一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，该方法在传统波长调制信号的基础上叠加了另一高频正弦信号，针对该种激光激励方式建立了双频率波长调制的傅里叶分析模型，理论推导了各次谐波表达式，研究了不同调制参数对谐波信号的影响并通过全局寻优算法确定了最佳调制参数。在此基础上，确定了双频率波长调制频率响应关系的函数表达式。相比于传统单频率波长调制方法，本发明专利技术提出的测量方法具有更高的信噪比，测量结果的稳定性更强，并且在弱吸收情况下的谐波峰值位置更易于判断，具有更大的应用潜力，本发明专利技术方法仅改变了激光器的注入电流激励方式，对硬件成本要求低，并可应用于多次反射池等系统进一步降低气体浓度的检测下限。

A dual frequency wavelength modulation method based on absorption spectroscopy

The invention discloses a double frequency wavelength modulation absorption spectroscopy method based on the method of superposition of a high frequency sine wave signal based on traditional wavelength modulation signal, the laser excitation wavelength modulation frequency double Fourier analysis models were established, the theoretical derivation of the harmonic expression effects different modulation parameters of harmonic signals and through global optimization algorithm of the optimal modulation parameters are determined. On this basis, the function expression of frequency response relation of dual frequency modulation is determined. Compared to the traditional single frequency wavelength modulation method, the measurement method has higher SNR, better stability of measurement results, and in the case of weak absorption harmonic peak position is easier to judge, has more potential applications, the method of the invention only changed the laser injection current incentive mode low requirements of hardware cost, and can be applied to multiple reflection pool system to further reduce the detection limit of gas concentration.

【技术实现步骤摘要】
一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法
本专利技术涉及一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，用于气体浓度测量，属于激光吸收光谱

