CN102272564A - 具有自校准和扩展的动态范围的光学吸收率测量 - Google Patents

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Abstract

可以使用第一分析方法来分析代表从光源发出并以某一路径长度通过气体之后照射到探测器上的光的强度的探测器数据，以获得该一定体积的气体中的分析物浓度的第一计算，并且使用第二分析方法来分析该探测器数据以获得分析物浓度的第二计算。当确定分析物浓度超出第一分析方法的第一目标范围时，可以将第二计算提升为分析物浓度。

Description

具有自校准和扩展的动态范围的光学吸收率测量
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年6月12日申请的名称为“具有扩展的动态范围的在线自校准光学吸收传感器(Online Self-Calibrating OpticalAbsorption Sensors with Expanded Dynamic Range)”的美国临时专利申请第61/186,749号的权利，该案的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
一般而言，本文所描述的主题涉及光学吸收率测量，更具体而言，其涉及为光学吸收传感器提供自校准能力和扩展的动态测量范围的具体实施方式。
背景技术
各种光谱技术被证明已经并将继续用于使用多种光源的痕量气体检测。两种能够用于这种测量的吸收光谱技术是直接吸收光谱法和调制光谱法。尽管在原理上有些不同，但这两种技术都能够用于在实际环境中测量诸如温度、压强、气体速度和种类浓度的重要参数。但是，上述每种技术均包括会使其不大适合在很宽的动态范围上提供光学测量准确度和/或精确度的限制。
发明内容
在一个方面中，一种方法包括在处理器处接收代表当从光源发射的光以某一路径长度通过一定体积的气体时光的吸收率的探测器数据。该体积的气体包括一定分析物浓度的分析物。使用第一分析方法分析所述探测器数据以获得所述分析物浓度的第一计算，并且使用第二分析方法分析所述探测器数据以获得所述分析物浓度的第二计算。所述第一分析方法具有第一目标范围，所述第二分析方法具有不同于所述第一目标范围并在所述第一目标范围之外扩展的第二目标范围。如果所述分析物浓度的第一计算指示所述分析物浓度超出所述第一目标范围，则将所述第二计算提升为所述分析物浓度。
在可选的变形中，可以包括下列特征中的一个或多个特征。所述第一分析方法可以包括调制光谱法，所述第二分析方法可以包括直接吸收光谱法。所述第一目标范围可以包括介于零和阈值分析物浓度之间的分析物浓度的值。可以使用所述第一分析方法基于一种或多种校准样品的分析来预先确定所述阈值分析物浓度。所述光源可以包括在一定波长范围内发射光的可调谐激光源。所述探测器数据可以包括具有调制频率和不具有调制频率两种情况下从所述光源发射的光的强度数据。
所述第一分析方法可以包括使用用于所述分析物的第一吸收跃迁的调制光谱法，所述第二分析方法可以包括使用用于所述分析物的第二吸收跃迁的调制光谱法。所述第一吸收跃迁可以强于所述第二吸收跃迁。所述第二分析方法可以包括使用用于所述分析物的第一吸收跃迁的直接吸收光谱法，所述第二分析方法可以包括使用用于所述分析物的第二吸收跃迁的调制光谱法。所述第一吸收跃迁可以强于所述第二吸收跃迁。用于所述分析物的第一吸收跃迁和用于所述分析物的第二吸收跃迁两者可以都在可调谐激光器的扫描范围内。所述光源可以包括具有第一扫描范围的第一可调谐激光器以及具有第二扫描范围的第二可调谐激光器，其中所述第一扫描范围可以包括用于所述分析物的第一吸收跃迁，所述第二扫描范围可以包括用于所述分析物的第二吸收跃迁。对处于所述第一分析方法的第一有效范围和所述第二分析方法的第二有效范围重叠的校准范围内的分析物浓度，可以使用分析物浓度的第二计算来校准所述第一分析方法。
光源可以包括可调谐二极管激光器(TDL)、量子级联激光器(QCL)、水平腔激光器、垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)和用于可调谐光的非线性频率发生的设备中的一个或多个。探测器设备可以用于提供探测器数据，并且可以包括光电二极管、光电探测器和光声探测器中的一个或多个。样品室可以容纳供光在所述光源和对吸收率进行定量的探测器之间通过的一定体积的气体。
