基于自发瑞利-布里渊散射测量空气的温度

瑞利-布里渊散射的散射截面比拉曼散射大,因而其在大气散射中实现对大气对流层温度廓线的准确测量方面具有一定的优势,同时利用瑞利-布里渊散射实现高压环境下温度的准确测量对于航天飞机主引擎状态的监测和超燃发动机燃烧室参数测量方面具有重要意义。基于自发瑞利-布里渊散射分别采用反卷积方法和卷积方法来实现空气在不同压力条件下的温度反演,研究引起温度反演误差的原因,并对利用两种方法获得的温度测量结果进行了比较。在利用基于维纳滤波器的反卷积方法对测量光谱直接处理实现温度反演之前,首先利用反卷积方法对由自发瑞利-布里渊散射模型与仪器函数卷积得到的卷积光谱进行处理获得反卷积光谱,将反卷积光谱与未经卷积的理论计算光谱进行比较实现温度反演, 并基于温度反演误差小于1.0 K,光谱拟合误差相对较小,光谱处理时间短的参数优化原则对反卷积方法中的关键参数奇异值叠加数进行了优化处理,得到优化后的奇异值叠加数为150。随后实验测量了由532 nm波长的连续激光激发的纯净空气在温度为294.0 K,压强为1～7 bar条件下的自发瑞利-布里渊散射光谱,并结合理论计算光谱和最小χ2值原理对光谱信号散射角进行优化,优化值为90.7°,同时利用反卷积和卷积方法分别对实验测量光谱进行处理实现空气在不同压强下的温度反演。实验结果表明反卷积方法在一定程度上可以提高信号光谱分辨率,而且利用反卷积和卷积方法均可以实现空气在不同压力（1～7 bar）条件下温度的准确测量,温度测量的最大误差均小于2.0 K;利用反卷积方法的温度反演结果随着气体压强的增大随之得到改善,实现温度反演测量所需要的光谱处理时间减少;在空气压强较低（≤2 bar）时,由卷积方法获得的温度反演结果要优于反卷积方法,压强较高（>2 bar）时,两种方法的温度反演结果相近, 其绝对误差均小于1.0 K。通过分析得到引起两种方法温度反演误差的原因主要包括环境温度的波动（±0.2 K）,散射角存在一定的不确定度以及气体的各已知参数的微量偏差对温度测量结果的影响以及反卷积对光谱噪声的非线性放大引起的光谱扰动对温度测量结果的影响。在实验中可以通过提高测量光谱的信噪比、提高散射角的优化精度及改善反卷积方法来获得更加准确的参数测量结果。     

基于自发瑞利-布里渊散射的氮气体黏滞系数的测量

体黏滞系数是从微观角度认识气体分子黏滞性的重要参数,传统的兆赫兹声频范围的声波吸收方法无法直接应用于声波弛豫效应在千兆赫兹范围的高频领域,而瑞利-布里渊散射则能实现对声波弛豫效应在千兆赫兹的气体体黏滞系数的测量.本文测量了532 nm激光激发的常温下压强分别为1-9 bar的氮气的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用已知温度和压强的理论模型对测量光谱进行了比较,获得了准确的散射角.利用该散射角并结合χ~2值最小原理反演得到不同压强(4—9 bar)下氮气的平均体黏滞系数为(1.46±0.14)×10~(-5)kg·m~(-1)·s~(-1),该结果与文献中利用自发瑞利-布里渊散射获得的结果和理论计算结果相近,但与相干瑞利-布里渊散射的测量结果相差明显.利用该平均体黏滞系数对氮气在不同压强下的温度进行了反演,得到各压强下的温度与实际温度的绝对误差小于2.50 K,反演温度的平均值与实际温度误差小于0.15 K,该结果证明了实验测量得到的氮气的体黏滞系数具有较高的准确性,同时也说明利用瑞利-布里渊散射反演气体参数具有较高的准确性和可靠性.     

基于自发瑞利-布里渊散射的相关参数误差对气体温度准确测量的影响

仿真了氮气在温度为298 K,压强为20265.0～810600.0 Pa下的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用仿真光谱研究了法布里-珀罗干涉仪的仪器函数线宽、散射角、气体体黏滞系数、压强参数误差,以及存在气溶胶时米散射干扰对气体温度反演结果的影响。仿真结果显示:在仪器函数线宽偏差≤5 MHz,散射角偏差≤0.2°,体黏滞系数偏差≤0.2×10~(-5) kg·m~(-1)·s~(-1),以及压强相对误差≤3%的条件下,单个参数偏差导致的温度反演的最大绝对误差为1.7 K。米散射的相对强度为0.3～2.5时,温度反演的误差通常低于2 K。此外,还开展了在温度为298 K,压强在70927.5～709275.0 Pa范围内的侧向90°的氮气自发瑞利-布里渊散射实验,经参数优化后,根据测量光谱对温度进行反演,结果表明:实验结果与仿真分析结论具有较好的一致性,在与仿真相同的参数误差条件下,实验获得的温度绝对误差小于1.2 K。该研究对实现不同压强条件下温度的高精度绝对探测及气体状态的准确分析具有一定的参考意义。     

气体自发瑞利-布里渊散射的理论分析及压强反演

气体压力是描述体系状态的重要参数,许多物理、化学性质都与压力有关.传统侵入式的压力测量方法会对气体状态产生干扰,影响测量精度,因此需要一种无扰式的测量方法.本实验测量了压强为2,4和6 atm(1 atm=1.01325×10~5 Pa)下加入气溶胶的N2在90?散射方向的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用卷积后的Tenti S6模型对测量光谱进行直接拟合,拟合得到的压强值总体误差小于6.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.5%;利用理想的Tenti S6模型对经维纳滤波器反卷积处理后的测量光谱进行拟合,拟合得到的压强值误差总体小于5.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.0%.通过对两种方法的详细对比,发现压强低于2 atm时,对测量光谱进行反卷积处理在一定程度上可以消除仪器函数的影响,提高测量光谱的准确性,其光谱拟合效果和压强反演精度要优于卷积光谱.而在压强高于2 atm的情况下,卷积光谱的拟合效果和压强反演精度要优于反卷积光谱.