[发明专利]一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法

说明书

本发明公开了一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，该方法通过建立适合于任意调制系数下的考虑福伊特线型的光谱吸收率二次谐波峰高‑峰宽特征关系，实现了利用谐波特征计算积分吸光度，从而获得气体参数信息；同时在该方法实施过程中采用对数处理技术，直接消除了剩余幅度调制对谐波信号畸变的影响，提高了测量精度；本发明测量方法无需进行复杂的最小二乘迭代拟合计算且只需要进行一次滤波处理，降低了对硬件系统的要求；在无法获得完整谐波信号时仍可较精确的提取波形特征点信息，测量下限更低；无需利用数据库中自展宽系数、各种其他组分的碰撞展宽系数、温度依赖指数等过多的参数，减小对数据库参数的依赖性，应用范围更广。

技术领域

本发明涉及一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，属于激光吸收光谱技术领域。

背景技术

可调谐二极管激光器吸收光谱技术(tunable diode laser absorptionspectroscopy，TDLAS)因为可以实现诸如组分浓度、温度、压力及速度等多参数在线测量，并且具有高灵敏度、快时间响应及非接触等特点，在痕量气体的检测与燃烧诊断领域具有广阔的应用前景。

为了降低噪声对测量结果的影响，提高信噪比，在信号检测方法上常采用波长调制光谱(WMS)方法，其中二次谐波检测最为常用。波长调制光谱法在实际定量测量时，测量结果往往需要经过标准气体标定，然而由于实际现场环境中待测气体的组分与标准气体的组分不同，并且可能随时变化，完全根据标定方式获取的气体浓度测量值会存在一定的误差。为了解决这一难题，研究人员开发出了一系列免标定WMS方法，主要包括基于Hitran数据库仿真的谐波分析法和WMS-2f/1f波形拟合法等。然而基于Hitran数据库仿真的谐波分析法需要精确的谱线参数(例如，自展宽系数、各种其他组分的碰撞展宽系数、温度依赖指数等)及激光器调制特性参数，测量结果受谱线参数的影响较大。WMS-2f/1f波形拟合方法无需较多的谱线参数，近年来被广泛的应用于气体参数的测量中，然而该方法需要进行大量的迭代拟合计算，且需要进行多次谐波的滤波处理，计算量较大，对硬件和拟合算法要求较高。更严重的是当吸收较弱或者测量环境较恶劣时，受背景变化及剩余幅度调制的影响，很难提取完整得谐波波形信号，此时WMS-2f/1f波形拟合方法无法应用。另一方面，由于谐波信号线型中蕴藏着丰富的关于光谱吸收率的信息，从谐波信号的波形特征中也可提取光谱吸收率从而实现气体参数的测量。然而现有的波形特征提取光谱吸收率方法往往只适用于小调制系数或者洛伦兹线型下的谐波分析，测量信噪比较低，应用范围受限。因此，发展一种信噪比高，不依赖于谱线数据库参数，且适合于任意调制系数下的免标定WMS方法尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，该气体浓度测量方法信噪比高，不依赖于谱线数据库参数，且适合于任意调制系数下的免标定波长调制光谱的气体浓度测量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，该测量方法包括以下步骤：

步骤1，激光器在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，光电探测器分别测量无吸收的背景光强信号I₀和有吸收的透射光强信号I_t；

步骤2，测量激光经过固体标准具后的干涉峰信号，并根据该固体标准具的自由谱间距FSR，将时域光强信号转换成频域光强信号，从而得到激光扫描相对波数的变化关系V(t)和调制深度的大小a；

步骤3，对测量得到的透射光强信号I_t与背景光强信号I₀进行对数处理，得到光谱吸收率信号α(v)；

步骤4，对光谱吸收率信号α(v)进行锁相滤波处理，得到其对应的二次谐波信号H^α；