本发明涉及一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法，是利用近红外激光吸收光谱诊断技术直接测量电弧加热器喷管出口自由流的流场参数，基于H2O双线测温获得电弧加热器喷管出口自由流的气流温度和速度，结合热平衡气流焓值与温度、压力的定量关系获得喷管出口的当地气流总焓，该方法提高了焓值测量的精度，适用于焓值范围1500kJ/kg‑7500kJ/kg内的管式、交流、长分段等多种类型的低焓电弧加热器气流焓值测量；同时该方法为一种非接触式的测量方法，对流场没有干扰，不依赖于其他测量参数和机械加工的精度，可实现流场参数的精确测量，可作为目前焓值测量方法的有力补充。
1.一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：包括激光发射单元(3)、单模光纤(4)、光学调整单元(5)、光纤耦合器(6)、激光接收单元(7)和数据分析终端(8)，所述光学调整单元(5)包括发射调整机构和收集调整机构，其中：激光发射单元(3)产生两束激光信号，通过单模光纤(4)分别传递给光学调整单元(5)的发射调整机构，所述发射调整机构上的两路光路发射通道分别对所述两束激光信号进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管(2)出口的超声速气流；
通过超声速气流的两路激光信号被所述光学调整单元(5)的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器(6)进行耦合，之后传递给激光接收单元(7)，所述激光接收单元(7)将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端(8)；
所述数据分析终端(8)对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管(2)出口的超声速气流的总焓；
所述超声速气流由外部电弧加热器(1)对进入的试验介质进行加热，再经喷管(2)膨胀加速后在喷管(2)的出口形成。
2.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述夹角θ的取值为30°～60°。
3.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述数据分析终端(8)对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管(2)出口的超声速气流的总焓的方法为：数据分析终端(8)对所述接收的电信号进行分析处理，获得所述电信号的光谱吸收信号，根据所述光谱吸收信号获得所述超声速气流的温度和速度，进一步得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温和总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。
4.根据权利要求3所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述数据分析终端(8)对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管(2)出口的超声速气流的总焓的具体方法如下：(1)、从接收的两路电信号中分别选择同一个周期的电信号数据，基于所述同一个周期电信号数据的非吸收部分，进行多项式处理，获得各自的背景信号；
(2)、将所述同一个周期的电信号数据分别与对应的背景信号进行相除后取对数，获得两组光谱吸收曲线；
(3)、基于Levenberg–Marquardt迭代算法，对所述两组光谱吸收曲线进行Voigt曲线拟合，获得所述两组光谱吸收曲线的积分吸收面积A1和A2，两组光谱吸收曲线的中心波长v01和v02，根据所述积分吸收面积A1和A2获得所述超声速气流的温度T，计算公式如下：其中：C1，C2为光谱常数相关量；
其中：E″1,E″2为两路激光信号吸收跃迁的低能级能量，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T0为参考温度，S1(T0)，S2(T0)为温度为T0时两路激光信号吸收跃迁的线强度；
其中：c为光速，v01,λ01分别为一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，v02,λ02分别为另一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，θ为两路激光信号的夹角；
(5)、根据所述超声速气流的温度T和速度V，依据热完全气体状态计算公式得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温和总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。