技术介绍
可调谐半导体激光吸收光谱技术(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，TDLAS)充分利用了分布反馈式激光器的窄线宽和可调谐特性，实现了气体分子单根吸收谱线的快速扫描和测量，具有检测下限低、灵敏度高、响应速度快、非侵入等优点，已被广泛应用于近红外波段的痕量气体探测、环境保护与污染排放监测、燃煤锅炉的燃烧诊断和航空航天发动机检测等方面。然而由于大多数分子的振转带位于红外频谱区，而该波段内分子的吸收强度较弱，探测灵敏度低，因而改善目标气体检测系统的信噪比，提高系统的检测灵敏度已成为TDLAS技术的重要研究方向之一。国内外学者对提高TDLAS技术探测灵敏度进行了一系列研究，如使用多次反射池增加吸收光程、对采集信号使用特殊的运算法则进行数据处理等常规方式。目前高灵敏度的光谱调制技术在提高痕量气体检测信噪比方面得到了广泛应用，该方法利用了透射光强在高频调制频率分量上的强度信息，可以抑制低频背景噪声对微弱吸收信号影响，从而显著提高探测灵敏度。如波长调制光谱技术(WavelengthModulationSpectroscopy，WMS)和频率调制光谱技术(FrequencyModulationSpectroscopy，FMS)。两者的主要差别在于调制频率与调制幅度上，FMS对光电探测器的响应速度、信号发生及采集系统采样率等硬件要求较高。FMS和WMS多应用于气体的标定检测，需要在已知的体系中校准，这在大多数环境中是难以实现的。此外，气体温度、压力及标准具效应(平行平面产生的干涉条纹)发生变化时给所测气体参数带来极大的不确定性，不适合现场恶劣的测量环境。
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基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，该方法具有高的信噪比和检测灵敏度，能够实现良好的测量稳定性。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术手段为：一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，该方法包括如下步骤：步骤1，对双频率波长调制的激光激励方式进行傅里叶分析，理论推导出n次谐波的X和Y方向分量，对应的表达式为：式(1)和式(2)中，为未加调制时的激光器光强，Hk、Jk为k次傅里叶系数，i1，k、i2，k分别为k次光强调制频率f1、f2对应的傅里叶系数，为分别对应的k次光强调制的初始相角；其中，R＝f2/f1，δnk为符号函数，当n＝k时，其值为1，否则为0，sgn(x)为符号函数，表示当x＞0时，其值为1，当x＜0，其值为-1，x＝0时，其值为0；当吸收为零，即满足τ(t)＝0时，Hk＝δk0，Jk＝0，代入式(1)、(2)，得到无吸收时的X分量和Y分量的表达式为：扣除背景的n次谐波(nf信号)表达式为：步骤2，定义调制系数其中ΔV为吸收谱线的半高宽，谱线中心频率处二次谐波信号是调制系数的函数，通过全局寻优算法确定最佳调制参数；步骤3，建立TTWMS波数时间关系表达式：式(6)中，下标s、m分别代表扫描频率和调制频率对应的调制参数，为激光器的中心波数，fs为激光器的扫描频率，为相对应的扫描调制相角，fm1和fm2分别为激光器的两个调制频率，和是相对应的调制相角，式中和下标中的i表示扫描频率或调制频率下对应的i阶调制参数，β是各频率间耦合项的耦合系数，使用该表达式对标准具的波数时间离散点进行拟合，得到表达式中的各拟合参数；步骤4，在最佳调制参数下，使用光电探测器测量无吸收介质的原始光强和有吸收介质时的透射光强并将其转换成电信号传送至处理器，处理器对上述信号分别进行处理，使用A、ΔVC、v0作为未知参数，结合和Beer-Lambert定律得到仿真透射光强式(7)中，S(T)为谱线线强，P是气体压力，x是待测气体浓度，L是光程长，Φ(V(t)，ΔVC，ΔVD，v0)为Voigt线性函数，其中V(t)是波数时间的对应关系，ΔVC、ΔVD分别对应谱线的碰撞加宽及多普勒展宽，v0是谱线的中心波数，A代表积分吸收面积，T为温度；步骤5，对和分别进行参数设置相同的n次谐波解调，可以得到各自对应的X分量和Y分量：和和和仿真信号的扣除背景一次谐波归一化n次谐波信号为：测量信号的扣除背景一次谐波归一化n次谐波信号为：步骤6，根据最小二乘拟合算法，比较信号和信号，计算两个信号之间的残差，判断是否为最佳拟合，输出此时的A、ΔVC、v0，可计算出待测气体参数值；否则重新设置参数值，重复步骤4～5，直到获得最佳拟合值。