本发明专利技术公开了一种基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法，其特征在于，采用包括气体模块、激光模块、滤光模块和信号检测与处理模块的激光拉曼气体检测系统，通过透镜组和不同滤光片，让m种气体的斯托克斯散射光通过滤光模块，信号检测与处理模块检测叠加的拉曼信号并使用伪逆法重构单个气体的拉曼信号，进而计算气体浓度。本发明专利技术不改变现有的激光拉曼气体检测系统，对于低浓度气体，通过拉曼信号的叠加可以有效地增强抵抗噪声攻击的能力，从而提高对低浓度气体的浓度检测精度。
Laser Raman gas concentration detection method based on multi signal superposition and pseudo inverse method
【技术实现步骤摘要】
基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法
本专利技术涉及一种气体检测方法，具体涉及一种基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法，属于光学检测领域。
技术介绍
随着我国经济的高速发展，石油和天然气需求日益增多，当前我国探明的石油储量约占世界总量的11％，天然气仅占0.4％，每年需进口大量石油和天然气。因此，深层油气的探勘和开采有着重要意义。在深层油气的勘探中，录井技术常被用来采集和分析油气信息。用于分析气体成分和浓度的气体检测技术是录井技术的核心之一。目前常见的气体检测方法有红外光谱法、气象色谱法、质谱与色谱结合法和激光拉曼气体检测法。红外光谱法分析速度快，但检测精度差且无法检测对称结构非极性双原子分子。气象色谱法能同时检测多种气体且精度较高，但实时性差，检测周期长。质谱与色谱结合法分析速度快，精度高且实时性好，但设备昂贵且操作复杂。不同的气体在激光的照射下会产生特定的拉曼频移和斯托克斯散射光，因此可以根据拉曼频移和斯托克斯散射光的强度实现对混合气体组分的测定。激光拉曼气体检测方法无需接触气体，可以在各种恶劣环境下进行气体检测。但气体的分子密度远低于固体和液体，且气体的散射截面小，因此斯托克斯散射光的强度较弱，对于低浓度气体的检测误差较大。综上所述，现有的气体检测方法，都有各自的缺点，要么检测范围小，要么设备复杂，要么精度较差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：现有气体检测方法检测范围小，设备复杂，精度较差等问题。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法，其特征在于，采用包括气体模块、激光模块、滤光模块和信号检测与处理模块的激光拉曼气体检测系统，通过透镜组和不同滤光片，让m种气体的斯托克斯散射光通过滤光模块，信号检测与处理模块检测叠加的拉曼信号并使用伪逆法重构单个气体的拉曼信号，进而计算气体浓度。优选地，所述激光拉曼气体检测系统中的气体模块包括通过气压阀与混合气体样品连通的过滤器；激光模块包括一对反射镜，两块反射镜之间依次设有激光光源、气体反应腔/激光谐振腔、棱镜；滤光模块包括用于对气体反应腔/激光谐振腔发出的激光进行处理的滤光片；信号检测与处理模块包括用于检测滤光片处理后的光的信号检测装置、用于将信号检测装置检测的信号进行转换的A/D转换器及用于对A/D转换器转换的信号进行数据处理的计算机信号处理系统。混合气体样品需要经过干燥和过滤后才可导入气体反应腔。所述激光模块中激光在激光谐振腔中通过棱镜去除杂散光，在两面反射镜之间来回反射将激光的能量增强百倍。所述滤光模块位于信号检测处理模块前，由透镜组和窄带滤光片组成。透镜组对斯托克斯散射光起到准直聚焦的作用，不同的窄带滤光片起到了过滤杂散光和通过特定波长的散射光的作用。所述信号检测处理模块由光信号探测器、电信号放大电路(A/D转换器)和计算机组成，该模块的主要功能是将检测到的微弱光信号转换为电信号并放大后传输至计算机进行后期处理。更优选地，包括以下步骤：步骤1：使用Gaussian09W软件计算气体的拉曼频移，进而计算理论斯托克斯散射光波长，为选择合适的滤光片提供参考；步骤2：使用激光照射激光谐振腔，激光在激光谐振腔中来回反射增强激光的能量；步骤3：干燥和过滤后的混合气体样品通入气体反应腔；步骤4：根据气体特征光波长和所需叠加的拉曼信号数目，选择合适的滤光片，使信号检测与处理模块获取叠加的气体拉曼信号；步骤5：利用伪逆法重构不同气体的拉曼信号；步骤6：基于重构的拉曼信号，根据式1获取不同气体的浓度C；式1中，xcs为单组份气体的重构拉曼信号值，E100为单组分气体体积浓度为100％时的拉曼信号值。进一步地，所述步骤5中伪逆法使用的公式为：x＝φ+y＝φT(φφT)-1y式2；式2中，y表示叠加的气体拉曼信号值，φ表示转换矩阵，x表示待重构的单气体拉曼信号。φ+表示矩阵的伪逆，T表示矩阵的转置。更进一步地，所述伪逆法计算过程中，进行如下改进：将信号的叠加数从2扩充至m，构造一个多维转换矩阵，所述转换矩阵的维数大小为m×m(m-1)/2。