一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，该方法通过建立适合于任意调制系数下的考虑福伊特线型的光谱吸收率二次谐波峰高‑峰宽特征关系，实现了利用谐波特征计算积分吸光度，从而获得气体参数信息；同时在该方法实施过程中采用对数处理技术，直接消除了剩余幅度调制对谐波信号畸变的影响，提高了测量精度；本发明专利技术测量方法无需进行复杂的最小二乘迭代拟合计算且只需要进行一次滤波处理，降低了对硬件系统的要求；在无法获得完整谐波信号时仍可较精确的提取波形特征点信息，测量下限更低；无需利用数据库中自展宽系数、各种其他组分的碰撞展宽系数、温度依赖指数等过多的参数，减小对数据库参数的依赖性，应用范围更广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法
本专利技术涉及一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，属于激光吸收光谱

技术介绍
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，在痕量气体的检测与燃烧诊断领域具有广阔的应用前景。为了降低噪声对测量结果的影响，提高信噪比，在信号检测方法上常采用波长调制光谱(WMS)方法，其中二次谐波检测最为常用。波长调制光谱法在实际定量测量时，测量结果往往需要经过标准气体标定，然而由于实际现场环境中待测气体的组分与标准气体的组分不同，并且可能随时变化，完全根据标定方式获取的气体浓度测量值会存在一定的误差。为了解决这一难题，研究人员开发出了一系列免标定WMS方法，主要包括基于Hitran数据库仿真的谐波分析法和WMS-2f/1f波形拟合法等。然而基于Hitran数据库仿真的谐波分析法需要精确的谱线参数(例如，自展宽系数、各种其他组分的碰撞展宽系数、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：步骤1，激光器在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，光电探测器分别测量无吸收的背景光强信号I0和有吸收的透射光强信号It；步骤2，测量激光经过固体标准具后的干涉峰信号，并根据该固体标准具的自由谱间距FSR，将时域光强信号转换成频域光强信号，从而得到激光扫描相对波数的变化关系V(t)和调制深度的大小a；步骤3，对测量得到的透射光强信号It与背景光强信号I0进行对数处理，得到光谱吸收率信号α(v)；步骤4，对光谱吸收率信号α(v)进行锁相滤波处理，得到其对应的二次谐波信号Hα；步骤5，利用寻峰算...

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：步骤1，激光器在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，光电探测器分别测量无吸收的背景光强信号I0和有吸收的透射光强信号It；步骤2，测量激光经过固体标准具后的干涉峰信号，并根据该固体标准具的自由谱间距FSR，将时域光强信号转换成频域光强信号，从而得到激光扫描相对波数的变化关系V(t)和调制深度的大小a；步骤3，对测量得到的透射光强信号It与背景光强信号I0进行对数处理，得到光谱吸收率信号α(v)；步骤4，对光谱吸收率信号α(v)进行锁相滤波处理，得到其对应的二次谐波信号Hα；步骤5，利用寻峰算法计算得到二次谐波信号Hα的中心峰高度结合激光扫描相对波数的变化关系V(t)计算得到二次谐波信号Hα在频域的旁瓣宽度Λ；步骤6，建立任意调制系数下，光谱吸收率α(v)对应的二次谐波信号Hα的中心峰高度及旁瓣宽度Λ与积分吸光度A和吸收谱线洛伦兹展宽λL的关系；步骤7，初始化吸收谱线洛伦兹展宽λL＝λL0，根据已知的温度计算得到吸收谱线的高斯展宽λG，结合测量得到的调制深度a，计算得到理论旁瓣宽度Λ0；步骤8，判断步骤5得到的旁瓣宽度Λ和步骤7得到的理论旁瓣宽度Λ0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，则得到吸收谱线的洛伦兹展宽λL＝λL0，结合步骤5得到的谐波中心峰高度计算出积分吸光度A，积分吸光度A计算公式如下：若不满足，则更新λL0＝λnew，返回步骤7；其中，λnew是所采用的优化算法产生的新值，优化算法可从MATLAB中各算法函数中随机选取，选出的函数会产生一个随机的新值；步骤9，根据计算得到的积分吸光度A计算得到气体的浓度值，气体浓度值的计算公式如下：式中，P为气体总压，S(T)为温度T下的谱线线强，L为吸收光程长。2.根据权利要求1所述的基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，其特征在于：步骤3中，对数处理的表达式为：α(v)＝-ln(It/I0)＝Aφ(v)式中：It和I0分别为激光透射光强和激光入射光强；A为积分吸光度；φ(v)为线型函数。3.根据权利要求2所述的基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法，其特征在于：线型函数φ(v)是洛伦兹线型函数和高斯线型函数...

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