一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统及方法，系统包括可调谐半导体激光器、激光器控制模块、信号发生器、参考光路与探测光路、相敏检测电路、数据处理器、显示模块等，并通过背景噪声消除，零线偏移修正，利用Hitran数据库拟合获取对应二次谐波的标准信号，随后根据最优准则进行自适应迭代拟合，使信号达到不对称性最小，得到线型不对称性修正后的信号。本发明专利技术能够有效降低零线偏移噪声的波动，线型不对称等影响，提高气体测量的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统及方法
本专利技术涉及环境光学领域，具体的说是针对二次谐波信号的非线性影响提出的一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统及方法。
技术介绍
激光光谱技术利用分子光谱的“指纹”特征，对气体浓度进行定量分析，广泛的应用于气体检测中。波长调制光谱技术采用高频检测信号，能够有效地抑制背景噪声，提高检测灵敏度。但在利用波长调制的激光光谱技术进行开放空间气体检测时，激光光强不可避免的受强度调制因素、激光器的剩余幅度调制及不可控的环境噪声干扰，引起二次谐波光谱信号变形、偏移等，致使其谱线非线性增强，影响测量的准确性。因此有效的减少谱线的非线性影响，提高测量的准确性有重要研究意义。现有的研究主要从减少RAM的角度解决二次谐波的光强调制问题，但针对实际的测量过程中，引起非线性误差的影响复杂多样，仅通过减少RAM的角度，在一定意义上仍然存在其他的影响因素，并没有从根本上解决非线性对光谱信号的影响。
技术实现思路
鉴于现有技术方法存在的不足，本专利技术提出一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统及方法，以期能解决谐波检测中二次谐波光谱信号变形、偏移等致使其谱线非线性增强，影响测量准确性的问题，从而消除谱线的非线性，提高测量准确性。本专利技术解决上述问题的技术方案如下：本专利技术一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统的特点包括：激光器及控制单元、光学单元、数据处理单元；所述激光器及控制单元由可调谐半导体激光器、激光器控制模块、信号发生器组成；所述激光器控制模块控制所述可调谐半导体激光器的温度和电流，使得所述可调谐半导体激光器在目标吸收谱线附近输出波长；所述信号发生器产生的锯齿扫描信号以及高频正弦信号叠加在所述可调谐半导体激光器，从而实现对所述可调谐半导体激光器的输出波长的扫描与调制，并得到调制光束；所述光学单元由收发望远镜、参考光路与探测光路组成；所述调制光束分成参考光与探测光，所述参考光路接收所述参考光并转换成参考电信号后传输至所述数据处理单元；所述探测光路接收所述探测光并通过收发望远镜进入开放空间遥测大气后转换成探测电信号并传输至所述数据处理单元；所述数据处理单元由相敏检测电路、数据处理器、显示模块组成；所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述参考电信号进行谐波信号检测，得到参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或者参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号；所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述探测电信号进行谐波信号检测，得到探测光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号；由所述数据处理器对参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或二次谐波背景信号以及探测光路在二次谐波光谱信号进行非线性修正后再进行在线浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果并送至所述显示模块进行显示。本专利技术一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测方法的特点是按如下步骤进行：步骤1.获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号Di(n)与参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号Bi(n)，并利用式(1)进行背景噪声修正，得到第i个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号Di’(n)；D′i(n)＝Di(n)-Bi(n)n＝0,1,2...N(1)式(1)中，i表示对应的测量周期，n为信号对应序列位置，N为所述n所取得的最大值；步骤2.选取第i-1个测量周期下的光谱信号Di-1’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i个测量周期下的光谱信号Di’(n)的左侧旁瓣无吸收区的m个信号，以及第i个测量周期下的光谱信号Di’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i+1个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号Di+1’(n)的左侧旁瓣的无吸收区的m个信号；且0≤m≤N；利用式(2)对所选取的无吸收区域信号进行多项式拟合，得到第i个测量周期下零线偏移噪声信号Zi(n’)；Zi(n')＝a0+a1n'+a2n'2n'＝0,1,2...N+2m(2)式(2)中，a0，a1，a2为拟合系数，n’为拟合信号对应序列位置；步骤3.利用式(3)对零线偏移噪声信号Zi(n’)进行截取，获取截取后的零线偏移噪声信号Zi’(n’)：式(3)中，式(1)中，pi-1、pi、pi+1分别为第i-1个测量周期、第i个测量周期与第i+1个测量周期的不等精度权重，n’max为所述n'所取得的最大值，且n’max＝N+2m；步骤4.利用式(4)对所述背景噪声修正后的光谱信号Di’(n)进行修正，得到零线偏移噪声修正后的探测光谱信号Di”(n)；D″i(n)＝D′i(n)-Z′i(n+m)n＝0,1,2…N(4)获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号Ri(n)，按照步骤1-步骤4的方法对所述参考光路的第i个测量周期下的二次谐波光谱信号Ri(n)进行零线偏移噪声修正后得到零线偏移噪声修正后的参考光谱信号Ri”(n)；步骤5.从Hitran数据库获取相关参数用于对高斯线型求取二阶微分，得到微分结果带入二次谐波分量的表达式，从而获得二次谐波的标准信号；利用式(5)设置自适应拟合的最优准则：式(5)中，Iminl代表二次谐波谱线左侧波谷强度，Iminr代表二次谐波谱线右侧波谷强度，Iminm代表二次谐波谱线两个波谷处的强度平均值，分别代表理论左侧与右侧旁瓣宽度，Λl、Λr分别代表二次谐波谱线左侧与右侧旁瓣宽度，ξ、ε分别为峰谷不对称阈值与旁瓣阈值；根据所述最优准则，利用所述标准信号对零线偏移噪声修正后的参考光谱信号Ri”(n)和探测光谱信号Di”(n)进行自适应迭代拟合，从而得到第i个测量周期下的线型不对称性修正后的参考信号XRi”(n)与探测信号XDi”(n)；步骤6.