[发明专利]一种激光气体分析仪低浓度信号的提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光气体分析仪低浓度信号的提取方法，它主要用于激光气体分析仪。

背景技术

半导体激光气体分析仪是一种“实时”、“在线”的气体监测装置，常用于石化、钢铁、水泥、环保、工业在线监控等领域。激光气体分析仪是一种高灵敏度的气体分析手段，其原理是特定波长的激光通过气体后，因受气体特定吸收峰的吸收，产生光强的衰减。光强的衰减可用Beer-Lambert定律准确描述：

I(v)=I₀(v)exp[-S(T)φ(v)PXL] 

其中I(v),I₀(v)分别是激光通过气体后，通过气体前的光强，v是激光的频率，P，X和L分别是气体的压力、浓度和光程。线强S（T）是温度T的函数，线性函数φ(v)表示吸收谱线的形状。由Beer-Lambert定律可知，光强的衰减和被测气体的浓度成正比，从而可以通过测量激光通过气体后的衰减获得被测气体的浓度。同时，由于DFB激光器的发射峰很窄（小于15MHz），工作时可以选择单根气体吸收谱线进行测量，不受其他气体的干扰，具有很高的测量灵敏度。

通过光谱技术与谐波调制技术的结合，然后利用锁相放大器提取信号的二次谐波信号获得气体浓度，能够有效的消除电路噪声，激光器与探测器的1/f噪声，极大的提高激光气体分析仪的检测限，使得某些气体的检测限能达ppb量级。

发明内容：

本发明的目的是提供一种通过谐波技术能有有效的消除噪声干扰，降低激光气体分析仪的检测限的激光气体分析仪低浓度信号的提取方法。

本发明采用的技术方案是：

激光气体分析仪低浓度信号的提取方法，其特征在于：包括有激光器，激光器包括有激光驱动模块、发射模块、准直器，准直器的后方光路上设有待测气室，待测气室后方设有接收模块，接收模块包括有光电管，接收模块连接锁相放大器，锁相放大器的信号输出端连接信号处理模块；具体算法如下：

（1）激光驱动模块通过高频正弦波与低频锯齿波叠加的驱动电流驱动激光器，激光器辐射出带有调制信息的激光；

（2）带有调制信息的激光由发射模块发射并通过准直器准直；

（3）准直后的激光通入待测气室进行待测气体浓度的测量，再从待测气室中穿出，穿出的激光被接收模块的光电管接收，光电管将接收到光强转换为电信号，电信号经过锁相放大器提取谐波信号，谐波信号被送至信号处理模块中进行处理；

（4）信号处理模块内置有Levenberg–Marquardt非线性拟合算法，信号处理模块采用非线性拟合算法，拟合待测气体的二次谐波吸收峰形，信号处理模块的处理过程如下：

在常温、常压下，气体的吸收峰的峰形满足Lorentz线形，对Lorentz线形进行求导得到与二次谐波近似的图像，即仪器测量得到的信号形状，采用洛伦兹线形函数的导数形式拟合测量吸收峰线性；

非线性拟合方法的核心是确定每次迭代的步长与迭代方向，采用Levenberg–Marquardt能够很快的让迭代收敛；迭代开始时，初值与最终结果相差较大，Levenberg–Marquardt方法按照线性的方式进行收敛，进行到最后阶段时，迭代值与最终结果相差很小，算法能够按照二次方的速度进行收敛；其核心过程如下：

确定每次迭代步长与方向的核心数学公式为：

(J^丅J+μI)h_lm=-g with g=J^丅f andμ≥0

其中，其中f是拟合的线形函数，即气体吸收峰线性函数洛伦兹函数的导数，J是f函数的雅克比矩阵，u是增益系数，I是单位矩阵，hlm是每次迭代过程中拟合参数移动的步长；

要拟合的吸收峰线性特征参数有3个，包括峰形中心位置、峰形宽度、峰形高度，所以J是个3*x矩阵，如下所示：