5.根据权利要求4所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述总焓与总温和总压的定量关系，通过NASA CEA热化学平衡计算软件获得高温平衡空气表，结合总温和总压获得所述超声速气流的总焓。
6.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述光学调整单元(5)中的发射调整机构和收集调整机构分别固定安装在喷管(2)出口两侧，其中发射调整结构和收集调整机构的端面分别与喷管(2)出口两侧的端面齐平；所述光学调整单元(5)采用电磁屏蔽封装处理和阻尼隔震处理。
7.根据权利要求6所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述发射调整机构内置两路光路发射通道，所述光路发射通道内置准直透镜，将所述两路激光信号准直成平行光；所述收集调整机构内置两路光路收集通道，所述光路收集通道内置短焦距透镜和窄带滤波片，利用短焦距透镜对所述通过超声速气流的两路激光信号进行聚焦，再经窄带滤波片进行滤波处理。
8.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述激光接收单元(7)包括硅光电探测器和录波仪，经光纤耦合器(6)耦合后的激光信号被所述硅光电探测器采集，并转换为电信号，之后传递给所述录波仪，被录波仪采集后传递给数据分析终端(8)。
9.根据权利要求8所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述硅光电探测器响应带宽高于10MHz，所述录波仪采集带宽在0.2-1GHz之间。
10.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述激光发射单元(3)采用分时调谐机制，在一个周期内先后输出中心波长分别为λ1和λ2的可调谐激-1光信号，可调谐波长范围：±0.5～2cm ；所述激光发射单元(3)的时间分辨能力为10kHz量级。
11.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述电弧加热器(1)为管式或交流或长分段电弧加热器。
12.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述喷管(2)为矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管，均为超声速喷管。
13.一种低焓电弧加热器气流焓值诊断方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、外部电弧加热器(1)对进入的试验介质进行加热，再经喷管(2)膨胀加速后在喷管(2)的出口形成超声速气流；
步骤(2)、激光发射单元(3)产生两束激光信号，通过单模光纤(4)分别传递给光学调整单元(5)的发射调整机构，两束激光信号分别经所述发射调整机构上的两路光路发射通道进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管(2)出口的超声速气流；
步骤(3)、通过超声速气流的两路激光信号被所述光学调整单元(5)的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器(6)进行耦合，之后传递给激光接收单元(7)；
步骤(4)、所述激光接收单元(7)将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端(8)；
步骤(5)、所述数据分析终端(8)对接收的电信号进行分析处理，获得所述电信号的光谱吸收信号，根据所述光谱吸收信号获得所述超声速气流的温度和速度，进一步得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温和总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。
一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法，属于飞行器地面气动热试验研究领域。
背景技术
[0002] 电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要试验平台，其通过电弧加热的方式产生高温气流，模拟飞行器再入过程中的焓值和热流参数，开展热防护系统的地面试验研究。对于气动热地面模拟试验，其关键之一在于获得准确的模拟参数：气流总焓。
[0003] 目前关于电弧加热器焓值测量主要有以下几种方法：
[0004] 1.能量平衡法。
