[发明专利]基于正交分解的多谱线气体吸收光谱线型拟合测量方法

说明书

本发明公开了一种基于正交分解的多谱线气体吸收光谱线型拟合测量方法，首先选定目标气体的特征谱线范围，测量得到该范围吸收线型；其次对测量的吸收线型进行正交分解，去掉n阶(n通常大于2)以下的低阶项得到与光波频率ν相关的线型Φ_M(ν)；从光谱数据库中筛选去掉所选特征谱线范围内线强较弱的谱线；给定气体浓度Xabs及温度T的初始值，计算筛选后的谱线的理论线型，并进行同样的正交分解处理得到线型Φ_S(ν)；将Xabs、T作为变量，用理论吸收线型Φ′_S(ν)对气体吸收线型Φ′_M(ν)进行最小二乘拟合，迭代更新Xabs和T，直到满足收敛条件，输出浓度、温度。本发明降低了谱线筛选标准，加快了多谱线拟合的计算速度，增加了TDLAS测量方法的适用范围。

技术领域：

本发明涉及一种基于正交分解的多谱线气体吸收光谱线型拟合测量方法。

背景技术：

可调谐二极管激光器可以产生线宽较窄的激光，输出波长和功率均随注入电流呈线性变化。当二极管激光器的注入电流呈锯齿波调谐，可得到呈锯齿波输出的激光波长激光功率。使激光波长反复扫描目标气体的所选吸收谱线范围，从而获得吸收谱线的吸收线型。

应用TDLAS测温的基础在于选择合适的吸收分子与吸收谱线对。在不同的应用环境下，需要针对实际被测对象进行谱线的选择，传统的双谱线法TDLAS测温选线准则较为严格，基本的选线经验准则有如下几点：

(1)两谱线需要在所选温度范围内充分吸收；

(2)两谱线应该不受邻近谱线吸收的干扰；

(3)两谱线的综合吸收面积比应该是关于温度的单调函数且两谱线线强大小应该相似，并随温度T变化具有不同的变化趋势；

(4)两谱线应该有足够大的低态能级能量差，以保证有足够好的温度灵敏度；

传统的双谱线TDLAS测量方法通过目标气体的两条吸收谱线使其线强之比为温度的灵敏函数，温度计算公式如下式

其中h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，c为光速，E₁和E₂分别为两条谱线的低态能级，S₁和S₂分别为两条谱线的线强，T₀为参考温度，R＝A₁/A₂为两条谱线的积分吸收面积A₁和A₂的比值，得到温度T后，根据以下公式计算气体浓度

其中，P为压强，L为测量路径长度，ν为光波频率。实际选线中，往往因为存在干扰谱线而难以选择到完全符合以上选线标准的谱线，而干扰谱线会影响气体积分吸光度比值R(T)的计算，从而导致测量误差，限制了TDLAS技术的发展和普及。

为解决干扰谱线的问题，可以用理论的吸收线型对测量的吸收线型进行迭代拟合，得到气体的温度、浓度。然而对多谱线进行拟合时，每次迭代更新参数过程都要需要重新计算每条谱线的线型，计算量较大，实时性不能得到保障。拟合时去掉计算理论线型的干扰峰能够提升计算速度，但去掉过多的干扰峰会导致理论线型和实际测量线型的残差过大，导致拟合精度降低。

发明内容：

本发明为了解决基于传统双谱线法TDLAS技术的气体检测方法适用面窄及计算速度慢的问题，本发明提供一种基于正交分解的多谱线气体吸收光谱线型拟合测量方法，拓展TDLAS应用范围，加快计算速度。

本发明所采用的技术方案有：

基于正交分解的多谱线气体吸收光谱线型拟合测量方法，包括:

1)选择目标气体的多条特征吸收谱线并组合成两组谱线簇，所选的谱线总数为N；