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申请/专利权人：中国科学院力学研究所

摘要：本发明提供了一种高焓非平衡流场氮原子浓度测量方法，其利用波长扫描直接吸收光谱方法测量氧原子信号，然后通过高斯线型函数直接拟合氧原子的直接吸收光谱信号，实现流场温度和氧原子浓度的定量测量；利用波长调制吸收光谱方法测量氮原子信号，然后进行氮原子调制信号线型轮廓模拟，计算氮原子调制模拟吸收信号且在计算过程中将流场温度代入，实现氮原子调制模拟吸收信号中温度变量的自标定，即可求得氮原子浓度精确值。本发明构思合理，利用氧原子直接吸收光谱信号对氮原子调制信号中温度变量进行自标定，即可实现氮原子浓度的精确测量，又能实现对高焓非平衡流场环境下热防护材料表面氧氮原子浓度的同时测量。

主权项：1.一种高焓非平衡流场氮原子浓度测量方法，其特征在于：利用波长扫描直接吸收光谱方法测量氧原子信号，然后通过高斯线型函数直接拟合氧原子的直接吸收光谱信号，实现流场温度和氧原子浓度的定量测量；利用波长调制吸收光谱方法测量氮原子信号，然后进行氮原子调制信号线型轮廓模拟，计算氮原子调制模拟吸收信号且在计算过程中将流场温度代入，实现氮原子调制模拟吸收信号中温度变量的自标定，即可求得氮原子浓度精确值；所述氧原子的直接吸收光谱信号在扣除背景基线后，可实现高斯线型函数的快速拟合，即可求得氧原子在求解波长处的积分吸收率和多普勒展宽，实现流场温度和氧原子浓度的定量测量；所述多普勒展宽ΔvD的表达式如下： 其中，Ttr为流场温度，M为相对原子质量，v0为谱线中心频率，c为光速，k为玻尔兹曼常数，m是单个原子的质量；所述氧原子的直接吸收光谱信号获得的流场温度等同于氮原子一次谐波归一化的二次谐波信息获得的流场温度信息；所述测量的方法具体包括以下步骤：1对氧原子的直接吸收信号轮廓信息进行解析基于激光吸收光谱原理，当一束频率为v的激光穿过待测流场，其透射光强与入射光强满足Beer-Lambert定律，在均匀流场中表示为：ItI0v＝exp-kv·L；其中Itv和I0v分别为透射光强和入射光强，L为吸收长度，kv为吸收系数，其表达式如下：kv＝Sijniφv；其中，ni表示低能级原子浓度，φv表示吸收线型函数，满足归一化特性：∫φvdv三1；Sij表示吸收线线强度，表达式如下： 其中，λ0，gj，gi，Aij分别代表波长、上能级统计权重、下能级统计权重和爱因斯坦自发辐射系数，可通过NIST光谱数据库获得；氧原子的吸收率αv是吸收系数kv和吸收光程L的乘积： 氧原子在求解波长处的积分吸收率Aint为αv关于频率v的积分：Aint＝∫αvdv；则低能级原子浓度ni可以由下式获得： 2接下来对氮原子的波长调制光谱信息进行解析氮原子激光器经高频调制后输出的频率响应可描述为： 其中，为未调制时的氮原子激光器频率，a为调制深度，fm为调制频率；在上述的高频调制下，氮原子激光器的输出光强也会呈现同样频率的周期性变化： 其中，为未调制时的氮原子激光器输出光强，i0为光强调制系数，为波长调制和光强调制间的相位差；n次谐波的X方向分量和Y方向分量，使用低通滤波器处理后，可以分别表示为下列形式： 滤波后的波长调制n次谐波信号的绝对幅度可以表示为： 3最后使用一次谐波去归一化二次谐波信号进行免标定，去除非吸收损耗对谐波分析的影响,则可以得到： 其中，S2f为二次谐波信号，S1f为一次谐波信号。

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