[0005] 这种方法是通过投入的功率(电弧电压×电弧电流)减去电弧加热器各部件冷却水带走的能力损失获得净投入功率，净投入的功率与质量流量之比即为气体总焓。这种方法非常简单，但是它对于电弧加热器各部件冷却水能量损失的测量要求很高，在空气流量较低时，其误差会进一步方法，目前不作为本研究室焓值测量的首选手段。
[0006] 2.平衡声速法。
[0007] 平衡声速流量法是假定喷管喉道前的气流处于热平衡、等熵、一元均质流、定常条件下，利用连续方程、能量方程和高温气体热力学性能，通过测量电弧加热器内的压力，上游供气流量，喷管喉道来获得总焓。该方法是由Winovich,W在1964年通过大量实验数据拟合而成，目前已成为应用最广泛的一种焓值确定方法之一。但应用平衡声速法测量焓值主要面临三个问题：
[0008] 1)拟合公式与对应实际试验数据存在偏差，Winovich提出，公式(1) 中的偏差在4％左右，反映到焓值的偏差在10％。NASA研究人员在AIAA 2011-3475一文中提出，保守估计，在95％置信度上该公式计算值偏差高于5％；
[0009] (2)方法本身依赖于混合室压力、供气压力、供气温度测量精度和音速喷嘴直径、喷管喉道直径的机械加工精度。气流总焓对上述参数变化非常敏感，混合室压力、上游压力测量变化1％，反映到焓值变化均为 2.519％；音速喷嘴直径、喷管喉道直径变化1％，反映到焓值变化均高于 5％，而喷管喉道经受多车次、长时间的高热流烧蚀，其实际喉道面积与名义面积的偏差不断变大，这些因素的影响对于焓值精确测量提出了很高的要求；
[0010] (3)该方法获得气体总焓是喷管前加热器混合室内的容积焓，在喷管绝热假设下，将其等同于喷管出口自由流的当地气流总焓。对于实际电弧风洞试验，喷管部分存在热损失，出口气流总焓和混合室内容积焓之间存在偏差。
[0011] 在热平衡流条件下，气体总焓是当地总温和总压的函数，在确定总温和总压后可通过高温热力学参数表获得气体总焓，而气流总温可通过直接测量喷管出口自由流的静温和速度获得。在流场参数测量方面，以激光吸收光谱技术为代表的非接触式光谱测量方法具备对流场温度、速度、浓度、压力等参数实时诊断能力、定量准确且对流场无干扰的优点，是国际上高温气流诊断研究的重要方向，在超燃诊断、大型高超风洞流场测量以及工业废气监测等方面的成果卓著。Stanford大学的R.K.Hanson研究小组自世纪70年代开始进行激光吸收光谱燃烧诊断方面的工作，近年来，其研究小组利用H2O双线测温吸收光谱技术开展对超燃冲压发动机燃烧室内气流温度、组分浓度和速度的定量测量，选用合适谱线可实现从常温-3000K温度范围内的精确测量，温度测量精度低于5％。这个温度范围涵盖了目前低焓电弧加热器喷管出口自由流的静温范围，H2O激光吸收光谱技术是进行喷管出口流场诊断的理想手段，可精确测量出口自由流的总焓，但该方法目前缺乏在电弧加热器地面试验焓值测量的直接应用，没有给出具体的解决方案。
发明内容
[0012] 本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，通过激光吸收光谱直接测量电弧加热器喷管出口自由流流场参数，获得喷管出口的气流总焓，直接跳过了传统焓值测量方法对其他流体参数测量和机械加工精度的依赖，可直接获取电弧加热器气动热地面模拟试验过程中模型热考核的当地气流总焓参数。
[0013] 本发明的另外一个目的在于提供一种低焓电弧加热器气流焓值诊断方法。
[0014] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
[0015] 一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，包括激光发射单元、单模光纤、光学调整单元、光纤耦合器、激光接收单元和数据分析终端，所述光学调整单元包括发射调整机构和收集调整机构，其中：
[0016] 激光发射单元产生两束激光信号，通过单模光纤分别传递给光学调整单元的发射调整机构，所述发射调整机构上的两路光路发射通道分别对所述两束激光信号进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管出口的超声速气流；
[0017] 所述通过超声速气流的两路激光信号被所述光学调整单元的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器进行耦合，之后传递给激光接收单元，所述激光接收单元将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端；
[0018] 所述数据分析终端对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管出口的超声速气流的总焓；
[0019] 所述超声速气流由外部电弧加热器对进入的试验介质进行加热，再经喷管膨胀加速后在喷管的出口形成。
[0020] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述夹角θ的取值为30°～ 60°。
