一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法，包括如下步骤：激光水汽浓度测量设备根据AD值‑水汽浓度拟合函数C＝k1(AD)，将测量AD值转换为水汽浓度C；通过温度、压力传感器测量得到环境温度T和环境总压力P，对计算得到的水汽浓度C进行温度修正和总压力修正，得到水汽浓度修正值C1；由温度T和已知不同温度的饱和水汽浓度CE，得到待测水汽浓度范围[0，CE]，将水汽浓度值设定为C0＝(0+CE)/2＝CE/2；比较水汽浓度修正值C1和水汽浓度设定值C0；通过迭代算法，修正后的水汽浓度值为C2，完成整个修正过程。本发明专利技术公开的修正方法可以消除由于温度、总压力和水汽分压变化对可调谐激光吸收光谱法水汽浓度测量产生的影响，提高海气通量水汽浓度测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法
本专利技术涉及一种水汽浓度测量
，特别涉及一种基于激光吸收光谱技术的海气界面通量水汽浓度测量修正方法。
技术介绍
海气界面通量是描述大气边界层和海洋上表层相互作用的重要参数。海气界面通量的相关研究，对了解海气界面的能量和物质交换、海气耦合作用、不同尺度的海洋和大气动力过程、海洋和大气的数值模拟、天气预报和气候动力学研究等都具有十分重要的意义。水汽通量是海洋和大气之间的水汽物质交换量，水汽通量与海洋的盐度变化、大气中的水汽含量、海洋和陆地的降水量等都有着密切的关系，高速、高精度的现场水汽浓度测量是海气界面水汽通量观测一个极其重要的环节。目前海气通量观测使用的水汽浓度分析仪采用的是非分散红外光谱探测技术(NDIR)，在实际应用过程中，非分散红外光谱探测技术主要存在以下两个问题：第一，非分散红外光谱探测技术采用宽带光源，光源稳定性不高，在目标水汽吸收谱线范围内有其它气体的吸收线，存在谱线干扰，会对水汽浓度的精确测量产生影响；第二，非分散红外光谱探测技术采用红外光谱直接吸收方式，视窗污染以及宽带光源波动等原因造成的红外光透过率变化的影响较难消除。可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是在分子吸收光谱理论基础上发展起来的气体测量技术，该种测量技术使用窄带光源，光源波长调谐范围一般只有几个纳米，光谱线宽为几十MHz，在光源波长调谐范围内没有其它干扰气体。TDLAS具有NDIR的宽带光源所不具备的高分辨率，具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，已成为快速在线气体检测的有效方法之一。针对温度和环境总气压变化会对TDLAS谐波信号产生影响的问题，已有多位学者展开了研究，并建立了相应的修正模型，但这些修正模型仅适用于气体浓度变化范围相对较小的情况。然而，空气中的水汽分压(水汽浓度)是与环境温度密切相关的，随着温度的升高，饱和水汽压增长非常迅速，水汽分压对TDLAS水汽浓度测量产生的影响不可忽略。环境温度、总气压和水汽分压对TDLAS激光水汽浓度测量的影响并不是孤立的，需要综合分析温度、总气压和水汽分压变化对水汽吸收线线强、谱线宽度、谐波信号幅值以及激光水汽浓度测量的影响，对TDLAS法测量得到的水汽浓度进行同步的温度、总压力、水汽分压修正，提高海气通量观测水汽浓度的检测精度。已有研究中所建立的温度和总气压修正模型未考虑水汽分压变化对TDLAS谐波检测产生的影响，对于海气通量观测水汽浓度测量来说并不适用。对于海气通量水汽浓度分析仪来说，自然环境中水汽浓度可从几百ppm到十几万ppm范围内变化，水汽分压变化对水汽吸收线谱线展宽的影响不能忽略，进而会对TDLAS系统检测到的谐波信号幅值产生影响。水汽分压本身是一个待测量，因此水汽分压变化对TDLAS水汽浓度测量的影响无法用修正函数进行修正，因此，水汽分压自身变化对TDLAS谐波检测法谱线展宽和水汽浓度测量所带来的影响如何消除是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法，修正过程完成后，可以消除由于温度、总压力和水汽分压变化对可调谐激光吸收光谱法水汽浓度测量产生的影响，提高海气通量水汽浓度测量的精度。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法，包括如下步骤：(1)激光水汽浓度测量设备的采样电路测量谐波幅值信号AD值，根据测量AD值与已知水汽样气浓度的对应关系，得到AD值-水汽浓度拟合函数C＝k1(AD)，根据拟合函数将设备测量得到的AD值转换为水汽浓度C；(2)通过激光水汽浓度测量设备的温度传感器和压力传感器测量得到环境温度T和环境总压力P，对计算得到的水汽浓度C进行温度修正和总压力修正，得到水汽浓度修正值C1；(3)由环境温度T和已知不同温度下的饱和水汽浓度CE，计算得到待测水汽浓度的范围[0，CE]，将水汽浓度值设定为C0＝(0+CE)/2＝CE/2；(4)比较上述步骤(2)中水汽浓度修正值C1和步骤(3)中水汽浓度设定值C0；判断是否符合C1≥C0，如果满足C1≥C0，则将水汽浓度范围设定为[C0，CE]，再设定水汽浓度为C2＝(C0+CE)/2；如果不满足C1≥C0，水汽浓度范围设定为[0，C0]，再设定水汽浓度为C2＝(0+C0)/2；然后判断|C2-C1|＜ε是否满足，ε为设备的检测精度；如果满足|C2-C1|＜ε，则取修正后的水汽浓度值为C2；如果不满足|C2-C1|＜ε，则设定水汽浓度值C0＝C2，重新进入步骤(4)，进行迭代循环；直到满足|C2-C1|＜ε，退出迭代循环，取修正后的水汽浓度值为C2，完成整个修正过程。