基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法技术

本发明专利技术提出一种基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，该方法首先对透射光强信号加上Nuttall时窗，其次对加窗的透射光强信号进行数字带通滤波处理，获得谐波处的X分量，使得吸收部分的信号得到强化而使边缘处接近为零，同时对加窗的透射光强信号进行数字低通滤波处理得到常数项，然后使用得到的常数项对X分量进行归一化处理，消除光强波动的影响，最后对归一化的X分量使用拟合算法即可得到待测气体参数值。本发明专利技术的测量方法克服了传统直接吸收方法对基线敏感的缺点，同时避免了由于基线拟合误差对结果的影响，尤其适合于扫描范围较窄或者高压下线宽较宽无法获得基线的情况。

Gas concentration measurement method based on non baseline wavelength scanning direct absorption spectrum

The invention provides a direct absorption free baseline wavelength scanning method based on gas concentration measurement, the method firstly transmitted light intensity signal with Nuttall window, followed by digital band-pass filtering of the transmitted light intensity signal window, X component harmonics, to absorb part of the signal to be strengthened the edge is close to zero, at the same time on the transmission light intensity signal windowed digital low-pass filtering are constant, the constant term is then used to obtain the normalized to X component, eliminate the influence of light intensity fluctuation. Finally X component of the normalized fitting algorithm can be used to test the gas parameters. The measuring method of the invention overcomes the disadvantages of direct absorption method is sensitive to the baseline, while avoiding the influence due to baseline fitting error of the results, especially suitable for scanning a narrow range or high pressure line in a wide baseline conditions cannot be obtained.

【技术实现步骤摘要】
基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法
本专利技术涉及一种免基线的波长扫描直接吸收方法，用于气体浓度测量，属于激光吸收光谱

技术介绍
以煤炭、石油为代表的碳氢燃料的燃烧是我们最广为采用的能量转换方式，燃烧参数的测量对揭示燃烧机理和调控燃烧过程具有重要意义。可调谐二极管激光器吸收光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，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，在燃烧诊断领域具有广阔的应用前景。与其他技术相比，传统直接吸收方法具有系统实现与处理方法简单等优点，是TDLAS技术中应用最广泛的方法。传统直接吸收方法对基线拟合误差特别敏感，特别是在高压燃烧环境下，由于压力展宽效应导致谱线混叠，使非吸收基线的拟合存在困难，甚至根本得不到基线，因此要获得准确完整的吸收光谱对波长扫描范围有一定要求，目前技术广泛采用的通信用二极管激光器调制范围一般在2cm-1以内。在某些气体组分状态变化剧烈的情况下(如燃烧环境下气体参数的测量)，为了保证良好的瞬态响应特性，需要使激光器在较高的调制频率下工作。然而随着调制频率的提高，半导体激光器的调制范围会进一步减小，为了获得准确完整的吸收光谱，激光器的调制频率一般限制在10KHz以下。因此传统直接吸收方法在高压燃烧环境的应用受到了限制，而且时间响应速率一般小于10KHz，这限制了传统直接吸收方法的应用。综上，传统的扫描波长直接吸收光谱只适用于吸光度适当(过大或过小都会降低测量灵敏度)、压力相对较低、调制频率不大，吸收线相对孤立的场合。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种适用于在恶劣的工业现场(如高压燃烧环境)实现气体参数的测量的免基线波长扫描直接吸收方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)参数设置：定义t时刻的入射光强信号为I0(t)、穿过待测气体的透射光强信号为It(t)；设置迭代变量x，通过x在每一轮迭代中的更新逼近待测气体真实值；(2)初始化x＝x0，根据x利用Beer-Lambert定律仿真透射光强信号，得到透射光强的仿真信号SIt(t)；(3)分别为It(t)和SIt(t)加上Nuttall时窗，得到It(t)和SIt(t)加窗后的信号分别为It(t)Window和SIt(t)Window；(4)对It(t)Window和SIt(t)Window分别进行数字带通滤波，提取It(t)Window和SIt(t)window的n次谐波X分量，n≥M，M为窗函数的项数；对It(t)Window和SIt(t)Window分别进行数字低通滤波，提取It(t)Window和SIt(t)Window的常数项；(5)利用It(t)Window的常数项对It(t)Window的n次谐波X分量进行归一化处理，得到It(t)Window的n次谐波X分量的归一化幅值利用SIt(t)Window的常数项对SIt(t)Window的n次谐波X分量进行归一化处理，得到SIt(t)Window的n次谐波X分量的归一化幅值(6)判断步骤(5)得到的和是否满足以下收敛条件：式中，ε为预先设定的收敛阈值；若满足，则令x0＝x，并输出x0，输出的x0即为待测气体的浓度测量值；若不满足，则计算x＝xnew；返回步骤(2)。进一步的，所述透射光强信号的表达式为：It(t)＝I0(t)exp(-S·P·x0·Ｌ·φ[v(t)])式中，S表示吸收谱线的线强，P表示待测气体的气压，x0表示待测气体的浓度，L表示入射光在待测气体中传播的光程，v(t)为t时刻入射光出光的频率，φ[v(t)]表示线型函数。进一步的，所述Nuttall时窗的时域表达式为：式中，f0表示激光扫描频率，bm为第m个最小旁瓣系数，bm满足约束条件：且进一步的，M＝4，所述步骤(4)中提取It(t)window和SIt(t)Window的n次谐波X分量以及常数项的方法为：计算It(t)Window和SIt(t)Window的傅里叶展开式，从It(t)Window和SIt(t)Window的傅里叶展开式中分别提取出频率大于等于Mf0的高频谐波分量和常数项；其中，It(t)Window的傅里叶展开式为：提取出的It(t)window的n次谐波X分量为：提取出的It(t)Window的n次谐波X方向的幅值为：提取出的It(t)Window的常数项为：式中：Hk为k阶傅里叶系数，表示入射光的中心光强，b表示激光光强调谐速率。进一步的，采用It(t)Window的常数项对It(t)Window的n次谐波X方向幅值进行归一化处理，得到的It(t)Windown次谐波X方向归一化幅值为：式中，δm0为狄拉克函数，m＝0时，δm0＝1；m≠0时，δm0＝0。进一步的，所述步骤(2)中得到透射光强的仿真信号SIt(t)的方法为：使用多项式SI0(t)＝c0+c1t+c2t2+...对透射光强信号两端无吸收区域进行拟合获得入射光强的仿真信号，即SI0(t)；根据入射光强的仿真信号计算得到透射光强的仿真信号为：SIt(t)＝SI0(t)Sτ(t)＝SI0(t)exp(-S·P·x·L·φ[v(t)])式中，Sτ(t)为入射光强的仿真信号在t时刻的透过率。有益效果：相对于传统直接吸收方法，本专利技术提出的免基线波长扫描直接吸收方法通过对透射光强信号加窗，既保留了吸收信息，又有效的抑制了由于拟合基线的斜率的不准确带来的误差，而由基线中平均幅值带来的偏差可以通过归一化去除，克服了传统的扫描直接吸收法对基线拟合误差敏感的缺点；可以很好地适应高温高压、气体组分状态变化剧烈的场合，拓宽了传统直接吸收方法的应用范围。附图说明图1是本专利技术测量方法的流程图。图2是传统直接吸收方法实验得到的光谱吸收率拟合结果。图3是本专利技术测量方法实验得到的光谱吸收率拟合结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1所示为本专利技术的流程图，包括以下步骤：步骤一：本实施例做以下四个假设：(1)吸收中心位于扫描信号的中心；(2)激光的光强信号与波数时间对应关系都是关于时间的一次函数；(3)线型函数采用洛伦兹线型；(4)只存在单一吸收峰。考虑到信号的周期性，只需对一个扫描周期-T/2≤t≤T/2内的透射光强信号进行分析：τ(t)＝exp(-S·P·x0·Ｌ·φ[v(t)])(4)It(t)＝I0(t)exp(-S·P·x0·Ｌ·φ[v(t)])(5)其中，f0为扫描频率；T为扫描周期；v(t)为t时刻激光输出频率；v0为激光中心频率；τ(t)为t时刻的透过率；S表示吸收谱线的线强；P表示待测气体的气压；x0表示待测气体的浓度；L表示入射光在待测气体中传播的光程；φ[v(t)]为线型函数；I0(t)、It(t)分别为t时刻的激光入射光强及其透射光强；表示入射光的中心光强；a表示激光波长调谐速率；b表示激光光强调谐速率；步骤二、根据上述分析结果，计算透射光强和背景光强的傅里叶表达：入射光强I0(t)是以T为周期的奇函数，对其进行傅里叶级数展开有：透过率τ(t)是本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)参数设置：定义t时刻的入射光强信号为I