[0021] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述数据分析终端对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管出口的超声速气流的总焓的方法为：数据分析终端对所述接收的电信号进行分析处理，获得所述电信号的光谱吸收信号，根据所述光谱吸收信号获得所述超声速气流的温度和速度，进一步得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。
[0022] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述数据分析终端对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管出口的超声速气流的总焓的具体方法如下：
[0023] (1)、从接收的两路电信号中分别选择同一个周期的电信号数据，基于所述同一个周期电信号数据的非吸收部分，进行多项式处理，获得各自的背景信号；
[0024] (2)、将所述同一个周期的电信号数据分别与对应的背景信号进行相除后取对数，获得两组光谱吸收曲线；
[0025] (3)、基于Levenberg–Marquardt迭代算法，对所述两组光谱吸收曲线进行Voigt曲线拟合，获得所述两组光谱吸收曲线的积分吸收面积A1和A2，两组光谱吸收曲线的中心波长v01和v02，根据所述积分吸收面积A1和A2获得所述超声速气流的温度T，计算公式如下：
[0026]
[0027] 其中：C1，C2为光谱常数相关量；
[0028]
[0029]
[0030] 其中：E″1,E″2为两路激光信号吸收跃迁的低能级能量，h为普朗克常数， c为光速，k为玻尔兹曼常数，T0为参考温度，S1(T0)，S2(T0)为温度为T0时两路激光信号吸收跃迁的线强度。
[0031] (4)、所述超声速气流的速度V通过如下公式得到：
[0032]
[0033] 其中：c为光速，v01,λ01分别为一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，v02,λ02分别为另一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，θ为两路激光信号的夹角。
[0034] (5)、根据所述超声速气流的温度T和速度V，依据热完全气体状态计算公式得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。
[0035] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述总焓与总温、总压的定量关系，通过NASA CEA热化学平衡计算软件获得高温平衡空气表，结合总温和总压获得所述超声速气流的总焓。
[0036] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述光学调整单元中的发射调整机构和收集调整机构分别固定安装在喷管出口两侧，其中发射调整结构和收集调整机构的端面分别与喷管出口两侧的端面齐平；所述光学调整单元采用电磁屏蔽封装处理和阻尼隔震处理。
[0037] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述发射调整机构内置两路光路发射通道，所述光路发射通道内置准直透镜，将所述两路激光信号准直成平行光；所述收集调整机构内置两路光路收集通道，所述光路收集通道内置短焦距透镜和窄带滤波片，利用短焦距透镜对所述通过超声速气流的两路激光信号进行聚焦，再经窄带滤波片进行滤波处理。
[0038] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述激光接收单元包括硅光电探测器和录波仪，经光纤耦合器耦合后的激光信号被所述硅光电探测器采集，并转换为电信号，之后传递给所述录波仪，被录波仪采集后传递给数据分析终端。
[0039] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述硅光电探测器响应带宽高于10MHz，所述录波仪采集带宽在0.2-1GHz之间。
[0040] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述激光发射单元采用分时调谐机制，在一个周期内先后输出中心波长分别为λ1和λ2的可调谐激光信号，可调谐波长范围：±0.5～2cm-1；所述激光发射单元的时间分辨能力为 10kHz量级。
[0041] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述电弧加热器为管式或交流或长分段电弧加热器。
[0042] 在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述喷管为矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管，均为超声速喷管。
