CN105372205B

CN105372205B - 基于S2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法

Info

Publication number: CN105372205B
Application number: CN201510828617.7A
Authority: CN
Inventors: 马维光; 赵刚; 谭巍; 李志新; 尹王保; 肖连团; 贾锁堂
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi bositong Electronic Technology Co., Ltd
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: CN105372205A

Abstract

本发明属于激光光谱技术领域，主要是一种基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法。本发明通过相应的科学分析可知A，i ₁，i ₂，浓度和相位差ψ ₁，ψ ₂对S _2f /S _2f ^c信号影响甚微，只有WMRF对S _2f /S _2f ^c信号有明显的影响。因此，可以在不确定浓度和相移的情况下，由S _2f /S _2f ^c信号来反演出WMRF，因为拟合参数大大减小，可以确保了S _2f方法简单、快速、准确。在此基础上对待测气体浓度进行拟合，获得了精确度更高的测量值。这种新方法简单、快速、准确，适于在气体探测领域广泛推广。

Description

基于S2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，主要是一种基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法。

背景技术

随着大气污染的日益严重，公众对于空气质量监测的关注度也越来越高，痕量气体的检测对人类生活的影响也越来越重要。在工业领域中，痕量气体的精确监测可以用于调节生产过程，提高生产效率，减少污染物的排放。同时，痕量气体的检测在生物、医学、农业等领域也有重要作用。

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种新型的痕量气体检测技术，它具有实时在线、非侵入式和高灵敏度等特点，是一种成熟的应用技术。波长调制光谱(WMS)是最主要的TDLAS技术之一，由于WMS使用了调制技术，可以更好的抑制噪声，获得比直接吸收光谱(DAS)更低的探测极限，同时它的结构紧凑、装置简单，所以得到了广泛的应用。

但是WMS技术的一个不足之处就是需要进行浓度定标。传统的WMS使用参考信号cos(2ωt)和sin(2ωt)对吸收光强进行二次谐波解调得到两个正交的分量：

式中G表示光电转换增益，I₀表示中心光强；i₁,i₂是光强调制幅度，ψ₁,ψ₂是光强调制与波长调制之间的相位差；H₀,H₁,H₂,H₃,H₄是吸收有关项，正比于介质浓度和吸收线型方程；R_2f表示二次谐波解调信号的绝对幅度值。其中，G不能通过测量直接获得，且I₀会随着光束抖动、散射等原因产生起伏，两者都为不确定量，所以由公式(1)只能得到气体的相对吸收大小，若想获得绝对的浓度值，就需要定标，必须预先知道某一确定浓度的标气对应的吸收量，再根据比例换算得到解调信号对应的浓度值。定标的方法要求标准气体和目标气体处于相同的测试环境，增加了系统的复杂性，降低准确度，不便于实际测量。

为了解决WMS的这个不足之处，提出了一种称为免定标波长调制光谱技术(CF-WMS)的方法。对吸收光强信号进行二次谐波得到X_2f和Y_2f，进行一次谐波解调得到X_1f和Y_1f，并分别求其绝对幅度值，可以得到：

其中，X_1f和Y_1f为：

从公式(2)和(3)中可以看出，R_2f和R_1f都与不确定因子G和I₀项成正比，那么R_2f/R_1f就可以消除不确定因子，得到的结果就只与光强调制和吸收有关，从而实现免定标的目的。

在CF-WMS中，要想获得浓度值，需要知道吸收光强信号，无吸收光强信号和波长变化v。其中，v是随着三角波扫描和正弦波调制信号变化的，可以表示为：

v＝v_poly+F(cos(ωt)) (5)

(5)式中v_poly是由三角波扫描引起的波长变化部分，F(cos(ωt))是波长响应调制函数WMRF，是由正弦波调制引起的波长变化。在以上几个量中，吸收光强信号和无吸收光强信号通过测量直接获得，v_poly根据标准具的透射峰进行多项式拟合获得。传统的WMRF是使用一个调制幅度为常数的正弦波表示：F(cos(ωt))＝acos(ωt)，式中具体的参数a与使用的激光器有关，其形式或值并不知道。F(cos(ωt))的测量需要一个高速数据采集卡以及人为地修正标准具的透射峰位置，在实际应用中并不实用。因此传统的WMRF的获得方法是作为未知参量在CF-WMS中与浓度以及相位差ψ₁,ψ₂同时拟合。然而同时拟合几个参量会增加拟合的复杂度，并且降低拟合的准确性。传统的CF-WMS拟合残差达到1％之多，得到的浓度结果也不准确。如果要达到更好的拟合结果，就需要一个更加简单、快速、准确的WMRF拟合方法。

