得突破性进展，LIBS 技术未来将会在降低背景，提高信噪比方面不断改进，使得LIBS 技术在燃料检测领域得到广泛应用。

6 基于可调谐二极管激光吸收光谱燃料浓度分布测量

可调二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectrum，TDLAS）技术是通过调制激光波长，使其通过被测气体的特征吸收区，在二极管激光器与长光程吸收技术相结合的基础上发展起来的新的痕量气体检测方法。TDLAS 具有设备质量轻、占用空间小、环境适应能力强、测量数据精度高、在线实时测量等特点[68]。然而，TDLAS的不足之处在于它是一种线测量技术，即测得的光谱吸收信号是沿测量路径的积分值，反演的气体浓度值则是该光路上的平均值，不能反映待测区域的场分布情况。目前随着可调谐半导体激光器技术的快速发展，其覆盖的波段越来越宽，几乎覆盖了整个近红外和中红外波段[69]，在输出功率、激光器线宽方面也都有了极大提高。

TDLAS 测量时需要扫描气体的单根或多根完整的吸收线，因此要求激光器线宽远小于吸收光谱线宽。目前广泛使用的激光器有分布反馈二极管激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）、垂直腔表面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VC⁃SELs）、外腔二极管激光器（External-Cavity Diode La⁃ser，ECDL）和量子级联激光器（Quantum Cascade La⁃ser，QCL）等[70-71]。一般来说近红外的DFB 激光器和He-Ne激光器可以满足燃料浓度测量的要求，且无需冷却，结构紧凑，输出稳定[72]。

TDLAS 技术的基本原理为：当只使用1 个波长的光，如激光，并且光的强度I通过气体沿测量长度L衰减到I0值时，透射率由兰伯特-比尔定律表示

式中：ε 和c分别为吸收光的气体的摩尔吸收系数和摩尔浓度。

吸收系数取决于试验区的压力和温度。当测量长度恒定时，可以通过测量透过率来确定浓度。试验时大多选取的吸收波长为3.39 μm，因为大多数碳氢化合物在这个波长附近都有很强的吸收带。然而，对于特定波长的异辛烷或汽油等燃料的吸收系数在目前阶段尚不清楚。因此，必须根据发动机中的条件，预先测量燃油的吸收系数。

Tomita 等[73]用红外激光吸收法测量了火花点火发动机火花塞附近的燃料浓度，并在定容容器中，通过改变压力和温度来确定摩尔吸收系数的值。异辛烷在不同压力和温度下的摩尔吸收系数如图26 所示。从图中可见，摩尔吸收系数随温度升高而增大，随压力升高而减小。

图26 异辛烷在不同压力和温度下的摩尔吸收系数[73]

火花点火发动机试验装置如图27 所示。用锑化铟(InSb)红外探测器通过带通滤波器对激光进行检测。在每个曲柄角度都记录红外探测器信号。根据方程7中的兰伯特-比尔定律，在测量透光率信号时，确定了火花塞附近的燃料浓度。50 至10°上止点前（Before Top Dead Center，BTDC）的空气/燃料比（A/F）的最终结果[73]如图28所示。

图27 火花点火发动机试验装置[73]

图28 50°至10°BTDC（上止点前）的空气/燃料比（A/F）的最终结果[73]

Drallmeier[74]设计了一种红外消光技术的光学结构，并对脉冲燃料（异辛烷）喷雾中蒸汽的摩尔分数进行了定量测量。该系统使用共轴的可见光和红外光系统，以及1 个独特的夹层探测器作为1 个紧凑的系统。该系统可以同时检测可见和红外2 个波长光的辐射信号。共轴光学系统如图29所示。

图29 共轴光学系统[74]

由于He-Ne 激光器对环境条件很敏感，同时在多个离散波长发出散射辐射和相干光。此外，3.39 μm 处吸收的是所有碳氢燃料所共有的C-H 不对称拉伸键，而不同碳氢化合物具有不同的吸收系数。因此，传感器需要根据运行过程中遇到的每种燃料混合物进行校准。所以，红外吸收法在燃气轮机中的实际应用存在局限性。Li 等[75]开发了一种快速（2 kHz）近红外可调谐二极管激光器（Tunable Diode Laser，TDL）吸收传感器，用于实时测量燃气轮机燃烧室中的甲烷浓度（以及当量比）。该非侵入性传感器基于固定波长的激光吸收在1.65 μm 附近的甲烷，在此吸收波长上不受其他物质吸收的干扰，目前已广泛用于远程检测管道中甲烷的泄漏情况[76-77]。大气压下燃气轮机燃烧室试验台如图30 所示。从图中可见，在燃料/空气混合物进入燃烧室之前，TDL传感器的激光束被透镜准直并定向穿过燃烧室，通过采样探头测量在冷流混合试验中激光束位置横截面上的甲烷浓度。

图30 大气压下燃气轮机燃烧室试验台[75]

