CN107255627B - 一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置 - Google Patents

一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置，根据高分辨率气体分子吸收光谱数据库、二极管激光器的光强调制系数和频率调制系数等参数快速拟合出某一浓度气体的归一化各次谐波信号，并与实测信号的扣除背景后归一化各次谐波信号进行最小方差拟合。当拟合方差小于设定阈值，则可认为该拟合浓度即为实测气体浓度，从而实现对气体浓度的测量。本发明可大大降低计算量；且利于嵌入式系统实现，促进仪器的小型化，数字化。

Description

一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置
技术领域
本发明属于气体传感和检测技术领域，具体涉及一种基于级数展开的气体浓度测量方法，属于激光吸收光谱领域，该方法可适用于一般的个人计算机和嵌入式系统中。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术具有高灵敏度、高选择性和快速响应等特点，可以实现对气体的高灵敏度、高分辨率及快速测量。由于它上述优点，TDLAS技术已经广泛应用于大气环境监测、燃烧诊断、等离子反应监测过程产物、烟道气体检测等。通常，TDLAS技术结合波长调制技术和长光程池吸收，以提高探测精度与灵敏度。波长调制技术是指分布反馈式二极管激光器(Distributed feedback laser，DFB)在低频扫描信号调制的基础上叠加一个高频正弦调制频率，通过在高频调制频率及高频调制频率的高次谐波(如二次谐波处)提取谐波信号的幅值信息，该幅值信息与待测气体的浓度、温度有关，由此实现对气体浓度、温度等参数的测量。目前主流的浓度反演算法都是通过锁相放大器提取谐波分量并用一次谐波对二次谐波进行归一化后，根据归一化后的谐波信号峰值来确定气体的浓度参数。该方法的确定在于实际测量过程中谐波信号峰值点会存在漂移、随机误差等影响，故测量精度存在较大误差。大量研究人员试图改进目前现有的缺点，因此发明一种改善从归一化后的谐波信号反演气体参数的方法是非常必要的。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的由归一化后的谐波信号峰值来确定气体的浓度参数时存在的漂移、随机误差等问题，本发明提供一种基于级数展开的气体浓度测量方法。
本发明的另一目的是提供一种基于级数展开的气体浓度检测装置。
技术方案：一种基于级数展开的气体浓度测量方法，包括以下步骤：
(1)通过DFB二极管激光器温度控制模块设定DFB二极管激光器的工作温度；
(2)通过DFB二极管激光器电流驱动模块设定DFB二极管激光器工作的中心电流以确保DFB二极管激光器静态工作点的原始入射光信号频率在吸收谱线中心附近；
(3)计算机控制DAC模块产生初始信号，并将初始信号传递至DFB二极管激光器电流驱动模块，经转换后形成注入电流注入二极管激光器，DFB二极管激光器受注入电流的调制发射激光；
(4)通过标准具，经光电探测器和ADC模块获得DFB二极管激光器发光频率与时间的函数关系，记为υ(t)；
(5)在待测气体未通入气体吸收池的情况下，光电探测器采集原始入射光强信号；
(6)将待测气体通入气体吸收池中，光电探测器采集透射光强信号，并将透射光强信号输入计算机，计算机对函数υ(t)、原始入射光强信号及透射光强信号进行处理得到待测气体浓度。
一种基于级数展开的气体浓度测量方法所用的检测装置，包括计算机、DAC信号发生器、DFB二极管激光器电流驱动模块、DFB激光二极管、DFB二极管激光器温度控制模块、气体吸收池、光电探测器、带通滤波放大器、ADC采样模块、标准具，所述计算机用户输出调制波形给DAC信号发生器；DAC信号发生器用于产生调制电压信号；DFB二极管激光器电流驱动模块用于将调制电压信号转换成注入电流注入DFB激光二极管；DFB二极管激光器温度控制模块用于设定DFB二极管激光器的工作温度；气体吸收池用于存放待测气体；光电探测器用于采集待测气体的光强信号；带通滤波放大器用于光强信号调理，ADC采样模块用于对光强信号采样并将采样信号输入计算机。
有益效果：本发明提供的一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置，在计算仿真归一化二次谐波R2f/1f时，通过读取预存在系统中的归一化线型函数φ(υ(t))及其平方g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))各次谐波分量系数φn和gn可以直接将浓度代入计算即可，无需将浓度值代入比尔朗伯公式得到仿真信号再通过数字锁相获取各次谐波，可大大降低计算量；且利于嵌入式系统实现，促进仪器的小型化，数字化；可以实现拟合法反演气体参数，实现快速、准确测量，具有方便、简单的优点。
附图说明
图1是一种基于级数展开的气体浓度测量方法的气体检测装置图；
图2(a)是吸收线型φ(υ(t))傅里叶级数展开直流分量系数φ0波形图；
图2(b)是吸收线型φ(υ(t))傅里叶级数展开一次谐波系数φ1波形图；
图2(c)是吸收线型φ(υ(t))傅里叶级数展开二次谐波系数φ2波形图；
图2(d)是吸收线型φ(υ(t))傅里叶级数展开三次谐波系数φ3波形图；
图3(a)是g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))傅里叶级数展开直流分量系数g0波形图；
图3(b)是g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))傅里叶级数展开直流分量系数g1波形图；
图3(c)是g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))傅里叶级数展开直流分量系数g2波形图；
图3(d)是g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))傅里叶级数展开直流分量系数g3波形图；
图4是根据傅里叶级数展开系数φn和gn逼近扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形的拟合过程。