【技术特征摘要】
1.基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)参数设置：定义t时刻的入射光强信号为I0(t)、穿过待测气体的透射光强信号为It(t)；设置迭代变量x，通过x在每一轮迭代中的更新逼近待测气体真实值；(2)初始化x＝x0，根据x利用Beer-Lambert定律仿真透射光强信号，得到透射光强的仿真信号sIt(t)；(3)分别为It(t)和sIt(t)加上Nuttall时窗，得到It(t)和sIt(t)加窗后的信号分别为It(t)Window和sIt(t)Window；(4)对It(t)Window和sIt(t)Window分别进行数字带通滤波，提取It(t)Window和sIt(t)Window的n次谐波X分量，n≥M，M为窗函数的项数；对It(t)Window和sIt(t)Window分别进行数字低通滤波，提取It(t)Window和sIt(t)Window的常数项；(5)利用It(t)Window的常数项对It(t)Window的n次谐波X分量进行归一化处理，得到It(t)Window的n次谐波X分量的归一化幅值利用sIt(t)Window的常数项对sIt(t)Window的n次谐波X分量进行归一化处理，得到sIt(t)Window的n次谐波X分量的归一化幅值(6)判断步骤(5)得到的和是否满足以下收敛条件：式中，ε为预先设定的收敛阈值；若满足，则令x0＝x，并输出x0，输出的x0即为待测气体的浓度测量值；若不满足，则计算x＝xnew；返回步骤(2)。2.根据权利要求1所述的基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，其特征在于，所述透射光强信号的表达式为：It(t)＝I0(t)exp(-S·P·x0·L·φ[v(t)])式中，S表示吸收谱线的线强，P表示待测气体的气压，x0表示待测气体的浓度，L表示入射光在待测气体中传播的光程，v(t)为t时刻入射光出光的频率，φ[v(t)]表示线型函数。3.根据权利要求2所述的基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，其特征在于，所述Nuttall时窗的时域表达式为：式中，f0表示激光扫描频率，bm为第m个最小旁瓣系数，bm满足约束条件：且4.根据权利要求3所述的基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，其特征在于，M＝4，所述步骤(4)中提取It(t)Window和sIt(t)Window的n次谐波X分量以及常数项的方法为：计算It(t)Window和sIt(t)Window的傅里叶展开式，从It(t)Window和sIt(t)Window的傅里叶展开式中分别提...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宾，王一红，程禾尧，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32