基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法技术

一种基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法,吸纳利用解调的一次谐波归一化的二次谐波信号，一次谐波归一化的三次谐波信号，

【技术实现步骤摘要】
基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法，具体适用于提高抗干扰能力和测量精度。

技术介绍

[0002]气体浓度是最重要的物理化学参数之一，其与日常生活，安全生产和国防工业息息相关。通过测量水蒸气，醛，苯等气体浓度，可以评定人居环境；通过测量人呼出气体二氧化碳，氧气和一氧化氮等气体成分，可以判定人体基础代谢情况；通过测量甲烷浓度，可以为煤矿井下作业提供预警；通过测量多组分气体浓度可以了评估电站锅炉，工业窑炉和航空发动机等燃烧动力装置的运行效率和排放特性。激光吸收光谱技术是典型的非接触式气体检测技术，其实现简单，系统易集成，响应速度快，具有高选择性和灵敏度，能够实现定量测量，已经被广泛的应用于工业过程检测，环境监测和高端仪器制造。
[0003]然而在采用激光吸收光谱技术在复杂恶劣环境进行气体检测时，测量结果的稳定性和可靠性容易受到外界环境的干扰，限制了检测结果的保真度。尽管一次谐波归一化二次谐波方法和双路可调谐激光吸收光谱技术的归一化降噪方法均能够提升气体检测的灵敏度，但由于两种方法均是利用单一信号对测量结果进行映射，对测量结果的稳定性和保真度提升有限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的抗干扰能力弱的问题，提供了一种具备抗干扰能力的基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法。
[0005]为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是：
[0006]基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法，所述检测方法基于如下检测装置，包括：激光发生装置、光路测量装置和信号采集分析装置，所述激光发生装置的激光器为分布反馈式半导体激光器，所述激光器的中心频率等于待测气体的中心频率；
[0007]所述检测方法包括如下步骤：
[0008]S1、利用时分复用技术，给激光器注入扫描和调制电流，上半周期为扫描加调制信号，下半周期为扫描信号，激光器出射激光穿过待测气体被信号采集分析装置的光电探测器接收，光电探测器所产生的信号被数据采集卡采集；
[0009]S2、信号采集分析装置对数据采集卡采集的吸收信号在数据后处理程序中进行软件解调和基线拟合，分别获得多次谐波信号1f～nf(5≤n≤10)和光谱吸收度DAS数据，然后将获得的多次谐波信号全部进行归一化处理获得试验测量的一次谐波归一化的高次谐波信号
[0010]S3、将S2中得到的n
‑
1个一次谐波归一化高次谐波光谱信号和一个光谱吸收度进行后处理，利用光谱拟合求优算法对目标气体的组分浓度进行反演，求得n
‑
1个一次谐波归
一化高次谐波光谱信号相应的浓度值；
[0011]S4、信号采集分析装置根据当前测试环境，利用吸收原始光强信号及与实验参数对应的吸光度参数进行仿真计算得到仿真计算的一次谐波归一化高次谐波信号
[0012]S5、利用最小二乘算法对目标气体浓度进行反演求解，得到最终的气体浓度值。
[0013]所述S2中信号采集分析装置对数据采集卡采集的吸收信号在数据后处理程序中进行软件解调和基线拟合，获得一次谐波信号1f，二次谐波信号2f，三次谐波信号3f，
……
n次谐波信号nf(5≤n≤10)和光谱吸收度DAS数据；
[0014]信号采集分析装置对得到的多次谐波信号分别进行归一化处理，通过运算获得一次谐波归一化的二次谐波信号一次谐波归一化的三次谐波信号
……
一次谐波归一化的n次谐波信号
[0015]S3、将S2中得到的n
‑
1个一次谐波归一化高次谐波光谱信号和一个光谱吸光度进行后处理，利用光谱拟合求优算法对目标气体的组分浓度进行反演，获得n
‑
1个由一次谐波归一化高次谐波光谱信号求得相应的浓度值Xabs_2f/1f，Xabs_3f/1f，
……
Xabs_nf/1f和一个由光谱吸光度求得的浓度值Xabs_DAS。
[0016]S4、信号采集分析装置根据当前测试环境，确定当前的温度、湿度、光程和气压，在信号采集分析装置内部数据库中查找对应气体对应环境的理论吸光度，利用吸收原始光强信号及与实验参数对应的吸光度参数进行仿真计算得到仿真计算的一次谐波归一化高次谐波信号
[0017]所述S4中仿真计算的一次谐波归一化k次谐波信号的计算方式如下：
[0018]通过以下公式描述激光频率和光强非线性效应：
[0019][0020][0021]其中，是电流扫描信号对应的中心频率，ω
m
是调制信号的角频率，a[cm
‑1]是频率调制深度；为激光器出光中心频率处的光强，i
j
为归一化的j次非线性强度调制幅度，ψ
j
为j次非线性光强调制和频率调制的相位差；
[0022]当一束频率为v的单色激光通过待测吸收气体时，其吸收规律遵循如下的Beer
‑
Lambert定律：
[0023][0024]式中：τ(v(t))为随时间变化的透过率，I0为入射光强，I
t