在最新的研究中，Porter 等[78]发明了一种新型双波长中红外激光吸收诊断方法，用于同时测量气相燃料摩尔分数和液体燃料膜厚度。该测量技术的一个潜在应用是在能够在燃烧环境中获得准确的蒸汽摩尔分数值。

综上所述，TDLAS 技术是一种比较成熟的光谱检测技术，适合于气体燃料和燃料气相浓度的测量。该技术需要通过改变激光器输入电流或温度来调谐激光器输出波长，获得高分辨率的气体吸收光谱。从而根据光谱进行分析，来获得燃料的参数信息。通过对波长的调节，TDLAS 可以同时分析多种物质，并且测量精度较高，因此TDLAS 可以帮助验证PLIF 和Rayleigh 散射测量结果的准确性。目前基于TDLAS发展出了一种流场2 维非均匀参数测量技术（Tun⁃able Diode Laser Absorption Tomography，TDLAT），该技术根据不同角度下光线经过待测流场后的衰减激光信号，结合CT算法得到被测流场的场分布图像[69]。Xia等[79]通过TDLAT 技术重构出了平面炉炉面温度和水汽浓度分布图像，后续随着测量方法的进一步完善，重建算法的不断优化，未来TDLAT 技术有望应用在燃料浓度测量当中。并且随着测量环境和测量需求的越来越苛刻，未来TDLAS 技术将会朝着气体浓度的检测极限更低、环境适应性更强、测量系统更稳定、测量参数更多、更小型化等趋势发展，以满足更加多样、复杂的测量需求。

7 基于激光的各燃料浓度分布测量技术优缺点

本文介绍了示踪分子-PLIF、煤油-PLIF、Raman散射、Rayleigh 散射、Mie 散射、LIBS、TDLAS 技术的基本工作原理和方法，燃料浓度分布测量技术的主要特点见表2。

表2 燃料浓度分布测量技术的主要特点

从表中可见，示踪分子-PLIF、煤油-PLIF 技术需要特定的波长进行激发，TDLAS 需要调制出特定的吸收波长，其余测量方法对波长无具体要求，燃料吸收率低即可。对于低碳数径（如CH4等）可采用Ra⁃man 散射、Rayleigh 散射、LIBS、TDLAS 进行测量。对于液态高碳数烃类，可采用PLIF、Raman 散射和Mie散射进行测量；对于气态高碳数烃类，可采用PLIF、Raman 散射、Rayleigh 散射、LIBS、TDLAS 进行测量。PLIF、Rayleigh 散射、Mie 散射技术可对燃料浓度的分布情况进行2维可视化成像，Raman散射、LIBS和TD⁃LAS技术不能直接获得燃料浓度的分布情况，需通过测得的光谱结果反演出浓度分布情况。

可见每种技术对应的测量环境和测量能力都有所差别，因此在实际工程应用中选择测量方法时，应根据具体情况选择合适的方法。此外Mie 散射技术和TDLAS 技术因其设备相对简单、且价格相对便宜，因此使用这2 种技术所需成本较低。PLIF 同步测量多种组分时，传统方式需2 套PLIF 设备造价较高，当其中1 种组分不需要染料激光器时，为节约成本可在能量满足条件的情况下采用单台高能量激光器进行分频方式实现多种物质的检测与测量。

8 总结

（1）依据不同物质荧光特性，基于单台高能量激光器半定量/定量测量的多组分LIF未来有望实现，可节省很大一部分设备成本。并且有望通过VLIF 技术实现燃烧内燃料浓度分布的立体成像，并根据VLIF的技术基础发展出V-Rayleigh 散射技术、V-Mie 散射技术等立体成像测量技术，实现发动机内部燃料浓度分布的高速瞬时演化过程的3D成像测量。

（2）随着超快光谱CARS 等技术的发展，Raman散射技术将会朝着信号更强、时空分辨率更高、测量燃料更复杂的方向发展。随着激光器、光谱仪技术、分析方法的不断发展进步，LIBS 技术的信噪比水平将会得到提升。并且有望实现采用LIBS 技术对液态燃料浓度进行测量。通过目前正在发展的TDLAT 技术可实现TDLAS 的2 维可视化成像，但要想将TD⁃LAT技术应用在燃料浓度测量方面，还需解决在测量方法、重构程序等方面存在的诸多问题。并且随着激光器性能不断提升、燃料吸收系数的不断完善，TD⁃LAS 技术将会朝着测量更方便、传感器更稳定、环境适应性和燃料适应性更强的方向发展，使得其在在发动机领域得到更多应用。

（3）尚不存在一种激光诊断技术能够满足所有的测量环境，每种方法都有其优缺点及局限性，需通过熟悉各项激光测量技术的工作原理和应用条件，把握具体燃烧场、浓度场的特性及测量需求，对不同测量方法进行对比，选择最适合的测量技术。相信在不久的将来，激光诊断技术在不断完善发展中会进一步应用于更接近实际的复杂燃烧环境中，获得更准确、更真实的结果。