热化学反应流动广泛存在于多种动力能源系统，对能量转化效率与运行稳定 性具有重要影响。可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）已经被广泛应用于 多个领域的热化学反应流动诊断。然而，面对诊断需求极端化、多维化的发展趋 势，TDLAS 技术在面对由多谱线重叠构成的混合光谱进行诊断时，还面临测量 精度、测量维度、现场部署能力等方面的不足。本文围绕TDLAS技术在复杂热 化学反应流动诊断中的测量方法与极端环境应用展开研究。主要研究内容和结果 如下：

（1）动态波长高精度标定方法

提出基于法布里-珀罗干涉信号线形多尺度特性的非参数逐点（NPP）标定方 法，融合“P标尺”（离散干涉峰标定）与“L标尺”（局部干涉线形映射），实现 复杂调制/非理想调谐场景下亚自由光谱范围（FSR）精度的动态波长标定，构建 动态波长标定结果的不确定度评估方法，绝对频率不确定度评估结果低至 0.00053cm-1（15MHz），接近 DFB 激光器本征线宽极限。实验表明，该方法较传 统参数化方法，在具有相当系统偏差（<3.1%）的情况下显著降低随机误差（标 准差缩减至1/3）， 可为混合光谱解析提供高可靠时频基准。

（2）非均匀流场混合光谱测量策略

针对流场非均匀性与光谱干扰耦合难题，提出混合参数同步优化与线强自适 应高阶近似策略。前者通过联合基线漂移、气体状态参数与谱线积分吸收率，实 现强吸收峰、弱背景光谱及矫正基线信号分离；后者将线强函数通过高阶多项式 近似，建立积分吸收率与流场统计矩（均值、标准差等）的线性关联，避免非线 性优化复杂性，实现流场非均匀特征（平均浓度、平均温度、温度分布标准差） 测量，发展非均匀特征测量不确定度评估方法。实验验证温度测量偏差小于 10 K，谱线需求降低至传统方法的1/3以下。

（3）在极端环境中高频TDLAS系统的开发及应用

面向激波风洞自由流与高马赫数模型发动机燃烧诊断需求，设计开发了两套 高频TDLAS系统： 激波风洞CO2自由流诊断系统：基于空分复用策略与嵌入式光学探头，在同 步进行皮托压力测量/高速纹影测量的情况下，实现CO2主流与H2O污染组分热 化学状态的100kHz同步监测，探明了风洞有效测试时间窗口，为天地差异修正 提供实验支撑。 中红外多维燃烧诊断系统：通过自研光纤耦合分光系统，将中红外光源、标 定系统、光纤耦合系统进行模块化集成，面向混合光谱测量使用改进的三步拟合策略，首次实现燃烧室内H₂O、NO、CO三组分的压力、浓度及平衡/振动/转动 温度参数100 kHz 同步测量，对燃烧室中的化学非平衡（NO/CO分压变化）与 热力学非平衡（振动温度与转动温度分离）进行捕捉，揭示火焰迁移与燃烧振荡 动态特征。

本文研究成果为复杂热化学反应流动的高精度诊断提供了理论方法创新与 工程实践范例，推动了TDLAS技术在高超声速动力测试及污染监测等领域的应 用，为下一代新型动力设计与高焓流动精细化建模奠定技术基础。