其中，步骤1中，理论推导出n次谐波的X和Y方向分量的方法为：建立激光器出光频率的完整表达式：式(10)中，f1和f2为激光器受到的正弦调制注入电流的频率，V(t)为激光频率，为激光中心频率，an(cm-1)为调制频率f1对应的n阶调制深度，为f1对应的初始相角，bn(cm-1)为调制频率f2对应的n阶调制深度，为f2对应的初始相角，β(t)为激光器频率响应中输入信号各阶频率的耦合项，可表示为式(11)：式(11)中，βab是两个调制频率间频率响应的耦合系数；建立光强同时受到调制作用时的表达式：式(12)中，为激光平均光强，i1，m、i2，m分别为激光器m次光强调制频率f1、f2下的傅里叶系数，分别为对应的m次光强调制的初始相角，光强调制中不考虑各阶频率的耦合项，激光透射率τ(V(t))是满足频率f＝gcd(f1，f2)的周期函数，可展为傅里叶级数形式：记R＝f2/f1，式(13)中Hk、Jk为k次傅里叶系数并可表示为：式中，k＝0时，δk0＝1；k≠0时，δk0＝0；将式(12)、(13)代入Beer-Lambert定律中可得：调制频率n倍频的正弦余弦参考信号分别乘以透射光强，经低通滤波器滤波后可分别获得n次谐波信号的X和Y方向分量。其中，步骤2中，调制系数的确定方法为：设定一定的寻优算法，对调制系数m1、m2、调制频率比R及调制相位差进行全局寻优。其中，步骤3中，建立TTWMS的波数时间关系表达式的方法为：将V(t)标示为扫描项vs(t)和调制项vm1(t)、vm2(t)的和，其中vs(t)可根据下式(17)拟合得到，调制项vm1(t)、vm2(t)可以分别表示为式(18)和(19)：式(17)～(19)中的下标s、m分别代表扫描频率和调制频率对应的调制参数，下标1、2分别为该频率对应的一倍频和二倍频，a为各调制频率下的调制系数，b、e为各频率间耦合项系数，c、d、g、h为相应的耦合项相角，取n＝2，对调制项各离散点进行拟合，结合扫描项得到双频率波长调制方法的波数时间关系表达式。相比于现有技术，本专利技术技术方案具有的有益效果为：首先，本专利技术双频率波长调制方法(TTWMS)具有更高的信噪比，比单频率波长调制方法(SWMS)的信噪比提高了51％以上；其次，双频率波长调制方法在免标定测量方法中具有更小的拟合残差，测量稳定性远远优于单频率波长调制方法；最后，在弱吸收条件下，双频率波长调制方法谐波峰值位置易于判断且具有更强的稳定性，在弱吸收信号或低浓度气体检测方面具有较大的应用潜力，可以进一步降低系统气体浓度的检测下限。附图说明图1是本专利技术测量方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，对双频率波长调制的激光激励方式进行傅里叶分析，理论推导出n次谐波的X和Y方向分量，对应的表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，对双频率波长调制的激光激励方式进行傅里叶分析，理论推导出n次谐波的X和Y方向分量，对应的表达式为：式(1)和式(2)中，为未加调制时的激光器光强，Hk、Jk为k次傅里叶系数，i1，k、i2，k分别为k次光强调制频率f1、f2对应的傅里叶系数，为分别对应的k次光强调制的初始相角；其中，R＝f2/f1，δnk为符号函数，当n＝k时，其值为1，否则为0，sgn(x)为符号函数，表示当x＞0时，其值为1，当x＜0，其值为-1，x＝0时，其值为0；当吸收为零，即满足τ(t)＝0时，Hk＝δk0，Jk＝0，代入式(1)、(2)，得到无吸收时的X分量和Y分量的表达式为：扣除背景的n次谐波(nf信号)表达式为：步骤2，定义调制系数其中ΔV为吸收谱线的半高宽，谱线中心频率处二次谐波信号是调制系数的函数，通过全局寻优算法确定最佳调制参数；步骤3，建立TTWMS波数时间关系表达式：式(6)中，下标s、m分别代表扫描频率和调制频率对应的调制参数，为激光器的中心波数，fs为激光器的扫描频率，为相对应的扫描调制相角，fm1和fm2分别为激光器的两个调制频率，和是相对应的调制相角，式中和下标中的i表示扫描频率或调制频率下对应的i阶调制参数，β是各频率间耦合项的耦合系数，使用该表达式对标准具的波数时间离散点进行拟合，得到表达式中的各拟合参数；步骤4，在最佳调制参数下，使用光电探测器测量无吸收介质的原始光强和有吸收介质时的透射光强并将其转换成电信号传送至处理器，处理器对上述信号分别进行处理，使用A、ΔVC、v0作为未知参数，结合和Beer-Lambert定律得到仿真透射光强式(7)中，S(T)为谱线线强，P是气体压力，x是待测气体浓度，L是光程长，Φ(V(t)，ΔVC，ΔVD，v0)为Voigt线性函数，其中V(t)是波数时间的对应关系，ΔVC、ΔVD分别对应谱线的碰撞加宽及多普勒展宽，v0是谱线的中心波数，A代表积分吸收面积，T为温度；步骤5，对和分别进行参数设置相同的n次谐波解调，可以得到各自对应的X分量和Y分量：和和和仿真信号的扣除背景一次谐波归一化n次谐波信号为：测量信号的扣除背景一次谐波归一化n次谐波信号为：步骤6，根据最小二乘拟合算法，比较信号和信号，计算两个信号之间的残差，判断是否为最佳拟合，输出此时的A、ΔVC、v0，可计算出待测气体参数值；否则重新设置参数值，重复步骤4～5，直到获得最佳拟合值。2...

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