在一个相关方面中，一种方法可以包括接收代表当从光源发射的光以某一路径长度通过一定体积的气体时光的吸收率的探测器数据。该一定体积的气体包括一定分析物浓度的分析物和一定背景化合物浓度的背景化合物。吸收率包括受分析物浓度和背景气体浓度影响的目标吸收率以及受背景气体浓度影响的参考吸收率。使用直接吸收法分析所述探测器数据以获得代表所述参考吸收率的第一度量。还使用调制光谱法分析所述探测器数据以获得代表所述目标吸收率的第二度量。使用所述第一度量来调整第二度量，以估计所述分析物浓度对所述第二度量的贡献。基于所述分析物浓度对所述第二度量的贡献来确定所述分析物浓度，并且提升所述分析物浓度。
可选地，所述光源可以包括具有第一扫描范围的调制的可调谐激光器以及具有第二扫描范围的未调制的可调谐激光器，其中所述第一扫描范围包括所述目标吸收率的至少一部分，所述第二扫描范围包括所述参考吸收率的至少一部分。
描述了一种包括有形物化的机器可读介质的物品，该机器可读介质可被操作以使一个或多个机器(例如计算机等等)产生此处所描述的操作。类似地，还描述了一种可包括处理器和连接到所述处理器的存储器的系统。存储器可以包括一个或多个使所述处理器执行此处所描述的一个或多个操作的程序。
本发明所公开的主题可以提供一种或多种优点，这些优点包括但不限于扩展气体分析器的动态范围、实现自校准功能以及为腐蚀性环境中的校准提供了改进的方法。实现本发明所公开的主题的一个或多个方面的分析器可以测量从ppm水平到百分比水平的很宽范围的目标种类，并且不需要重新校准就可以用于不同的背景气体，还能够克服与腐蚀性气体/环境中的校准关联的难题。
附图和下面的描述中阐明了本文所描述的主题的一种或多种变形的细节。通过该描述和附图以及权利要求，本文所描述的主题的其他特征和优点将得以显现。
附图说明
本说明书所结合有附图，其构成本说明书的一部分，显示了本文所公开的主题的某些方面，并和描述一起来帮助解释关于所公开的实施方式相关的一些原理。在图中，
图1是显示光谱测量系统的示意图；
图2是显示方法的过程流程图；
图3是显示图2中的方法的各方面的图表；以及
图4是显示方法的过程流程图。
在实际当中，相似的附图标记表示相似的结构、特征或元件。
具体实施方式
如图1所示，系统100可包括工作在目标波长的光源102，其提供连续光束或脉冲形式的光104，光104在被探测器110探测之前通过一定体积106的样气。光源102可以包括一个或多个激光器，例如可调谐二极管激光器(TDL)、量子级联激光器(QCL)、水平腔激光器、垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)或者其他类似的用于可调谐光的非线性频率发生的设备。探测器110可以包括一个或多个光电二极管、光电探测器或光声探测器。在一些实施方式中，体积106的样气可以容纳在具有一个或多个窗口114的样品室(sample cell)112中，连续光束或脉冲形式的光104通过窗口114射入和射出体积106。样品室112可以是如图1所示的流通室(flow through cell)，在该流通室中，气体通过入口116流入样品室112并且通过出口120流出样品室112。除了图1所示的配置之外，也可以使用其他的配置。例如，可以使用反光镜、分光镜，或者通过改变其他的几何参数，例如光源102和/或探测器110的位置，来确立连续光束或脉冲形式的光104的路径长度，即连续光束或脉冲形式的光104在样气106中传播的距离。取决于待测分析物、分析物预期所处的浓度范围以及样气106中可能干扰测量准确度的其他化合物或物质的存在，连续光束或脉冲形式的光104可以穿过游离气体(free gas)(例如管道中的)或者自由空气(freeair)。或者，可以在样品室(例如如图1所示的样品室)中分析样气106的批体积(batch volume)，图1所示的样品室具有额外的阀和/或真空或抽吸装置以提供第一批体积的样气106，并从样品室110移除该第一批体积以准备进行第二批体积的分析。
