[发明专利]一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法

说明书

一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱技术领域。该方法基于波长调制理论，在时域上对经过高频调制的激光透过率函数在谱线中心频率处进行泰勒级数展开，在此基础上得到谐波表达式由激光透过率及其导数和频率调制幅度组成，通过分析各次谐波间的关系特征建立了一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法，其测量精度随着所采用谐波阶次的增加而提高。该方法建立了波长调制光谱与吸收率函数之间的关系，解决了传统波长调制光谱应用中由于无法有效测量绝对吸收率需要结合标定实验测量气体参数的问题。

技术领域

本发明涉及一种可调谐半导体激光器技术中吸收率函数复现方法，特别涉及基于波长调制中偶数次谐波的吸收率函数复现方法，属于气体测量技术领域。

背景技术

众多气体检测技术中，可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laserabsorption spectroscopy，TDLAS)技术由于谱线选择性好、灵敏度高、非接触测量等优点得到快速发展。TDLAS技术包括直接吸收法(direct absorption spectroscopy，DAS)和波长调制法(wavelength modulation spectroscopy，WMS)，吸收率函数是该技术的核心函数，蕴含了气体温度、压力、浓度和线型函数等信息。DAS物理概念清晰，操作简单，通过对透射光强拟合可得到吸收率函数，但该方法由于容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等因素影响，基线拟合会带来很大的测量误差甚至是测量错误。WMS采用高频正弦信号对激光进行调制，根据谐波检测理论，谐波信号幅值只与调制频率有关，无吸收区域的谐波信号为零，与直接吸收法相比具有更高的信噪比，然而由于其无法得到吸收率函数往往需要结合标定实验使用。为了解决波长调制光谱需要标定的难题，自2006年以来，R.K.Hanson课题组基于剩余幅度调制提出了2f/1f免标法，该方法采用一次谐波信号来修正二次谐波，不仅消除了激光强度波动、光电放大系数等因素的影响，并在此基础上推导出了确定气体温度和浓度的表达式。2f/1f免标法并不是通过测量吸收率函数来确定待测气体参数，而是通过比较谐波信号的理论计算与实验测量值来获得，但在实际测量中，谐波信号不仅与气体温度、压力、组分浓度等参数有关，而且与激光光强调制、频率调制以及光强调制与频率调制相位差等参数有关，上述参数的不确定性往往使得谐波信号的理论计算值偏离真实值，进而导致气体参数的测量误差。

考虑到吸收率函数的重要性(可直接确定待测气体温度、浓度以及分子光谱常数等)以及波长调制光谱的优点(抗干扰能力强、信噪比高等)，近年来，科研工作者尝试利用高信噪比的谐波信号复现TDLAS的核心参数——吸收率函数。其中具有代表性的工作有：G.Stewart等在研究中发现当调制系数很小时，一次谐波X或Y轴分量与吸收率函数相似，可实现吸收率函数的近似测量，但其测量误差会随着调制系数的增大而急剧增大。蓝丽娟等“一种基于调制系数的气体吸收率在线测量方法”利用数值模拟获得谱线中心频率处二次与四次谐波比值与线型函数之间的关系，利用不同线型函数在同一调制系数下交于同一固定点的特征实现线型函数的测量，然后利用调制系数为0.94时二次谐波与一次谐波比值和吸收率函数之间的关系实现峰值吸收率的测量，进而得到完整的吸收率函数信息，但该方法一般只适用于单谱线和弱吸收条件下线型函数和峰值吸收率的测量。

发明内容

为了解决目前波长调制法无法有效测量吸收率函数需要结合标定实验使用的问题，本发明提出一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法，建立了波长调制光谱与吸收率函数之间的关系。

本发明的技术方案如下：一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法，本方法包括如下步骤：

1)从光谱数据库中选用待测气体吸收谱线，其中心频率为v₀，调节激光控制器的设置温度及电流，使可调谐半导体激光器发出中心频率为v₀的激光，并使用波长计进行监测；