对于浓度过低的气体检测，双路信号叠加的拉曼信号仍然微弱，增加叠加信号数目虽然可以提高散射光强度，增加抵抗系统噪声的能力，但是对于伪逆法而言，多个气体拉曼信号相互干扰，单气体的拉曼信号数值特征不明显，从而导致伪逆法的重构精度很差，故要进行上述改进。进一步地，将单组份气体的体积浓度为100％时的拉曼信号值通过所述激光拉曼气体检测系统测量，测量方法包括如下步骤：使用氩气驱除气体反应腔内的余气后，向气体反应腔内通入体积浓度99.9％的待测气体和体积浓度0.1％的氩气，使气体反应腔内压强为一个标准大气压；开启激光光源，激光光源发出的光依次通过气体反应腔、滤光模块，被信号检测与处理模块接收，信号检测与处理模块计算得到该单组份气体含量为体积浓度100％时的拉曼能量值。更进一步地，所述待测气体与氩气通入气体反应腔内的流量为200-300mL/min。根据本专利技术所提供的一种基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体检测方法，无需改变现有的激光拉曼气体检测系统，通过透镜组和不同滤光片的选择，信号检测装置可以检测叠加的气体拉曼信号，使用伪逆法重构即可获得单个气体的拉曼信号值，进而获取气体浓度。因此，本专利技术操作快速便捷，对低浓度气体有着较好的检测精度。附图说明图1为本专利技术提供的基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法的流程图；图2为实施例中使用的激光拉曼气体检测系统的示意图。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。实施例图2为激光拉曼气体浓度检测系统的示意图，其由气体模块、激光模块、滤光模块和信号检测与处理模块组成。所述气体模块包括通过气压阀与混合气体样品连通的过滤器；激光模块包括一对反射镜，两块反射镜之间依次设有激光光源、气体反应腔/激光谐振腔、棱镜；滤光模块包括用于对气体反应腔/激光谐振腔发出的激光进行处理的滤光片；信号检测与处理模块包括用于检测滤光片处理后的光的信号检测装置、用于将信号检测装置检测的信号进行转换的A/D转换器及用于对A/D转换器转换的信号进行数据处理的计算机信号处理系统。所述激光光源为波长632.8nm的氦氖激光。一种基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法，其采用上述激光拉曼气体检测系统分别检测由m种气体组成的混合气体中各气体的浓度。其流程如图1所示，包括如下步骤(本实施例中对6种气体组成的混合气体进行检测)：步骤1：通过Gaussian09W软件计算气体的拉曼频移，进而计算气体的斯托克斯散射光波长，6种气体H2、C2H6、CH4、N2、O2、CO2的拉曼频移和斯托克斯散射光波长如表1所示。表1不同气体的拉曼频移和特征光波长步骤2：打开激光光源，将632.8本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法，其特征在于，采用包括气体模块、激光模块、滤光模块和信号检测与处理模块的激光拉曼气体检测系统，通过透镜组和不同滤光片，让m种气体的斯托克斯散射光通过滤光模块，信号检测与处理模块检测叠加的拉曼信号并使用伪逆法重构单个气体的拉曼信号，进而计算气体浓度。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法，其特征在于，采用包括气体模块、激光模块、滤光模块和信号检测与处理模块的激光拉曼气体检测系统，通过透镜组和不同滤光片，让m种气体的斯托克斯散射光通过滤光模块，信号检测与处理模块检测叠加的拉曼信号并使用伪逆法重构单个气体的拉曼信号，进而计算气体浓度。
2.如权利要求1所述的基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法，其特征在于，所述激光拉曼气体检测系统中的气体模块包括通过气压阀与混合气体样品连通的过滤器；激光模块包括一对反射镜，两块反射镜之间依次设有激光光源、气体反应腔/激光谐振腔、棱镜；滤光模块包括用于对气体反应腔/激光谐振腔发出的激光进行处理的滤光片；信号检测与处理模块包括用于检测滤光片处理后的光的信号检测装置、用于将信号检测装置检测的信号进行转换的A/D转换器及用于对A/D转换器转换的信号进行数据处理的计算机信号处理系统。
3.如权利要求2所述的基于多信号叠加和伪逆法的激光拉曼气体浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用Gaussian09W软件计算气体的拉曼频移，进而计算理论斯托克斯散射光波长，为选择合适的滤光片提供参考；
步骤2：使用激光照射激光谐振腔，激光在激光谐振腔中来回反射增强激光的能量；
步骤3：干燥和过滤后的混合气体样品通入气体反应腔；
步骤4：根据气体特征光波长和所需叠加的拉曼信号数目，选择合适的滤光片，使信号检测与处理模块获取叠加的气体拉曼信号；
步骤5：利用伪逆法重构不同气体的拉曼信号；
步骤6：基于重...
【专利技术属性】
技术研发人员：张雷洪，徐润初，叶华龙，张大伟，王凯民，康祎，张志晟，王朝锐，袁晓，熊锐，王阳，卞志祥，韩晓宣，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。