[发明专利]免标定调制光谱的实现方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及信号处理与数值仿真等方法，是针对气相分子的吸收光谱测量开发的通用、可靠测量方法。

背景技术

光学测量技术在科研实验、环境监测和燃烧场诊断等领域获得了越来越广泛的应用。吸收光谱在理论上需要同时测量吸收前和吸收后的光强信息才能获得分子的吸收信息。在实际应用中，往往采用参考光束或函数拟合等方法确定吸收前的光强，即光谱基线。这些方法难以获得准确的光谱基线信息。此外，调制方法虽然能明显的提高测量信号的信噪比，但是调制光谱的信号强度与调制深度、谱线线型和强度调制等多方面的因素相关，因此调制光谱的定量测量也一直存在困难。

美国斯坦福大学K.H.Lyle，R.K.Hanson等人，曾利用调制光谱来增强航空发动机进气道氧气吸收光谱测量的信噪比。由于未在理论上解决调制光谱强度与线型函数间的定量对应关系，此处仅用光谱峰的中心位置来测量速度，浓度的测量则是通过直接吸收光谱实现的。此后，G.B.Rieker从理论上分析了波长调制光谱测量的原理，给出了谐波信号的表达式，着重分析了测量可能的误差来源。研究显示利用1f信号归一化2f信号之后，借助准确的理论仿真可实现任意压力、浓度和温度条件下的测量。验证了水分子和二氧化碳浓度和燃烧场温度的测量结果，显示波长调制光谱较之直接吸收光谱信噪比提高约4倍。该文献并未提出详细的实现方法，仅讨论了调制光谱测量的可行性。

南京理工大学李宁等人，采用仿真的方法得到谐波信号理论值，利用二次谐波峰谷比来消除初始光强和探测器增益对信号强度的影响。因为波峰和波谷在时间上不是同时出现的，当测量过程中初始光强波动时，波峰、波谷对应的初始光强不相同，不能消除其对信号的影响。另外，该方法必需扫描得到完整的谐波信号才能提取波峰和波谷信息，对于谱线加宽严重或者出现重叠时，往往难以实现。清华大学热能工程系车璐等人，研究了利用奇数次谐波信号重建吸收谱线型。通过对吸收线型进行傅里叶级数和泰勒级数分析，得到线型函数与奇数次谐波的关系，并在实验室条件下验证了氨气的浓度测量。该方法中，谐波信号的强度仍与初始光强相关。初始光强虽然可以预先测量，但是在干扰严重的环境下，诸多非吸收因素导致的衰减致使初始光强在测量过程中出现明显的变化，此时测量结果将出现严重的偏差。因此该方法并未真正实现免标定测量，只能在实验室条件下应用。

本发明基于可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）技术，提供一种免标定调制光谱测量的实现方法，不仅利用了调制光谱的优势，而且从理论上解决了光谱基线提取的问题，可实现真正意义上的免标定测量。

发明内容

本发明提供了一种免标定调制光谱的测量方法，实现基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的真正意义上的免标定测量。包括：

步骤一、数字锁相信号解调步骤；

步骤二、调制光谱仿真步骤；

步骤三、测量参数提取步骤；

其特征在于：

步骤一的数字锁相信号解调步骤包括：（1）通过数据采集设备读取探测光电信号、采样率f₁和数据长度L；（2）根据调制频率f、采样率f₁和数据长度L，生成解调用的参考信号，包括一倍频正弦和余弦信号，以及二倍频正弦和余弦信号；（3）将一倍频正弦、余弦信号和二倍频正弦、余弦信号分别与载波信号相乘，得到四路混频信号；（4）根据采样频率f₁、低通截止频率和滤波阶次，创建低通滤波算法；（5）将得到的四路混频信号分别经过数字滤波器运算，得到一次谐波信号的X分量（X_1f）和Y分量（Y_1f），以及二次谐波的X分量（X_2f）和Y分量（Y_2f），并分别计算R量；

步骤二的调制光谱仿真步骤包括：（1）根据一定条件下的谱线参数进行数值积分计算，得到线型函数；（2）根据实测条件下的激光参数和计算得到的线型函数，计算谐波信号；（3）通过计算不同谱线参数对应的谐波信号，得到仿真数据库；

步骤三的测量参数提取步骤包括：（1）提取谐波信号的多普勒频移量，并计算流场速度；（2）通过提取谐波信号的最大值来获得谐波信号的高度值；（3）通过迭代算法，对比仿真谐波信号的高度值和实验谐波信号的高度值，求解流场的温度和组分浓度。

本发明利用独特的数据处理方法和准确的数值仿真，解决了调制光谱定量测量的问题。由于算法功能齐全，简化了测量硬件的需求，具有如下优点：