发明内容

本发明为解决目前的技术问题气体浓度检测中使用的CF-WMS方法拟合过程中未知参量过多导致探测精度不高的技术问题，提供一种基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法；采用如下装置：函数发生器，与函数发生器的两个信号输出端相连接的加法器与加法器信号输出端相连接的激光控制器以及由激光控制器控制的DFB激光器；DFB激光器的出射光路上设有分束器，分束器的一个出射端顺次设有第一准直镜、气体吸收池以及第一光电探测器；分束器的另一个出射端顺次设有第二准直镜、标准具以及第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器的信号输出端均连接有电脑；函数发生器的第三个信号输出端与电脑连接；其特征在于，所述气体检测方法包括如下步骤：(a)通过第一光电探测器分别测量无吸收介质以及有吸收介质时的光强信号并将其转换为电信号传送至电脑，电脑对接收到的上述信号分别进行二次谐波解调可以得到信号X⁰ _2f，Y⁰ _2f和X_2f，Y_2f；其中X⁰ _2f、Y⁰ _2f分别为无吸收介质时的光强信号的二次谐波解调分量信号；X_2f、Y_2f分别为有吸收介质时的光强信号的二次谐波解调分量信号，根据S_2f计算公式：

得到S_2f，进而得到S_2f/S^c _2f，其中S^c _2f为S_2f中心波长处的值，也就是幅度最大值，可从S_2f信号中直接获取；(b)设置WMRF函数中a的初始化参数，再使用标准具测量透射峰拟合得到v_poly，将设置初始化参数的WMRF函数以及v_poly带入福吉特吸收线型函数可以模拟得到第一模拟吸收系数，结合第一模拟吸收系数及无吸收光强并根据比尔朗博定律可以得到第一模拟吸收光强，再对第一模拟吸收光强进行二次谐波解调可以得到相应的分量信号X^1s _2f和Y^1s _2f,结合前述已知的X⁰ _2f，Y⁰ _2f并根据S_2f计算公式得到S^1s _2f/S^c _2f；(c)电脑在相应软件的支持下比较S_2f/S^c _2f信号和S^1s _2f/S^c _2f信号，计算两个信号之间的残差，判断是否为最佳拟合；如果残差变大，则重新设置初始化WMRF参数，重复步骤(b)以及本步骤，直到得到最佳拟合值，也就得到具有确定a参数的WMRF函数；(d)针对某一种待测气体进行浓度检测，利用步骤(c)获得的确定的WMRF函数以及通过标准具(9)透射峰拟合得到的v_poly，可以得到波长随时间的变化量v；结合波长随时间的变化量v、无吸收光强信号以及初始化的气体浓度值并根据比尔朗博定律可以模拟得到第二模拟吸收光强，对第二模拟吸收光强分别进行二次谐波解调和一次谐波解调，得到X^2s _2f和Y^2s _2f以及X^2s _1f和Y^2s _1f信号，其中X^2s _2f和Y^2s _2f分别为第二模拟吸收光强的二次谐波解调信号，X^2s _1f和Y^2s _1f为第二模拟吸收光强的一次谐波解调信号，就可以得到对应第二模拟吸收光强的R^2s _2f/R^2s _1f信号，其中R^2s _2f是X^2s _2f和Y^2s _2f的绝对幅度值，R^2s _1f是X^2s _1f和Y^2s _1f的绝对幅度值；同时得到经过待测气体的光强信号的R_2f/R_1f信号，电脑在相应软件的支持下判断R^2s _2f/R^2s _1f信号和R_2f/R_1f信号是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合气体浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，模拟得到一个新的第二模拟吸收光强，重复本步骤的拟合过程，直到得到一个最佳的拟合浓度值，此拟合浓度值即作为待测气体的浓度值。