调制光谱法是一种广泛应用于灵敏痕量种类检测的技术。在调制光谱法中，在调制频率f处调制光源102的波长(或者振幅)，激光光源102所发射的光以某一路径长度通过样气106。连续光束或脉冲形式的光104照射到探测器110上时的强度因振幅而异。探测器110所产生的信号的傅里叶分析包括调制频率f处的信号分量以及位于多倍调制频率f(2f，3f，4f等等)处的谐波频率处的信号分量。谐波频率之一(例如2f)的解调产生能够用于十分准确地确定样气106中的一种或多种分析物的频率的信号。通过将相敏检测(phase-sensitivedetection)移向较高的频率，调制光谱法可以显著降低1/f噪声并且获得高灵敏度。在一些示例中，表征分析物的单条吸收谱线的高度可以被量化为代表样气106中的分析物浓度。调制光谱法对于检测和定量低分析物浓度是高度灵敏的，可以从来自于探测器的解调信号直接定量分析物浓度。另外，可以使用锁相放大器或其他信号过滤处理或设备以将由于分析物所引起的吸收信号与仪器中的本底漂移(backgrounddrift)或其他噪声相隔离。
但是，包括激光强度、探测器增益调定、信号放大、锁相放大器设置等等的许多与硬件相关的参数可以影响2f信号的大小和形状。同样地，基于调制光谱法的传感器可能需要在基准条件下进行校准，以消除硬件相关参数的依赖性。一旦进行了校准，通常就不能改变硬件设置。基于2f光谱的痕量气体分析器还可能被限制在其动态范围内。测量范围可能由于多种原因而受到限制，这些原因包括但不限于数据采集设备的有限分辨率以及2f信号对痕量气体浓度的有限线性响应。
由于谐波线形对背景气体成分变化的敏感性，调制光谱分析器中可能出现另一个潜在问题。背景流中的不同气体可能会对谐波线形具有不同的影响。关于分析器的校准，谐波线形直接决定了痕量气体测量的准确度。由于被测痕量气体与整个流中的其他气体的相互作用而导致的线形的变化被称为碰撞致宽。例如，如果用户希望改为测量纯O2、空气或CO2中的水气的话，为测量纯N2中的水气而校准的基于2f的分析器可能需要返回制造商重新校准。背景分子的不同质量和分子的结构可能对2f线形造成很大的影响，因此对浓度读数造成很大的影响。作为示例，当在选定的频率调制振幅下，背景气体分别从N2变成空气/O2/CO2，同时水气浓度保持不变，则对N2中的水气校准的2f谐波光谱可调谐激光器(TDL)分析器被证明需要将浓度读数乘以因子1.25/2.25/0.38。因此，基于调制光谱的分析器的校准可能需要含有分析器工作所用的流中可能存在的全部成分的典型流(representativestream)。对于腐蚀性气流(例如纯氨、纯氯或纯HCl中的水气)以及对于含有毒气(例如高浓度的H2S或ASH3、PH3HCN等等)的气流而言，提供典型流在某些情况下可能是困难的、高成本的或者是危害人类健康的。对这种分析条件的校准应当十分小心地进行，并且需要用于操作毒气和高腐蚀性气体的大量安全预防措施和昂贵的安全设施。
尽管如此，在优化和保障石化产品和天然气采集、处理和运输当中，水气、CO2、H2S、C2H2以及其他污染物的痕量测量是至关重要的。可以在正常工艺操作条件下使用调制光谱法来提供期望水平的准确度。但是，不正常条件(例如管道中的水气堵塞(moisture plug)、反应器清洁事件或可能导致目标分析物的浓度暂时增加一两个数量级或更高数量级的其他因素)可能导致具有相对较窄的动态范围的仪器经历超出范围错误。即使将使用调制光谱法的仪器调制成允许更宽的动态范围，当浓度增加时，谐波信号也会出现非线性。
在直接吸收光谱法中，不需要调制光源102的波长。连续光束或脉冲形式的光104照射到探测器110上时的强度被量化为波长的函数。典型地，分析吸收光谱以确定一种或多种分析物的吸收峰的曲线下方的面积。一旦能够完全分辨出整个线形，孤立线形下方的完整面积就不受谱线加宽效应影响。这就使得在快速变化的气体成分和压强由于碰撞致宽效应而使线形改变的恶劣环境中，直接吸收技术具有非常好的鲁棒性。另外，可以使用光谱分辨的线形来区分作出贡献的吸收与附近的背景种类跃迁。一旦已知总的压强、路径长度和谱线强度，直接吸收还可以在没有任何校准的情况下确定绝对种类浓度。直接吸收可以在比谐波吸收测量更宽的分析物浓度范围上有效。
但是，直接吸收技术还可能具有各种缺点。当谱线加宽并且与来自于分析物本身和/或背景种类的相邻谱线混合时，基线拟合(baselinefit)可能变得很难。由于噪声的直接相加，直接吸收通常具有相对较低的检测灵敏度。这种缺点可能会限制直接吸收法在本领域中用于痕量气体感测。另外，还可能需要对可能由于散射、折射或者由样气106中的颗粒或其他气体造成的吸收而变化的非零基线进行校正。另外，不容易使用锁相放大器来隔离分析物吸收信号与来自于测量系统、光学器件、样气等等的电子噪声或背景噪声。可以使用已知浓度的校准气体的测量来实现校正。在直接吸收光谱法中，由于系统和背景噪声可随时间变化，因此老化效应也可能是重要的。在上述可用系统中，为了准确的分析，在延长的服务期中可能需要定期重新校准。
