CN104697978A - 激光拉曼气体分析系统中差分去除背景噪声的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光拉曼气体分析系统中差分去除背景噪声的标定方法，本发明的标定方法由被标定气体和中间载气的拉曼散射光谱图，首先消除系统基底噪声带来的影响，得到一个去除背景噪声后的被标定气体和中间载气的拉曼散射光谱图。从光谱图中得到的信息中，经过数据处理可得到一个标定常数，根据气体的物理特性，这个标定常数不受温度、压力和环境等因素的影响。故可将所有已知气体分别与中间载气进行标定，建立一个各种气体与中间载气的标定数据库。此标定方法用于激光拉曼气体分析系统的标定中，能有效地从复杂背景噪声中提取出有效的拉曼信息，大大提高了标定的精度，从而提高系统的测量精度。而且此标定方法简单，容易实现。

Description

激光拉曼气体分析系统中差分去除背景噪声的标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光拉曼气体分析系统的标定方法，特别是一种激光拉曼气体分析系统中差分去除背景噪声的标定方法。

背景技术

光照射到物质上时会发生散射。在发生散射时，大部分散射光的波长并不发生变化，这种波长不发生变化的散射称为瑞利散射；少部分散射光的波长会增大或减小，这种波长发生变化的散射称作拉曼散射，其对应的光谱称为拉曼光谱。

拉曼光谱图是利用拉曼光谱对物质进行分析的依据，定波长激光拉曼散射技术是目前最先进的气体测量技术之一，近些年得到了迅猛的发展，被认为是具有革命性变革的全新测量方法。

气体分析系统的测量离不开标定，现有传统的分析系统的标定方法大多为用不同浓度的被检气体与中间载气进行混合，产生一个气体浓度与电信号之间的拟合曲线，之后检测的被检气体浓度由拟合的曲线得到。这种传统的标定方法过程太过繁琐，激光气体分析系统的运行及维护成本很高。而本发明所述的标定方法，在国内外技术文献中，均未被采用，是一项全新的技术。

而气体分析系统的标定结果也直接决定着测量的准确度，在进行拉曼光谱标定时，被标定气体的拉曼光谱往往会受到背景噪声的影响，这些背景噪声包括机器噪声、荧光噪声、其他物质的拉曼光谱等。背景噪声的干扰会影响标定的精度，从而使整个标定过程难以有效进行，因此，必须进行一些合理的消除噪声的处理，以保证标定的准确度。

常用的去除背景噪声的方法有数字平滑滤波法、多项式拟合基线校正、小波变换和高通与低通滤波法等。以上这些方法在某些情况下能够有效去除及其噪声、荧光等的干扰，但在复杂体系中，这些方法对于其他非探测物质的拉曼光谱干扰则无能为力，面对高强度的荧光背景干扰时也达不到理想的效果。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能有效地从复杂背景噪声中提取出有效的拉曼信息，大大提高了标定的精度，从而提高系统的测量精度的一种激光拉曼气体分析系统中差分去除背景噪声的标定方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种激光拉曼气体分析系统中差分去除背景噪声的标定方法，其特征在于，基于一个标定装置，该标定装置包括一个标定测量气室、设置在标定测量气室上的进气口和出气口；所述标定测量气室一端设有光路发生单元，另一端设有光谱图采集器；所述光路发生单元包括一个激光发射单元以及接收激光发射单元的光速并将其发射至标定测量气室内的光路系统；所述光谱图采集器输出端连接有数据分析模块；该标定方法包括：

一个向标定测量气室通入N₂或者含有N₂的混合气(例如空气)，并获得载气的峰高V_载、空气或者中间载气的光谱图拉曼位移s_载的步骤，具体方法是：

步骤1.1，往激光拉曼气体分析系统的进气口加入N₂或者含有N₂的混合气，对系统进行测量，光谱图采集器获取载气的拉曼光谱Ls_载；

步骤1.2，数据分析模块通过中间载气的拉曼光谱Ls_载经过曲线拟合，获取系统的背景拉曼光谱Lb；

步骤1.3，数据分析模块差分消除系统的背景噪声，获得消除基底后的载气的拉曼光谱Lc_载＝Ls_载-Lb，中间载气的浓度n_载已知，由拉曼光谱Lc_载可获得载气的峰高V_载、中间载气的光谱图拉曼位移s_载；

一个多次向标定测量气室通入加入体积比在4:6～6:4范围的不同被标定气体，根据载气的光谱图拉曼位移校准被标定气体的光谱图拉曼位移，从而建立一个标定数据库的步骤，具体方法是：

步骤1.4，往激光拉曼气体分析系统的进气口加入体积比在4:6～6:4范围的被标定气体n_标，待气体状态稳定；

步骤1.5，对被标定气体进行测量，光谱图采集器获取被标定气体的拉曼光谱Ls_标；

步骤1.6，数据分析模块差分消除系统的背景噪声，获得消除基底后的被标定气体与中间载气的拉曼光谱Lc_标＝Ls_标-Lb；

步骤1.7，根据中间载气的光谱图拉曼位移s_载校准被标定气体的光谱图拉曼位移s_标＝s_载-A_载+A_标；其中：中间载气的特征拉曼位移A_载已知且固定不变，被标定气体的特征拉曼位移A_标已知且固定不变。