图1中有计算机1，DAC信号发生模块2，DFB二极管激光器电流驱动模块3，DFB激光二极管4，DFB二极管激光器温度控制模块5，气体吸收池6，光电探测器7，带通滤波放大电路8，ADC采样模块9，标准具10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置，根据高分辨率气体分子吸收光谱(High Resolution Transmission，HITRAN)数据库、二极管激光器的光强调制系数和频率调制系数等参数快速拟合出某一浓度气体的归一化各次谐波信号，并与实测信号的扣除背景后归一化各次谐波信号进行最小方差拟合。当拟合方差小于设定阈值，则可认为该拟合浓度即为实测气体浓度，从而实现对气体浓度的测量。本发明可大大降低计算量；且利于嵌入式系统实现，促进仪器的小型化，数字化。
如图1所示，一种基于级数展开的气体浓度测量方法所用的检测装置，包括计算机、DAC信号发生器、DFB二极管激光器电流驱动模块、DFB激光二极管、DFB二极管激光器温度控制模块、气体吸收池、光电探测器、带通滤波放大器、ADC采样模块、标准具，所述计算机用户输出调制波形给DAC信号发生器；DAC信号发生器用于产生调制电压信号；DFB二极管激光器电流驱动模块用于将调制电压信号转换成注入电流注入DFB激光二极管；DFB二极管激光器温度控制模块用于设定DFB二极管激光器的工作温度；气体吸收池用于存放待测气体；光电探测器用于采集待测气体的光强信号；带通滤波放大器用于光强信号调理，ADC采样模块用于对光强信号采样并将采样信号输入计算机。
一种基于级数展开的气体浓度测量方法，包括以下步骤：
(1)通过DFB二极管激光器温度控制模块设定DFB二极管激光器的工作温度；
(2)通过DFB二极管激光器电流驱动模块设定DFB二极管激光器工作的中心电流以确保DFB二极管激光器静态工作点的原始入射光信号频率在吸收谱线中心附近；
(3)计算机控制DAC模块产生初始信号，并将初始信号传递至DFB二极管激光器电流驱动模块，经转换后形成注入电流注入二极管激光器，DFB二极管激光器受注入电流的调制发射激光；
所述步骤(3)中设所述初始信号为u＝uscos(ωst)+umcos(ωmt)，所述ωs、ωm、us、um分别为由计算机设定的扫描频率、调制角频率、扫描电压系数、调制电压系数；转换后形成的注入电流为i(t)＝iavg+cos(2πfmt)，所述iavg为瞬时平均电流，可以为低频三角波、正弦波、锯齿波等，fm为调制频率。
(4)通过标准具，经光电探测器和ADC模块获得DFB二极管激光器发光频率与时间的函数关系，记为υ(t)；υ(t)＝υavg+kvcos(2πfmt)，所述υavg为瞬时平均电压，kv为光强调制系数。
(5)在待测气体未通入气体吸收池的情况下，光电探测器采集原始入射光强信号；
(6)将待测气体通入气体吸收池中，光电探测器采集透射光强信号，并将透射光强信号输入计算机，计算机对函数υ(t)、原始入射光强信号及透射光强信号进行处理得到待测气体浓度。
根据高分辨率气体分子吸收光谱(High Resolution Transmission，HITRAN)数据库、二极管激光器的光强调制系数和频率调制系数等参数快速拟合出某一浓度气体的归一化各次谐波信号，并与实测信号的扣除背景后归一化各次谐波信号进行最小方差拟合。当拟合方差小于设定阈值，则可认为该拟合浓度即为实测气体浓度，从而实现对气体浓度的测量，根据傅里叶级数展开系数φn和gn逼近扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形的拟合过程见图4。具体处理过程包括以下步骤：
(61)通过对υ(t)进行级数展开与傅里叶分解推导从而得到归一化线型函数φ(υ(t))各次谐波分量系数φn以及φ(υ(t))的平方g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))各次谐波分量系数gn；展开系数的波形图如图2和3所示。
(62)通过对原始入射光强拟合，确定原始入射光强信号以及频率随时间变化的傅里叶级数展开；
(63)采集透射光强信号，获取透射光强信号和扣除背景后的归一化二次谐波S2f/1f；对采集的透射光强信号进行平均滤波，经过数字锁相分别提取一次谐波分量和二次谐波分量，并进行扣除背景后归一化得到S2f/1f信号。
步骤(63)中将υ(t)代入到归一化线型函数(如Lorentz、Gauss或Voigt函数)中得到φ(υ(t))；由于归一化线型函数为偶函数，故将φ(υ(t))展开成傅里叶级数：
Figure GDA0002325573460000051
式中φn分别为n次谐波的分量系数，φn分别通过相敏解调求解：
φn＝(2-δn0)conv(φ(υ(t))*cos(2πnfmt),lps_coefficient)
式中，conv表示卷积运算；lps_coefficient为低通滤波器；n＝0时，δn0为1；n>0时，δn0为0；
由于φ(υ(t))为fm周期函数，设g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))也为fm周期函数，将g(υ(t))展开成傅里叶级数如下：
Figure GDA0002325573460000061
其中，g(υ(t))的各次谐波分量系数gn为：
Figure GDA0002325573460000062
式中
Figure GDA0002325573460000063
为直流分量系数，φk为第k次谐波的分量系数，φn+k为第n+k次谐波的分量系数，φn-k为第n-k次谐波的分量系数。
(64)设原始入射光强信号为I0(t)＝Iavg+kIcos(2πfmt)，则由比尔-朗伯定律得到透射光强信号为：
It(t)＝I0exp(-PXLS(T)φ(υ))
式中，P为气体总压，X为待测气体浓度，L为有效光程长，S(T)为线强，所述线强可通过查找HITRAN数据库获取；设A＝PLS(T)；可以将It展开成幂级数：
Figure GDA0002325573460000064
当PXLS(T)φ(υ)小于0.1时，
Figure GDA0002325573460000065
综上所述，
Figure GDA0002325573460000066
又因为I0(t)＝Iavg+kIcos(2πfmt)，故It＝I0exp(-PXLS(T)φ(υ))各次谐波系数分别为：
Figure GDA0002325573460000067
式中除浓度X为未知数，其他参量均可在测量之前测得，归一化二次谐波信号R2f/1f为：
Figure GDA0002325573460000071
设定初始迭代浓度参数为X0，X0与φn和gn运算即可得到仿真归一化二次谐波R2f/1f；设定一个阈值，采用交替迭代法改变迭代值Xn，使得S2f/1f与R2f/1f的方差小于所述阈值，此时的Xn即为待测气体浓度。