为了得到新的拟合WMRF的方法，对浓度和相移的影响做了分析。从(1)式中可以得出没有吸收时的二次谐波解调分量信号，也就是背景信号为：

其中，扣除无吸收背景后的二次谐波解调信号绝对幅度值可表达为：

从式(即S_2f计算公式)中可以看出，S_2f与A，H₀～H₄，i₁，i₂，ψ₁和ψ₂有关。i₁和i₂可以通过测量光强直接获得。H₀～H₄与介质浓度和WMRF有关，且皆正比于介质浓度，所以S_2f也正比于介质浓度，同时从公式(7)中可知S_2f也正比于A，因此，用中心幅度归一化的信号S_2f/S_2f ^c不依赖于浓度和A。其中S_2f ^c为S_2f中心波长处的值，也就是幅度最大值，可从S_2f信号中直接获取。

在不同DFB温度以及调制幅度条件下测量了另一个拟合参数相位ψ₁和ψ₂，结果显示：如果调制频率是固定的，ψ₁和ψ₂基本不变，其中ψ₁变化范围在2.84～2.85弧度，ψ₂变化范围在-0.1～-0.4弧度。并且在(6)式中，会有cos²ψ₁+sin²ψ₁和cos²ψ₂+sin²ψ₂的合并项出现。基于以上两个原因，可以认为相移对于S_2f/S_2f ^c的影响是非常有限的。

由以上两点可以得出结论，A，i₁，i₂，浓度和相位差ψ₁，ψ₂对S_2f/S_2f ^c信号影响甚微，只有WMRF对S_2f/S_2f ^c信号有明显的影响。因此，可以在不确定浓度和相移的情况下，由S_2f/S_2f ^c信号来反演出WMRF，因为拟合参数大大减小，可以确保了2f方法简单、快速、准确。所述S_2f方法的具体过程如图2所示：首先分别测量无吸收介质以及有吸收介质时的光强信号，分别进行解调可以得到信号X_2f，Y_2f和X⁰ _2f，Y⁰ _2f，根据公式(7)得到S_2f/S^c _2f。另一方面一个拟合程序(具体拟合时可以采用最小二乘法)设置WMRF初始化参数，得到WMRF，再根据使用标准具测量得到的v_poly，带入福吉特吸收线型函数可以模拟得到第一模拟吸收系数，第一模拟吸收系数和无吸收光强根据比尔朗博关系式可以得到第一模拟吸收光强，再进行解调可以得到信号X^1S _2f和Y^1S _2f,根据公式(7)得到S^1S _2f/S^c _2f，拟合程序会比较S_2f/S^c _2f信号和S^1S _2f/S^c _2f信号，计算两个信号之间的残差，判断是否为最佳拟合，如果残差变大，会重新设置初始化WMRF参数，重复以上步骤，直到获得最佳拟合值。

这个新方法的结果展示在图3中，图3上层实线为根据S_2f方法拟合得到的WMRF函数画出的波长变化v，黑色的点是用标准具测量得到的波长变化v，下层为残差。可以看到，两者符合的很好。

接着使用S_2f方法拟合得到的WMRF拟合一组免定标波长调制光谱信号，被测气体是浓度为405ppm的乙炔气体，图4上层为拟合以及测量的结果，下层为它们之间的残差，同时拟合浓度结果也显示在图4中，可以看出使用本发明所述的S_2f方法可以得到一个准确的结果。

所述的福吉特吸收线型函数为本领域公知的函数，具体形式为：其中为福吉特函数，其值受温度影响，所以需要知道环境气压、温度、有效光程，这几个量都是可以预先测量得到的；拟合时初始的浓度值是随意设置的，因为S^1s _2f/S^c _2f与浓度无关，所以浓度值随意设置就可以。

所述的比尔朗博定律：模拟吸收光强＝无吸收光强*exp(吸收系数)。

电脑在数字锁相放大器程序的支持下完成各个吸收光强信号的一次谐波解调和二次谐波解调。

步骤(c)、(d)所述相应软件均为根据最小二乘法所编写的软件。

本发明技术与其它相同类技术相比有以下优点：

1.本发明技术提出了一种获得免定标波长调制光谱(CF-WMS)技术中波长响应调制函数(WMRF)的新方法，得到更精确WMRF的具体参数，从而为精确测量气体浓度奠定了基础。

2.本发明提出了一种基于S_2f/S_2f ^c信号的S_2f方法来获得WMRF，这种新方法简单、快速、准确，并且用乙炔气体吸收做了验证，可以得到准确的拟合结果。