根据已知的参考光路浓度，从而对所述参考信号XRi”(n)与探测信号XDi”(n)进行待测气体浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果。与现有的技术相比较，本专利技术的有益效果体现在：1.本专利技术中通过“黑箱”模式，在不改变硬件结构系统，不增加硬件的复杂性的基础上，提出线型非线性修正方法进行处理，从而消除了非线性影响，提高了测量准确性。2.本专利技术通过零线偏移修正，并按照不等精度按权重进行处理，从而消除背景噪声修正后的光谱信号Di’(n)的零线偏移噪声，减少二次谐波的偏移影响。3.本专利技术中通过设置最优准则，进行自适应迭代拟合，从而使信号不对称性最小，消除了非线性影响。附图说明图1为本专利技术的基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统的示意图；图2为本专利技术的非线性修正的检测方法的流程图；图3为现有技术中标准二次谐波图；图4为本专利技术方法修正前后验证图；图中标号：1.可调谐半导体激光器；2.激光器控制模块；3.信号发生器；4.分束器；5.参考光路的准直器；6.标准气体参考池；7.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统，其特征包括：激光器及控制单元、光学单元、数据处理单元；/n所述激光器及控制单元由可调谐半导体激光器(1)、激光器控制模块(2)、信号发生器(3)组成；/n所述激光器控制模块(2)控制所述可调谐半导体激光器(1)的温度和电流，使得所述可调谐半导体激光器(1)在目标吸收谱线附近输出波长；/n所述信号发生器(3)产生的锯齿扫描信号以及高频正弦信号叠加在所述可调谐半导体激光器(1)，从而实现对所述可调谐半导体激光器(1)的输出波长的扫描与调制，并得到调制光束；/n所述光学单元由收发望远镜(9)、参考光路与探测光路组成；/n所述调制光束分成参考光与探测光，所述参考光路接收所述参考光并转换成参考电信号后传输至所述数据处理单元；/n所述探测光路接收所述探测光并通过收发望远镜(9)进入开放空间遥测大气后转换成探测电信号并传输至所述数据处理单元；/n所述数据处理单元由相敏检测电路、数据处理器、显示模块组成；/n所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述参考电信号进行谐波信号检测，得到参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或者参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号；/n所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述探测电信号进行谐波信号检测，得到探测光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号；/n由所述数据处理器对参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或二次谐波背景信号以及探测光路在二次谐波光谱信号进行非线性修正后再进行在线浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果并送至所述显示模块进行显示。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统，其特征包括：激光器及控制单元、光学单元、数据处理单元；
所述激光器及控制单元由可调谐半导体激光器(1)、激光器控制模块(2)、信号发生器(3)组成；
所述激光器控制模块(2)控制所述可调谐半导体激光器(1)的温度和电流，使得所述可调谐半导体激光器(1)在目标吸收谱线附近输出波长；
所述信号发生器(3)产生的锯齿扫描信号以及高频正弦信号叠加在所述可调谐半导体激光器(1)，从而实现对所述可调谐半导体激光器(1)的输出波长的扫描与调制，并得到调制光束；
所述光学单元由收发望远镜(9)、参考光路与探测光路组成；
所述调制光束分成参考光与探测光，所述参考光路接收所述参考光并转换成参考电信号后传输至所述数据处理单元；
所述探测光路接收所述探测光并通过收发望远镜(9)进入开放空间遥测大气后转换成探测电信号并传输至所述数据处理单元；
所述数据处理单元由相敏检测电路、数据处理器、显示模块组成；
所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述参考电信号进行谐波信号检测，得到参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或者参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号；
所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述探测电信号进行谐波信号检测，得到探测光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号；
由所述数据处理器对参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或二次谐波背景信号以及探测光路在二次谐波光谱信号进行非线性修正后再进行在线浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果并送至所述显示模块进行显示。


2.一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1.获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号Di(n)与参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号Bi(n)，并利用式(1)进行背景噪声修正，得到第i个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号Di’(n)；
Di′(n)＝Di(n)-Bi(n)n＝0,1,2...N(1)
式(1)中，i表示对应的测量周期，n为信号对应序列位置，N为所述n所取得的最大值；
步骤2.选取第i-1个测量周期下的光谱信号Di-1’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i个测量周期下的光谱信号Di’(n)的左侧旁瓣无吸收区的m个信号，以及第...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐七星，张玉钧，陈东，刘路，廖娟，王玉伟，何莹，郭楠，
申请(专利权)人：安徽农业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34