为透射光强；L为吸收光程，S(T)为线强度，X为吸收组分浓度，P为气体总压，以上四项参数的乘积A被称为吸收率积分值，为线型函数，采用Voigt函数对其进行描述；对时域上的透过率τ(v)进行傅里叶级数展开，可得到：
[0025][0026]式中：ω
m
为激光电流调制频率，H
k
和J
k
为透过率的k阶傅里叶系数，其表达式如下：
[0027]J0＝0
[0028][0029]将(1)、(4)式中的I0和I
t
代入到公式(3)中，并进行傅里叶展开，可得到kω
m
倍频对应的傅里叶系数，将其定义为X
kf
和Y
kf
，该系数即为透射光强在X轴和Y轴上的k次谐波(2≤k≤n)，其通项表达式如下：
[0030][0031][0032][0033]则
[0034]通过上述仿真计算的一次谐波归一化k次谐波信号
[0035]所述S5、利用多个一次谐波归一化高次谐波光谱信号，通过最小二乘法对最终浓度进行求解获得浓度的最优解：利用最小二乘算法对目标气体浓度进行反演求解时可采用以下四种方法之一：
[0036]方法1：根据所选的n
‑
1个归一化高次谐波光谱信号，所将以下函数作为优化的目标函数，对气体浓度参数X
abs
进行求解：
[0037][0038]其中，k为谐波次数(2≤k≤n)，kf为k次谐波，表示对应一次谐波归一化k次谐波的吸收峰值，exp代表实验值，sim代表仿真值；
[0039]方法2：根据所选的n
‑
1个归一化高次谐波光谱信号，所将以下函数作为优化的目标函数，对气体浓度参数X<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法，其特征在于：所述检测方法基于如下检测装置，包括：激光发生装置、光路测量装置(5)和信号采集分析装置，所述激光发生装置的激光器为分布反馈式半导体激光器，所述激光器的中心频率等于待测气体的中心频率；所述检测方法包括如下步骤：S1、利用时分复用技术，给激光器注入扫描和调制电流，上半周期为扫描加调制信号，下半周期为扫描信号，激光器(3)出射激光穿过待测气体被信号采集分析装置的光电探测器接收，光电探测器所产生的信号被数据采集卡采集；S2、信号采集分析装置对数据采集卡采集的吸收信号在数据后处理程序中进行软件解调和基线拟合，分别获得多次谐波信号1f～nf(5≤n≤10)和光谱吸收度DAS数据，然后将获得的多次谐波信号全部进行归一化处理获得试验测量的一次谐波归一化的高次谐波信号S3、将S2中得到的n
‑
1个一次谐波归一化高次谐波光谱信号和一个光谱吸收度进行后处理，利用光谱拟合求优算法对目标气体的组分浓度进行反演，求得n
‑
1个一次谐波归一化高次谐波光谱信号相应的浓度值；S4、信号采集分析装置根据当前测试环境，利用吸收原始光强信号及与实验参数对应的吸光度参数进行仿真计算得到仿真计算的一次谐波归一化高次谐波信号S5、利用最小二乘算法对目标气体浓度进行反演求解，得到最终的气体浓度值。2.根据权利要求1所述的基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法，其特征在于：所述S2中信号采集分析装置对数据采集卡采集的吸收信号在数据后处理程序中进行软件解调和基线拟合，获得一次谐波信号1f，二次谐波信号2f，三次谐波信号3f，
……
n次谐波信号nf(5≤n≤10)和光谱吸收度DAS数据；信号采集分析装置对得到的多次谐波信号分别进行归一化处理，通过运算获得一次谐波归一化的二次谐波信号一次谐波归一化的三次谐波信号一次谐波归一化的n次谐波信号3.根据权利要求2所述的基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法，其特征在于：S3、将S2中得到的n
‑
1个一次谐波归一化高次谐波光谱信号和一个光谱吸光度进行后处理，利用光谱拟合求优算法对目标气体的组分浓度进行反演，获得n
‑
1个由一次谐波归一化高次谐波光谱信号求得相应的浓度值Xabs_2f/1f，Xabs_3f/1f，
……
Xabs_nf/1f和一个由光谱吸光度求得的浓度值Xabs_DAS。4.根据权利要求1所述的基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法，其特征在于：S4、信号采集分析装置根据当前测试环境，确定当前的温度、湿度、光程和气压，在信号采集分析装置内部数据库中查找对应气体对应环境的理论吸光度，利用吸收原始光强信号
及与实验参数对应的吸光度参数进行仿真计算得到仿真计算的一次谐波归一化高次谐波信号5.根据权利要求4所述的基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测方法，其特征在于：所述S4中仿真计算的一次谐波归一化k次谐波信号的计算方式如下：通过以下公式描述激光频率和光强非线性效应：通过以下公式描述激光频率和光强非线性效应：其中，是电流扫描信号对应的中心频率，ω
m
是调制信号的角频率，a[cm
‑1]是频率调制深度；为激光器出光中心频率处的光强，i
j
为归一化的j次非线性强度调制幅度，ψ
j
为j次非线性光强调制和频率调制的相位差；当一束频率为v的单色激光通过待测吸收气体时，其吸收规律遵循如下的Beer
‑
Lambert定律：式中：τ(v(t))为随时间变化的透过率，I0为入射光强，I
t
为透射光强；L为吸收光程，S(T)为线强度，X为...

【专利技术属性】
技术研发人员：马柳昊，王宇，王伟，周晨，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：