[0043] 一种低焓电弧加热器气流焓值诊断方法，包括如下步骤：
[0044] 步骤(1)、外部电弧加热器对进入的试验介质进行加热，再经喷管膨胀加速后在喷管的出口形成超声速气流；
[0045] 步骤(2)、激光发射单元产生两束激光信号，通过单模光纤分别传递给光学调整单元的发射调整机构，两束激光信号分别经所述发射调整机构上的两路光路发射通道进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管出口的超声速气流；
[0046] 步骤(3)、通过超声速气流的两路激光信号被所述光学调整单元的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器进行耦合，之后传递给激光接收单元；
[0047] 步骤(4)、所述激光接收单元将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端；
[0048] 步骤(5)、所述数据分析终端对接收的电信号进行分析处理，获得所述电信号的光谱吸收信号，根据所述光谱吸收信号获得所述超声速气流的温度和速度，进一步得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。
[0049] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0050] (1)、本发明利用H2O双线测温的非接触式可调谐激光吸收光谱技术，设计一套新型的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，测量电弧加热器喷管出口自由流的气流温度，避开了电弧风洞试验调试过程气流量、加热器弧室压力等各种参数引起的误差，简化了试验流程，可以直观、迅速的获得高温气流的焓值，提高了焓值测量精度，焓值测量误差在5％-10％，是评估气动热地面试验模拟参数的一种新型非接触光学测量手段。
[0051] (2)、本发明提出利用激光吸收光谱诊断技术直接测量电弧加热器喷管出口自由流的流场参数，获得热防护材料地面考核试验当地流场的气流总焓，这种方法是一种非接触式的测量方法，对流场没有干扰，不依赖于其他测量参数和机械加工的精度，可实现流场参数的精确测量，可作为目前焓值测量方法的有力补充。
[0052] (3)、本发明提出的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法，是利用近红外激光吸收光谱诊断技术直接测量电弧加热器喷管出口自由流的流场参数，基于H2O双线测温获得电弧加热器喷管出口自由流的气流温度和速度，结合热平衡气流焓值与温度、压力的定量关系获得喷管出口的当地气流总焓，该方法提高了焓值测量的精度，适用于焓值范围1500kJ/kg -7500kJ/kg内的管式、交流、长分段等多种类型的低焓电弧加热器气流焓值测量。
[0053] (4)、本发明是直接测量气动热地面试验模型热考核当地来流的气流总焓，可以更有效的评估电弧加热器地面模拟的总焓参数，为飞行器防热材料地面考核提供准确的模拟热环境。
[0054] (5)、本发明的光学系统可以通过电机传动对光路进行精细、高效调节，降低强电、机械噪声，获得高信噪比的测量结果。
[0055] (6)、本发明具有非常高的时间分辨率，可实现数10kHz量级的流场焓值分辨。
附图说明
[0056] 图1为本发明低焓电弧加热器气流焓值诊断系结构布局示意图；
[0057] 图2为本发明实施例1中H2O双谱线强度和线强度之比随温度的变化关系图；
[0058] 图3为本发明实施例1中高温平衡空气的气流焓值与温度、压力的关系图。
具体实施方式
[0059] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0060] 如图1所示为本发明低焓电弧加热器气流焓值诊断系结构布局示意图，由图可知本发明低焓电弧加热器气流焓值诊断系统包括激光发射单元 3、单模光纤4、光学调整单元5、光纤耦合器6、激光接收单元7和数据分析终端8，其中光学调整单元5包括发射调整机构和收集调整机构。
[0061] 电弧加热器1对进入的试验介质进行加热，形成高温气流，经喷管2 膨胀加速后在喷管出口形成超声速气流(马赫数大于1)。
[0062] 光学调整单元5中的发射调整机构和收集调整机构分别固定安装在喷管2出口两侧，其中发射调整结构和收集调整机构的端面分别与喷管2出口两侧的端面齐平。激光发射单元3产生两束激光信号，通过单模光纤4 分别传递给光学调整单元5的发射调整机构，发射调整机构上的两路光路发射通道分别对所述两束激光信号进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管2出口的超声速气流。其中发射调整机构内置两路光路发射通道，光路发射通道内置准直透镜，将两路激光信号准直成平行光。收集调整机构内置两路光路收集通道，光路收集通道内置短焦(5-10mm)距透镜和窄带(±2-10nm)滤波片，利用短焦距透镜对通过超声速气流的两路激光信号进行聚焦，再经窄带滤波片进行滤波处理。