因此，尽管在需要非常低的绝对不确定度的低分析物浓度下，使用调制光谱法可以是有利的，但在大的动态浓度范围中，可能会引入显著的不准确度。相反，尽管直接吸收光谱法可以提供较宽的动态范围，但在低浓度下获得的相对准确度会降低。
本发明目前所公开的主题的实施方式可包括为化学分析物的光学吸收测量提供自校准能力和扩展的动态范围的系统、方法、装置和设备。还可以克服校准难题，例如可能与有毒的和腐蚀性的气体关联的校准难题。直接吸收技术可以与调制光谱法联用。在一些实施方式中，检测方案可以在直接吸收测量技术和调制光谱测量技术之间切换，在一些实施方式中使用相同的光源、探测器和其他光学设备。通过直接吸收技术和调制光谱法的联用，可以克服调制光谱法固有的一个或多个问题，这些问题可能包括但不限于有限的动态范围、劳动密集型校准过程以及对背景流变化的有限的忍耐力，也可以克服直接吸收技术中固有的一个或多个问题，这些问题可能包括但不限于较低的检测灵敏度(相对于调制光谱法而言)和基线模糊。
图2的过程流程图200中显示了符合本主题的方法。在步骤202中，例如在处理器处接收探测器数据。探测器数据代表当从光源发射的光以某一路径长度通过一定体积的气体时光的吸收率。该体积的气体包括一定分析物浓度的分析物。分析物浓度可以吸收以该连接长度通过气体的光的一部分强度。在步骤204和步骤206中，分别使用第一分析方法和第二分析方法来分析探测器数据，以获得分析物浓度的第一计算和第二计算。如果在步骤201中确定分析物浓度的第一计算指示浓度超出第一分析方法的第一目标范围，则在步骤212中将第二计算提升为分析物浓度。该提升可包括将第二计算存储到计算机可读介质中、在显示设备上显示第二计算或打印输出等等。
在一些实施方式中，光源102可以是可调谐激光器。第一分析方法可以是调制光谱法，第二分析方法可以是直接吸收光谱法，这两种方法都可以使用相同的光源102和探测器110来执行。可以结合有如图1所示的控制器122，以接收和分析来自于探测器110的探测器数据并且根据所要使用的分析方法来控制光源102。探测器数据可以由可包括光电二极管、光电探测器和光声探测器中的一个或多个的探测器来提供。
在一种或多种实施方式中，可以将激光器驱动电路编程设定为开启/关闭对可调谐二极管激光器的激光扫描的高频调制。当从测量到的谐波调制信号推断出的种类浓度大于被计算为确保相应的吸收率大于诸如0.1的阈值的预设值时，程序可以切断高频调制，从而测量技术可以从谐波吸收切换到直接吸收。之后可以使用已知的总压强、路径长度和谱线强度通过吸收线形的完整面积来确定种类浓度。
由于直接吸收技术可以从线形的完整面积得到绝对种类浓度，因此可以使用直接吸收技术来校准调制光谱信号。在一种实施方式中，可以按照如下方式进行这种自校准。含有目标种类的气体混合物通过分析器，其中种类浓度在特定预设范围内，以使所得到的吸收率介于例如0.01和0.1之间。例如可以通过用户按下分析器上的“校准”按钮来开始校准顺序，使软件程序使用调制光谱法和直接吸收技术来自动进行测量。例如，在系统切换到直接吸收技术之前，可以对调制光谱信号测量1分钟，然后在系统切换到直接吸收技术之后对调制光谱信号再测量1分钟。可以使用通过直接吸收技术测量的浓度来校准之前测量到的调制光谱信号。通过改变操作压强，可以以相同的方式完成压强校正校准。
图3显示了图表300，其显示了根据本文所公开的主题的包括扩展的动态范围和“自校准”功能的测量策略的细节，下面将对其进行更详细的描述。图3所显示的示例是基于一个特定的吸收跃迁(absorbancetransition)和路径长度。在这种情况下，10-4的吸收率对应于0.9ppm的种类浓度。基于这里所公开的测量策略，当吸收率大于10-2(在这种情况下为90ppm)时，程序可以自动从2f谐波(调制)光谱分析法302切换到直接吸收304。为了避免可能的光学密集问题(optically denseproblem)，可以将测量范围限制在小于大约0.8(在这种情况下，其对应于大约7200ppm的浓度)的吸收率。通过这种方式，分析器可以具有相对于典型的2f分析器而言大大扩展的测量范围。在这里所讨论的示例中，可以将测量范围从0～90ppm扩展到0～7200ppm。