所述步骤(2)中，水汽浓度修正值C1计算公式如下：C1＝C·k2(T)·k3(P)＝k1(AD)·k2(T)·k3(P)(1)其中，k1(AD)为AD值-水汽浓度拟合函数，在常温常压下，将设备置于水汽浓度发生设备中，利用水汽浓度发生设备产生不同浓度的水汽，待水汽浓度稳定后，同时记录设备输出的AD值和水汽样气的浓度值，对AD值和水汽浓度值进行数据拟合，得到AD值-水汽浓度拟合函数：k1(AD)＝a1·ADm+b1·ADm-1+c1·ADm-2+…+x1·AD+y1(2)式中：a1，b1，c1…x1，y1为拟合系数，m为2、3、4或5；公式(1)中，S(T0)为标准温度T0时的水汽吸收谱线的线强度；S(T)为温度T时的水汽吸收谱线的线强度；式中：S(T0)为标准温度T0时水汽吸收线的谱线强度；Q(T)为水汽分子的总配分函数；h为普朗克常量；c为光速；k为波尔兹曼常数；E"为水汽分子跃迁低能态能量。公式(1)中，k3(P)为总压力修正函数，温度一定的情况下，利用压力检定设备改变实验环境压力，使总压力在0.6～1.1atm范围内变化，测量不同压力下的水汽浓度值，对不同压力下测量得到的水汽浓度值进行拟合，得到总压力修正函数：式中：a2，b2，c2…x2，y2为根据拟合数据得到的总压力修正系数，n为2、3、4或5.通过上述技术方案，本专利技术提供的一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法，采用迭代算法对水汽分压进行修正，修正过程完成后，可以消除由于温度、总压力和水汽分压变化对可调谐激光吸收光谱法水汽浓度测量产生的影响，提高海气通量水汽浓度测量精度，具有重要的意义。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为-30～50℃时空气中的饱和水汽浓度值曲线图；图2为-30～50℃时7181.155780cm-1水汽吸收线的谱线展宽；图3为本专利技术实施例所公开的一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法流程示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。空气中的水汽分压(水汽浓度)是与环境温度密切相关的，随着温度的升高，饱和水汽压增长非常迅速，图1中给出了-30～50℃时空气中的饱和水汽浓度值。水汽谱线宽度vL可用如下公式表示：其中：γH2O和PH2O为待测水汽自身的展宽系数和水汽分压；γi和Pi为其它气体的压力展宽系数和分压。根据HITRAN201本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)激光水汽浓度测量设备的采样电路测量谐波幅值信号AD值，根据测量AD值与已知水汽样气浓度的对应关系，得到AD值‑水汽浓度拟合函数C＝k1(AD)，根据拟合函数将设备测量得到的AD值转换为水汽浓度C；(2)通过激光水汽浓度测量设备的温度传感器和压力传感器测量得到环境温度T和环境总压力P，对计算得到的水汽浓度C进行温度修正和总压力修正，得到水汽浓度修正值C1；(3)由环境温度T和已知不同温度下的饱和水汽浓度CE，计算得到待测水汽浓度的范围[0，CE]，将水汽浓度值设定为C0＝(0+CE)/2＝CE/2；(4)比较上述步骤(2)中水汽浓度修正值C1和步骤(3)中水汽浓度设定值C0；判断是否符合C1≥C0，如果满足C1≥C0，则将水汽浓度范围设定为[C0，CE]，再设定水汽浓度为C2＝(C0+CE)/2；如果不满足C1≥C0，水汽浓度范围设定为[0，C0]，再设定水汽浓度为C2＝(0+C0)/2；然后判断|C2‑C1|＜ε是否满足，ε为设备的检测精度；如果满足|C2‑C1|＜ε，则取修正后的水汽浓度值为C2；如果不满足|C2‑C1|＜ε，则设定水汽浓度值C0＝C2，重新进入步骤(4)，进行迭代循环；直到满足|C2‑C1|＜ε，退出迭代循环，取修正后的水汽浓度值为C2，完成整个修正过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)激光水汽浓度测量设备的采样电路测量谐波幅值信号AD值，根据测量AD值与已知水汽样气浓度的对应关系，得到AD值-水汽浓度拟合函数C＝k1(AD)，根据拟合函数将设备测量得到的AD值转换为水汽浓度C；(2)通过激光水汽浓度测量设备的温度传感器和压力传感器测量得到环境温度T和环境总压力P，对计算得到的水汽浓度C进行温度修正和总压力修正，得到水汽浓度修正值C1；(3)由环境温度T和已知不同温度下的饱和水汽浓度CE，计算得到待测水汽浓度的范围[0，CE]，将水汽浓度值设定为C0＝(0+CE)/2＝CE/2；(4)比较上述步骤(2)中水汽浓度修正值C1和步骤(3)中水汽浓度设定值C0；判断是否符合C1≥C0，如果满足C1≥C0，则将水汽浓度范围设定为[C0，CE]，再设定水汽浓度为C2＝(C0+CE)/2；如果不满足C1≥C0，水汽浓度范围设定为[0，C0]，再设定水汽浓度为C2＝(0+C0)/2；然后判断|C2-C1|＜ε是否满足，ε为设备的检测精度；如果满足|C2-C1|＜ε，则取修正后的水汽浓度值为C2；如果不满足|C2-C1|＜ε，则设定水汽浓度值C0＝C2，重新进入步骤(4)，进行迭代循环；直到满足|C2-C1|＜ε，退出迭代循环，取修正后的水汽浓度值为C2，完成整个修正过程。2.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：张可可，赵强，张继明，王波，宋苗苗，闫星魁，刘世萱，陈世哲，郑学勇，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37