[0063] 光路发射通道和光路收集通道采用电机传动，整体均可三维方向整体移动和旋转，便于激光信号的调整。同时光学调整单元5采用电磁屏蔽封装处理和阻尼隔震处理有利于降低电弧加热器运行过程的强电噪声和机械噪声影响。
[0064] 具体地，本发明实施例中夹角θ的取值为30°～60°。
[0065] 通过超声速气流的两路激光信号被光学调整单元5的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器6进行耦合，之后传递给激光接收单元7，激光接收单元7将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端8。
[0066] 激光接收单元7包括硅光电探测器和录波仪，经光纤耦合器6耦合后的激光信号首先被硅光电探测器采集，并转换为电信号，之后传递给录波仪，被录波仪采集后传递给数据分析终端8。硅光电探测器响应带宽高于 10MHz，所述录波仪采集带宽在0.2-1GHz之间。
[0067] 激光发射单元3采用分时调谐机制，在一个周期内先后输出中心波长分别为λ1和λ2的可调谐激光信号，可调谐波长范围：±0.5～2cm-1。具体地，本发明实施例中，输出分别在6807cm-1和7185cm-1附近的可调谐激光信号，可以在满足实时测量两路激光信号的同时，降低对于光路布置的要求，激光发射单元的时间分辨能力可以到10kHz量级。
[0068] 电弧加热器1为管式或交流或长分段电弧集热器，主要应用于低焓、、中高压气动热地面热考核试验。
[0069] 喷管2为矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管，为超声速喷管。
[0070] 数据分析终端8对接收的电信号进行分析处理，获得电信号的光谱吸收信号，根据光谱吸收信号获得超声速气流的温度和速度，进一步得到超声速气流的总温，测量得到超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得超声速气流的总焓，具体方法如下：
[0071] (1)、从接收的两路电信号中分别选择同一个周期的电信号数据，基于所述同一个周期电信号数据的非吸收部分，进行多项式处理，获得各自的背景信号；
[0072] (2)、将同一个周期的电信号数据分别与对应的背景信号进行相除后取对数，获得两组光谱吸收曲线；
[0073] (3)、基于Levenberg–Marquardt迭代算法，对上述两组光谱吸收曲线进行Voigt曲线拟合，获得两组光谱吸收曲线的积分吸收面积A1和A2，两组光谱吸收曲线的中心波长v01和v02，C1，C2是仅与光谱常数相关的量，根据积分吸收面积A1和A2获得所述超声速气流的温度T，计算公式如下：
[0074]
[0075] 其中：C1，C2为光谱常数相关量；
[0076]
[0077]
[0078] 其中：E″1,E″2为两路激光信号吸收跃迁的低能级能量，h为普朗克常数， c为光速，k为玻尔兹曼常数，T0为参考温度，S1(T0)，S2(T0)为温度为T0时两路激光信号吸收跃迁的线强度。
[0079] 上述激光发射信号穿过上述超声速气流，由于多普勒频移，透射激光信号的中心波长会发生漂移，波长漂移量与速度成正比，通过上述中心波长v01和v02与光谱数据库中各自的实际波长值相减，可以的到两组波长漂移量Δν01和Δν02，依据多普勒频移关系获得两组上述超声速气流的速度V1和 V2，两组速度的一致特性可以保证速度测量的准确性和有效性。
[0080] (4)、所述超声速气流的速度V通过如下公式得到：
[0081]
[0082] 其中：c为光速，v01,λ01分别为一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，v02,λ02分别为另一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，θ为两路激光信号的夹角。
[0083] (5)、根据上述超声速气流的温度T和速度V，依据热完全气体状态计算公式得到所述超声速气流的总温，测量得到超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得超声速气流的总焓。
[0084] 具体地，本发明实施例中，总焓与总温、总压的定量关系，可以通过 NASA CEA热化学平衡计算软件获得高温平衡空气表，结合总温和总压获得所述超声速气流的总焓。
[0085] 本发明低焓电弧加热器气流焓值诊断方法，具体包括如下步骤：
[0086] 步骤(1)、外部电弧加热器1对进入的试验介质进行加热，再经喷管2 膨胀加速后在喷管2的出口形成超声速气流。