在符合本主题的另一种实施方式中，可以通过使用两个在附近波长处发生的吸收跃迁(一个较强的吸收跃迁和一个较弱的吸收跃迁)来解决动态范围限制。在这种情况下，第一分析方法和第二分析方法两者可以是相同的(例如调制光谱法)。分析器可以对低测量范围使用较强的吸收跃迁，对高测量范围使用较弱的吸收跃迁，从而与仅使用单一吸收跃迁相比，可以扩展测量范围。
在一些变形中，可以使用两个合适的吸收跃迁，这两个吸收跃迁足够接近，能够被单个可调谐激光光源扫描。取决于样气106的分析物和背景成分，可能很难找到两个具有必要的频率间隔的吸收跃迁。如果两个吸收跃迁彼此太过接近的话，两条谱线可能重叠，强跃迁的翼可能会影响较弱吸收跃迁的测量。从而可能会危害到测量准确度。如果两个吸收跃迁没有接近到足以被单一激光扫描覆盖，则可以手动或者通过编好的程序来改变提供入射光的二极管激光器的工作温度，以达到每个吸收跃迁。这可能会增加操作难度并且降低分析器的鲁棒性。寻找合适的吸收谱线对有时是不切实际的，特别是当考虑到背景气体的干扰时更是如此。光源中的第二可调谐激光器可被结合到光源102中，以覆盖第二吸收跃迁。
可以使用预校准(pre-calibration)来解决为不同的背景气体重新校准的问题。在这种方法中，可以准备仪器针对不同的背景气体的预校准，并基于预期背景气体将它们事先预编程到分析器中。例如，如果用户打算测量N2或H2中的水气浓度，则可以在工厂中针对N2和H2背景两者来校准分析器。不同的校准系数可以被记录并存储到分析器中。之后使用者可以基于正在分析的背景气体来选择相应的校准系数。这种方法的一个潜在的缺点是仪器没有预校准过的背景气体的分析需要新的校准。另外，这种方法不能解决动态范围问题或腐蚀性气体的问题。此外，当两个背景气体在正在测量的痕量分析物的光谱范围中都没有吸收时，没有已知的方法能够使分析物在两个存储的背景气体校准之间自动选择。在实际操作条件下，对于在含有诸如烃气的红外吸收气体的测量流和诸如N2、空气、O2，、H2、Cl2或惰性气体的在测量痕量分析物正在使用的特殊波长没有吸收的气体之间切换的情形而言，这种自动化的方法可能是有利的。
如果待分析的气体混合物中的背景气体是高度腐蚀性的，则应小心翼翼地进行校准。为了防止被背景气体腐蚀，整个校准系统应由高度耐腐蚀的材料制成。这通常会提高分析器成本，并且可能需要额外的劳动来进行系统配置。寻找用于准备这种校准的好的方法可能也是十分困难的。例如，为了校准分析器以确定纯的氨气或氯气或其他活性气体中的水气浓度，不能使用冷镜作为用于水气浓度的基准，因为活性成分会与水气结露反应，导致不正确的“酸”露点读数。渗透管是另一种可能的校准方法。渗透管通常最适合于在痕量水平范围下工作，并且要求运载气体的非常精确的温度和流速控制。渗透管不容易在腐蚀性气体中产生百分比水平的水气。
在本主题的另一种扩展方式中，第一分析方法和第二分析方法之间的重叠区域306可以用于仪器的“自校准”。通过对具有重叠区域306中的分析物浓度的气体在调制光谱法和直接吸收法之间切换测量方案，可以通过直接吸收法的完整面积来校准调制光谱信号的峰高。通过这种方式，不需要工厂重新校准，就可以分析具有分析器预设过的不同的背景气体的气体混合物。相反，分析器可以自校准。用于这种自校准过程的气体可以是具有已知浓度的校准气体或者是样气。
直接吸收法与调制光谱法在单一仪器中的联用还可以提供有价值的内部自检能力以随时间监视仪器性能。在一些实施方式中，可以记录重叠区域306中的为测量采集的数据并与处于工厂校准的原始条件时的仪器的初始性能相比较。即使是在初始条件下，在重叠区域306中两种测量之间也很可能存在偏移(offset)。但是，该偏移如何变化的观测可以用来对仪器对给定分析物浓度的响应的变化进行自修正，所述变化例如是由于光学表面上由老化、冷凝等等所引起的污染物的形成而产生的。可以检测偏移中的绝对偏差(deviation)并且构造算法来提供持续的自修正。
上述仪器自修正的方法可以是有利的，因为影响基波光谱响应(base spectral response)的因素通常不会影响调制光谱法，这些因素在较高次谐波信号中不出现，但直流衰减(DC attenuation)效应和谐波信号中的碰撞致宽所引起的错误则可能会影响调制光谱法。相反，直接吸收法直接测量吸收响应的光谱线形，因此就显示出碰撞致宽、光学污染等等的效应。
使用本主题，可以补偿使用直接吸收法对谐波线形造成的碰撞致宽效应。在一些情况下，谐波线形可被认为类似于吸收峰的二阶导数。同样地，通常作为调制光谱法中的被测参数的峰谷高度可能严重依赖于峰的线形。相反，直接吸收法利用线形下方的完整面积，因此是不需要关于峰的形状的假定的分析物浓度的更直接的测量。