步骤1.8，被标定气体的浓度n_标已知，被标定气体的拉曼光谱的峰高V_标由消除基底后的拉曼光谱Lc_标中获得，并由此得到一个标定系数

步骤1.9，更换被标定的气体，重复步骤1.4～1.8，完成所有已知气体的对应标定，建立一个标定数据库

因此，本发明具有如下优点：能有效地从复杂背景噪声中提取出有效的拉曼信息，大大提高了标定的精度，从而提高系统的测量精度。而且此标定方法简单，容易实现。

附图说明

图1为本发明的所涉及的激光拉曼气体分析系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示，一种激光拉曼气体分析系统中差分去除背景噪声的标定方法，具体步骤如下：

步骤1.1往激光拉曼气体分析系统的进气口加入N₂或者含有N₂的混合气(如空气)，对系统进行测量，光谱图采集器获取中间载气(N₂)的拉曼光谱Ls_载；

步骤1.2数据分析模块通过中间载气(N₂)的拉曼光谱Ls_载经过曲线拟合，获取系统的背景拉曼光谱Lb；

步骤1.3数据分析模块差分消除系统的背景噪声，获得消除基底后的中间载气(N₂)的拉曼光谱Lc_载＝Ls_载-Lb，中间载气(N₂)的浓度n_载已知，由拉曼光谱Lc_载可获得中间载气(N₂)的峰高V_载、中间载气(N₂)的光谱图拉曼位移s_载；

步骤1.4往激光拉曼气体分析系统的进气口加入体积比在4:6～6:4范围的被标定气体n_标，待气体状态稳定；

步骤1.5对被标定气体进行测量，光谱图采集器获取被标定气体的拉曼光谱Ls_标；

步骤1.6数据分析模块差分消除系统的背景噪声，获得消除基底后的被标定气体与中间载气(N₂)的拉曼光谱Lc_标＝Ls_标-Lb；

步骤1.7根据中间载气(N₂)的光谱图拉曼位移s_载校准被标定气体的光谱图拉曼位移s_标＝s_载-A_载+A_标；

其中：中间载气(N₂)的特征拉曼位移A_载已知且固定不变，被标定气体的特征拉曼位移A_标已知且固定不变。

步骤1.8被标定气体的浓度n_标已知，被标定气体的拉曼光谱的峰高V_标由消除基底后的拉曼光谱Lc_标中获得，并由此得到一个标定系数

步骤1.9更换被标定的气体，重复步骤1.4～1.8，完成所有已知气体的对应标定，建立一个标定数据库

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种激光拉曼气体分析系统中差分去除背景噪声的标定方法，其特征在于，基于一个标定装置，该标定装置包括一个标定测量气室、设置在标定测量气室上的进气口和出气口；所述标定测量气室一端设有光路发生单元，另一端设有光谱图采集器；所述光路发生单元包括一个激光发射单元以及接收激光发射单元的光速并将其发射至标定测量气室内的光路系统；所述光谱图采集器输出端连接有数据分析模块；该标定方法包括：

一个向标定测量气室通入N₂或者含有N₂的混合气，并获得载气的峰高V_载、空气或者中间载气的光谱图拉曼位移s_载的步骤，具体方法是：

步骤1.1，往激光拉曼气体分析系统的进气口加入N₂或者含有N₂的混合气，对系统进行测量，光谱图采集器获取载气的拉曼光谱Ls_载；

步骤1.2，数据分析模块通过中间载气的拉曼光谱Ls_载经过曲线拟合，获取系统的背景拉曼光谱Lb；

步骤1.3，数据分析模块差分消除系统的背景噪声，获得消除基底后的载气的拉曼光谱Lc_载＝Ls_载-Lb，中间载气的浓度n_载已知，由拉曼光谱Lc_载可获得载气的峰高V_载、中间载气的光谱图拉曼位移s_载；

一个多次向标定测量气室通入加入体积比在4:6～6:4范围的不同被标定气体，根据载气的光谱图拉曼位移校准被标定气体的光谱图拉曼位移，从而建立一个标定数据库的步骤，具体方法是：

步骤1.4，往激光拉曼气体分析系统的进气口加入体积比在4:6～6:4范围的被标定气体n_标，待气体状态稳定；

步骤1.5，对被标定气体进行测量，光谱图采集器获取被标定气体的拉曼光谱Ls_标；

步骤1.6，数据分析模块差分消除系统的背景噪声，获得消除基底后的被标定气体与中间载气的拉曼光谱Lc_标＝Ls_标-Lb；

步骤1.7，根据中间载气的光谱图拉曼位移s_载校准被标定气体的光谱图拉曼位移s_标＝s_载-A_载+A_标；

其中：中间载气的特征拉曼位移A_载已知且固定不变，被标定气体的特征拉曼位移A_标已知且固定不变；

步骤1.8，被标定气体的浓度n_标已知，被标定气体的拉曼光谱的峰高V_标由消除基底后的拉曼光谱Lc_标中获得，并由此得到一个标定系数

步骤1.9，更换被标定的气体，重复步骤1.4～1.8，完成所有已知气体的对应标定，建立一个标定数据库