3.本发明技术方案简单，操作方便，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。

附图说明

图1为免定标波长调制光谱吸收测量整体装置图。1为函数发生器，2为加法器，3为激光控制器，4为DFB激光器，5为分束器，6为第一准直镜，7为第二准直镜，8为气体吸收池，9为标准具，10为第一光电探测器，11为第二光电探测器，12为电脑。

图2为采用S_2f方法获得WMRF函数的拟合过程。

图3为使用S_2f方法得到的WMRF与测量值的比较图。图3上层为拟合的结果，下层为残差，黑色的点是用标准具测量得到的WMRF，实线是用S_2f方法拟合的结果。

图4为根据S_2f方法得到的WMRF进行R^2s _2f/R^2s _1f拟合得到的结果。实验中使用的目标气体是浓度为405ppm的乙炔气体，实线是测量得到的R_2f/R_1f信号，点线是拟合得到的R^2s _2f/R^2s _1f信号，下层为它们之间的残差。可以看到使用S_2f方法可以得到一个很好的拟合结果，而且拟合浓度值与实际值也很接近。

图5为CF-WMS的拟合过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术作进一步的说明。

如图1所示，由函数发生器1产生32Hz三角扫描信号和10KHz正弦调制信号经加法器2相加送到激光控制器3，用于扫描和调制DFB激光器4(NTT,NLK1L5EAAA)的输出波长。被调制的激光波束经过分束器5分为两部分：一部分经第一准直镜6进入气体吸收池8，和气体相互作用后被第一光电探测器10(PDs，Thorlabs，PDA10CS-EC)探测，另一部分经第二准直镜7进入标准具9(0.02cm^-1FSR)，之后被第二光电探测器11探测，用于波长定标，分别得到波长随三角波信号以及调制信号的变化。其中三角波引起的波长变化v_poly使用多项式进行拟合，而调制信号引起的波长变化使用WMRF模型进行拟合，得到的拟合参数送入拟合程序，用于拟合测量信号。两个光电探测器的探测信号经一个10MHz、10位的数据采集卡(NICorporation，PCI-6115)采集送入电脑12，使用函数发生器1产生的参考信号对吸收信号进行解调，然后通过拟合解调的测量信号与模拟的R^2s _2f/R^2s _1f信号而获得的气体的浓度。

传统WMRF的获得方法是作为未知常数在2f/1f信号中和浓度与相移同时拟合，由于未知变量太多，会大大增加拟合的复杂程度，耗时且降低准确性。基于此，提出了一种简单、快速、准确的S_2f方法拟合WMRF。分析可知浓度对于中心幅度归一化的S_2f信号S_2f/S_2f ^c没有影响，且相移对它影响很小，可以忽略。所以反推出可以使用S_2f/S_2f ^c反演出WMRF，称之为S_2f方法。图3中实线是使用S_2f方法得到的WMRF画出的波长变化，点线是根据标准具测量得到的波长变化，下图是它们之间的残差，可以看到使用S_2f方法可以得到准确的WMRF。

在公式(2)和(3)中，H₀～H₄都与浓度有关，那么使用不同的浓度代入公式可以模拟得到相对应的R^s _2f/R^s _1f，通过与测量得到的R_2f/R_1f比较，形状和幅度最接近的R^s _2f/R^s _1f对应的浓度就作为浓度结果。CF-WMS拟合过程如图5所示，测量得到吸收光强和无吸收光强6，经过锁相放大器并进行拟合获得WMRF函数，通过标准具透射峰拟合得到的v_poly，可以得到波长随时间的变化v，和无吸收光强信号以及不同的浓度根据比尔朗博定律可以模拟得到第二模拟吸收光强，第二模拟吸收光强经过数字锁相放大器，就可以得到模拟的R^2s _2f/R^2s _1f信号。同时系统会测量经过气体吸收池的吸收光强，吸收光强通过数字锁相放大器程序得到测量的R_2f/R_1f信号，拟合程序会判断模拟信号和测量信号是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，重复拟合过程。