因此，使用气体样品的直接吸收法测量和调制光谱法测量，谐波方法中所观察到的峰高与待估计的实际浓度通过比例因子联系起来。当过程条件提供重叠区域306中的浓度时，或者通过周期性地注入具有重叠区域306中的已知浓度的参考气体或者含有足够浓度的分析物的参考气体以将过程条件浓度暂时提高到重叠区域306中，可以进行这种测量。
根据本主题的另一实施方式，可以使用调制光谱法来分析气体样品中的分析物的目标吸收跃迁。可以同时或相继地使用直接吸收法与调制光谱法来分析表征气体样品中存在的背景化合物的参考吸收跃迁。除了参考吸收跃迁之外，使用调制光谱法时，背景化合物还可能具有与目标吸收跃迁的准确表征重叠或混淆的干扰背景吸收跃迁。基于通过直接吸收法分析的参考吸收跃迁，可以推断出气体样品中的背景化合物的浓度。使用背景化合物的该推断浓度，可以计算在目标吸收跃迁使用调制光谱法观察到的光谱响应中有多少是由于干扰背景吸收跃迁的效应所造成的。可以确定背景气体调整因子，以将参考吸收跃迁处定量的吸收率与由于背景化合物的目标吸收跃迁处定量的光吸收率联系起来。使用背景气体调整因子，可以通过使用背景化合物在目标吸收跃迁处的干扰的推断值来调整目标吸收跃迁处观察到的吸收率，从而计算气体样品中的分析物浓度。
在具有很大背景浓度的一种或多种具有可与分析物的目标吸收跃迁重叠的光谱跃迁(spectral transition)的化合物的气体样品中，使用直接吸收法来表征参考吸收跃迁可能是非常重要的。例如，在天然气或甲烷背景中，如果背景化合物存在很高的浓度的话，使用调制光谱法来定量参考吸收跃迁可以限制背景化合物的吸收光谱的峰的数目。在这种情形中，由于调制光谱法能够精确应用的动态浓度范围相对较窄，调制光谱法可能只对具有非常弱的吸收率的背景化合物的吸收跃迁有用。
图4的过程流程图400显示了上述方法的实施方式。在步骤402中，接收代表当光源所发射的光以某一路径长度通过一定体积的气体时的光的吸收率的探测器数据。该体积的气体包括一定分析物浓度的分析物和一定背景化合物浓度的背景化合物，吸收率包括受分析物浓度和背景气体浓度影响的目标吸收率以及受背景气体浓度影响参考吸收率。在步骤404中，使用直接吸收法分析探测器数据，以获得代表参考吸收率的第一度量。在步骤406中，使用调制光谱法分析探测器数据，以获得代表目标吸收率的第二度量。在步骤410中使用第一度量来调整第二度量，以估计分析物浓度对第二度量的贡献。在步骤412中基于分析物浓度对第二度量的贡献来确定分析物浓度，在步骤414中提升分析物浓度。
本文所描述的主题可以根据所需的配置被具体化为系统、装置、方法和/或物品。特别地，可以在电子电路、集成电路、专门设计的专用集成电路(ASIC)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中实现本文所描述的主题的不同实施方式。这些不同的实施方式可以包括能够在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释的一个或多个计算机程序中的实施方式，所述可编程处理器被专用或通用地连接以从存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令并向其发送数据和指令。
也被称为程序、软件、软件应用程序、应用程序、组件或代码的这些计算机程序包括用于可编程处理器的机器指令，并且可以在高级过程化程序设计语言和/或面向对象的程序设计语言中和/或在汇编/机器语言中实现。本文所使用的术语“机器可读介质”指的是用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任意的计算机程序产品、装置和/或设备，例如磁盘、光盘、存储器和可编程逻辑器件(PLD)，其中所述可编程处理器包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”指的是用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任意信号。机器可读介质可以非瞬时地存储这种机器指令，例如如同非瞬时固态存储器或磁硬盘驱动器或任何等效的存储介质。替代地或另外地，机器可读介质可以以瞬时方式存储这种机器指令，例如如同处理器缓存或与一个或多个物理存储器内核关联的其他随机存取存储器。