[0087] 步骤(2)、激光发射单元3产生两束激光信号，通过单模光纤4分别传递给光学调整单元5的发射调整机构，两束激光信号分别经所述发射调整机构上的两路光路发射通道进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管2出口的超声速气流。
[0088] 步骤(3)、通过超声速气流的两路激光信号被光学调整单元5的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器6进行耦合，之后传递给激光接收单元7。
[0089] 步骤(4)、激光接收单元7将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端8。
[0090] 步骤(5)、数据分析终端8对接收的电信号进行分析处理，获得电信号的光谱吸收信号，根据光谱吸收信号获得所述超声速气流的温度和速度，进一步得到所述超声速气流的总温，测量得到超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得超声速气流的总焓。
[0091] 一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法，是利用近红外激光吸收光谱诊断技术直接测量电弧加热器喷管出口自由流的流场参数，基于H2O双线测温获得电弧加热器喷管出口自由流的气流温度和速度，结合热平衡气流焓值与温度、压力的定量关系获得喷管出口的当地气流总焓，该方法提高了焓值测量的精度，适用于焓值范围1500kJ/kg-7500kJ/kg内的管式、交流、长分段等多种类型的低焓电弧加热器气流焓值测量。
[0092] 实施例1
[0093] 激光发射单元3包含双通道信号发生器、两台激光控制器和两组半导体激光器。双通道信号发生器的信号发生器输出两路分时的锯齿波调谐信号，分别输出给两台激光控制器，分别控制激光控制器的调谐电流，两台激光控制器通过电流和温度调谐两种方式对两台1469nm和1397nm附近的半导体激光器进行调谐，输出两束中心波长在6807cm-1和7185cm-1的窄带可调谐激光信号，通过单模光纤，两束激光信号传递给光学调整单元5的发射调整机构，激光信号分别经发射调整机构上的两路光路发射通道准直，成一定夹角θ通过喷管2出口的超声速气流，在另一侧，透过的激光信号被光学调整单元5的收集调整机构收集，通过电机传动调节发射调整机构和收集调整机构，获得的最优的光路优化效果，透过的激光信号进入光纤耦合器6，激光接收单元7内硅光电探测器接收光纤耦合器6传递过来的透射光，并转换电信号被激光接收单元7的录波仪采集；数据分析终端8直接对上述透射光电信号进行分析处理，通过拟合比对信号作为基线，与透射激光信号相比后取对数获得光谱吸收信号，采用Voigt曲线拟合获得两组激光信号的积分吸收面积，利用积分吸收面积与上述超声速气流静温的单一函数关系，获得上述超声速气流的温度，基于多普勒频移，利用两组激光信号中心波长的漂移量和上述超声速气流速度的关系，获得超声速气流的速度。基于实时测量的超声速气流静温和速度，得到超声速气流的总温，结合数据分析终端内预置的高温平衡空气总焓与总温、总压的定量关系，获得上述超声速气流的总焓。
[0094] 以12MW管式电弧加热器和喉道20mm×60mm、出口120mm×60 mm的矩形拉瓦尔喷管为例，管式电弧加热器的主要焓值模拟范围在1500 kJ/kg-7500kJ/kg，对应气流总温为1500K-4000K之间；矩形拉瓦尔喷管出口的名义马赫数为3.1左右，加热器焓值、总温运行范围内对应喷管出口自由流静温在600K-2400K之间。
[0095] 如图2所示为本发明实施例1中H2O双谱线强度和线强度之比随温度的变化关系图。基于两条中心波长6807cm-1和7185cm-1光谱吸收强度之比，该比值在600K-2400K静温范围内具有非常高的温度灵敏度，可以非常精细的分辨温度的变化，同时基于多普勒频移可以分辨喷管出口超声速气流的变化。
[0096] 其中图2(左边纵坐标与横坐标组成)给出6807.8cm-1和7185.6cm-1 线强度和线强度之比随温度的变化。可见，在600K-2400K的温度范围内， S(6807.8)/S(7185.6)随温度单调增加。图2(右边纵坐标与横坐标组成)给出的双线测温灵敏度，其定义是线强度比对温度的一次导数。在待测温度范围内，测温灵敏度高在1.4-5.5，可见线强度之比对温度变化非常敏感，可实现非常高的温度分辨能力。
[0097] 如图3所示为本发明实施例1中高温平衡空气的气流焓值与温度、压力的关系，该关系是基于NASA CEA热平衡计算获得，根据温度、压力可以获得相应的气流焓值。
[0098] 以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0099] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