Claims

1.一种基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法；采用如下装置：函数发生器(1)，与函数发生器(1)的两个信号输出端相连接的加法器(2)、与加法器(2)信号输出端相连接的激光控制器(3)以及由激光控制器(3)控制的DFB激光器(4)；DFB激光器(4)的出射光路上设有分束器(5)，分束器(5)的一个出射端顺次设有第一准直镜(6)、气体吸收池(8)以及第一光电探测器(10)；分束器(5)的另一个出射端顺次设有第二准直镜(7)、标准具(9)以及第二光电探测器(11)；所述第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的信号输出端均连接有电脑(12)；函数发生器(1)的第三个信号输出端与电脑(12)连接；其特征在于，所述气体检测方法包括如下步骤：(a)通过第一光电探测器(10)分别测量无吸收介质以及有吸收介质时的光强信号并将其转换为电信号传送至电脑(12)，电脑(12)对接收到的上述信号分别进行二次谐波解调可以得到信号X⁰ _2f，Y⁰ _2f和X_2f，Y_2f；其中X⁰ _2f、Y⁰ _2f分别为无吸收介质时的光强信号的二次谐波解调分量信号；X_2f、Y_2f分别为有吸收介质时的光强信号的二次谐波解调分量信号，根据S_2f计算公式：

得到S_2f，进而得到S_2f/S^c _2f，其中S^c _2f为S_2f中心波长处的值，也就是幅度最大值，可从S_2f信号中直接获取；ψ₁,ψ₂是光强调制与波长调制之间的相位差；H₀,H₁,H₂,H₃,H₄是吸收有关项，正比于介质浓度和吸收线型方程；(b)激光波长随时间的变化量v可表达为v＝v_poly+F(cos(ωt))，式中v_poly是由三角波扫描引起的波长变化部分，F(cos(ωt))是波长响应调制函数WMRF，是由正弦波调制引起的波长变化；所述WMRF函数表达为F(cos(ωt))＝acos(ωt)，参数a与使用的激光器有关；设置WMRF函数中a的初始化参数，再使用标准具(9)测量透射峰拟合得到v_poly，将设置初始化参数的WMRF函数以及v_poly带入福吉特吸收线型函数可以模拟得到第一模拟吸收系数，结合第一模拟吸收系数及无吸收光强并根据比尔朗博定律可以得到第一模拟吸收光强，再对第一模拟吸收光强进行二次谐波解调可以得到相应的分量信号X^1s _2f和Y^1s _2f,结合前述已知的X⁰ _2f，Y⁰ _2f并根据S_2f计算公式得到S^1s _2f/S^c _2f；(c)电脑(12)在相应软件的支持下比较S_2f/S^c _2f信号和S^1s _2f/S^c _2f信号，计算两个信号之间的残差，判断是否为最佳拟合；如果残差变大，则重新设置初始化WMRF参数，重复步骤(b)以及本步骤，直到得到最佳拟合值，也就得到具有确定a参数的WMRF函数；(d)针对某一种待测气体进行浓度检测，利用步骤(c)获得的确定的WMRF函数以及通过标准具(9)透射峰拟合得到的v_poly，可以得到波长随时间的变化量v；结合波长随时间的变化量v、无吸收光强信号以及初始化的气体浓度值并根据比尔朗博定律可以模拟得到第二模拟吸收光强，对第二模拟吸收光强分别进行二次谐波解调和一次谐波解调，得到X^2s _2f和Y^2s _2f以及X^2s _1f和Y^2s _1f信号，其中X^2s _2f和Y^2s _2f分别为第二模拟吸收光强的二次谐波解调信号，X^2s _1f和Y^2s _1f为第二模拟吸收光强的一次谐波解调信号，就可以得到对应第二模拟吸收光强的R^2s _2f/R^2s _1f信号，其中R^2s _2f是X^2s _2f和Y^2s _2f的绝对幅度值，R^2s _1f是X^2s _1f和Y^2s _1f的绝对幅度值；同时得到经过待测气体的光强信号的R_2f/R_1f信号，电脑在相应软件的支持下判断R^2s _2f/R^2s _1f信号和R_2f/R_1f信号是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合气体浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，模拟得到一个新的第二模拟吸收光强，重复本步骤的拟合过程，直到得到一个最佳的拟合浓度值，此拟合浓度值即作为待测气体的浓度值。

2.如权利要求1所述的基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，电脑(12)在数字锁相放大器程序的支持下完成各个吸收光强信号的一次谐波解调和二次谐波解调。

3.如权利要求1或2所述的基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，步骤(c)、(d)所述相应软件均为根据最小二乘法所编写的软件。