为了提供与用户的交互，可以在具有用于向用户显示信息的显示设备(例如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)监视器)和用户可以通过其向计算机提供输入的键盘和定点设备(例如鼠标或轨迹球)的计算机上实施本文所描述的主题。也可以使用其他类型的设备来提供与用户的交互。例如，向用户提供的反馈可以是任意形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；来自于用户的输入可以以任意形式被接收，这些形式包括但不限于声音输入、语音输入或触觉输入。
可以在包括后端组件(例如一个或多个数据服务器)或者包括中间组件(例如一个或多个应用服务器)或者包括前端组件(例如一个或多个具有图形用户界面的客户端计算机或者用户可以通过其与本文所描述的主题的实施方式交互的网络浏览器)或者这种后端组件、中间组件或前端组件的任意组合的计算系统中实施本文所描述的主题。系统的组件可以通过任意形式或介质的数字数据通信(例如通信网络)互相连接。通信网络的示例包括但不限于局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)和国际互联网。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般而言(但并不排除其他情况)彼此之间距离遥远，通常通过通信网络互相作用。通过各个计算机上运行的彼此之间具有客户端-服务器关系的计算机程序，客户端和服务器产生关系。
上文的描述中所阐明的实施方式不代表符合本文所描述的主题的全部实施方式。相反，其仅仅是符合所描述的主题的相关方面的一些示例。尽管上文中详细描述了一些变形，但其他的修改或增加也是可能的。特别地，除了本文所阐明的那些特征和/或变形以外，还可以提供其他的特征和/或变形。例如，上文所描述的实施方式可以针对所公开的特征的各种组合和子组合和/或上文所述的几个其他特征的组合和子组合。另外，附图中所显示和/或本文所描述的逻辑流程不是必须按照所显示的特定次序或者按照顺序来获得所需要的结果。其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
在处理器处接收代表当从光源发射的光以某一路径长度通过一定体积的气体时光的吸收率的探测器数据，该一定体积的气体包括一定分析物浓度的分析物；
使用第一分析方法分析所述探测器数据，以获得所述分析物浓度的第一计算，所述第一分析方法具有第一目标范围；
使用第二分析方法分析所述探测器数据，以获得所述分析物浓度的第二计算，所述第二分析方法具有不同于所述第一目标范围并在所述第一目标范围之外扩展的第二目标范围；
确定所述分析物浓度的第一计算指示所述分析物浓度超出所述第一目标范围，以及
将所述第二计算提升为所述分析物浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一分析方法包括调制光谱法，所述第二分析方法包括直接吸收光谱法。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一目标范围包括介于零和阈值分析物浓度之间的分析物浓度的值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中使用所述第一分析方法基于一种或多种校准样品的分析来预先确定所述阈值分析物浓度。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述光源是在一定波长范围内发射光的可调谐激光源。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述探测器数据包括具有调制频率和不具有调制频率两种情况下从所述光源发射的光的强度数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一分析方法包括使用用于所述分析物的第一吸收跃迁的调制光谱法，所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第二吸收跃迁的调制光谱法，所述第一吸收跃迁强于所述第二吸收跃迁。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第一吸收跃迁的直接吸收光谱法，所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第二吸收跃迁的调制光谱法，所述第一吸收跃迁强于所述第二吸收跃迁。
9.根据权利要求8所述的方法，其中用于所述分析物的第一吸收跃迁和用于所述分析物的第二吸收跃迁两者都在可调谐激光器的扫描范围内。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述光源包括具有第一扫描范围的第一可调谐激光器以及具有第二扫描范围的第二可调谐激光器，其中所述第一扫描范围包括用于所述分析物的第一吸收跃迁，所述第二扫描范围包括用于所述分析物的第二吸收跃迁。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：对处于所述第一分析方法的第一有效范围和所述第二分析方法的第二有效范围重叠的校准范围内的分析物浓度，使用分析物浓度的第二计算来校准所述第一分析方法。
12.一种方法，包括：
在处理器处接收代表当从光源发射的光以某一路径长度通过一定体积的气体时光的吸收率的探测器数据，该一定体积的气体包括一定分析物浓度的分析物和一定背景化合物浓度的背景化合物，吸收率包括受分析物浓度和背景气体浓度影响的目标吸收率以及受背景气体浓度影响的参考吸收率；
使用直接吸收法分析所述探测器数据以获得代表所述参考吸收率的第一度量；
使用调制光谱法分析所述探测器数据以获得代表所述目标吸收率的第二度量；
使用所述第一度量来调整第二度量，以估计所述分析物浓度对所述第二度量的贡献；
基于所述分析物浓度对所述第二度量的贡献来确定所述分析物浓度；以及
提升所述分析物浓度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述光源包括具有第一扫描范围的调制的可调谐激光器以及具有第二扫描范围的未调制的可调谐激光器，其中所述第一扫描范围包括所述目标吸收率的至少一部分，所述第二扫描范围包括所述参考吸收率的至少一部分。
14.一种系统，包括当被至少一个处理器执行时令至少一个处理器执行下列操作的存储指令的机器可读介质：
在处理器处接收代表当从光源发射的光以某一路径长度通过一定体积的气体时光的吸收率的探测器数据，该一定体积的气体包括一定分析物浓度的分析物；
使用第一分析方法分析所述探测器数据以获得所述分析物浓度的第一计算；
使用第二分析方法分析所述探测器数据以获得所述分析物浓度的第二计算，所述第二分析方法具有不同于所述第一目标范围并在所述第一目标范围之外扩展的第二目标范围；
确定所述分析物浓度的第一计算指示所述分析物浓度超出所述第一分析方法的第一目标范围，以及
将所述第二计算提升为所述分析物浓度。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一分析方法包括使用用于所述分析物的第一吸收跃迁的调制光谱法，所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第二吸收跃迁的调制光谱法，所述第一吸收跃迁强于所述第二吸收跃迁。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第一吸收跃迁的直接吸收光谱法，所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第二吸收跃迁的调制光谱法，所述第一吸收跃迁强于所述第二吸收跃迁。
17.根据权利要求14所述的系统，进一步包括至少一个处理器。
18.根据权利要求17所述的系统，进一步包括：光源，其包括可调谐二极管激光器(TDL)、量子级联激光器(QCL)、水平腔激光器、垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)和用于可调谐光的非线性频率发生的设备中的一个或多个。
19.根据权利要求17所述的系统，进一步包括：提供探测器数据的探测器设备，所述探测器设备包括光电二极管、光电探测器和光声探测器中的一个或多个。
20.根据权利要求17所述的系统，进一步包括样品室，所述样品室容纳所述一定体积的气体，光在所述光源和对吸收率进行定量的探测器之间通过时经过所述样品室。
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