Claims (6)

1.一种基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过DFB二极管激光器温度控制模块设定DFB二极管激光器的工作温度；
(2)通过DFB二极管激光器电流驱动模块设定DFB二极管激光器工作的中心电流以确保DFB二极管激光器静态工作点的原始入射光信号频率在吸收谱线中心附近；
(3)计算机控制DAC模块产生初始信号，并将初始信号传递至DFB二极管激光器电流驱动模块，经转换后形成注入电流注入二极管激光器，DFB二极管激光器受注入电流的调制发射激光；
(4)通过标准具，经光电探测器和ADC模块获得DFB二极管激光器发光频率与时间的函数关系，记为υ(t)；
(5)在待测气体未通入气体吸收池的情况下，光电探测器采集原始入射光强信号；
(6)将待测气体通入气体吸收池中，光电探测器采集透射光强信号，并将透射光强信号输入计算机，计算机对函数υ(t)、原始入射光强信号及透射光强信号进行处理得到待测气体浓度；
所述步骤(6)中计算机对信号进行处理的步骤包括：
(61)通过对υ(t)进行级数展开与傅里叶分解推导从而得到归一化线型函数φ(υ(t))各次谐波分量系数φn以及φ(υ(t))的平方g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))各次谐波分量系数gn；
(62)通过对原始入射光强拟合，确定原始入射光强信号以及频率随时间变化的傅里叶级数展开；
(63)采集透射光强信号，获取透射光强信号和扣除背景后的归一化二次谐波S2f/1f；
(64)设定初始迭代浓度参数为X0，X0与φn和gn运算即可得到仿真归一化二次谐波R2f/1f；设定一个阈值，采用交替迭代法改变迭代值Xn，使得S2f/1f与R2f/1f的方差小于所述阈值，此时的Xn即为待测气体浓度。
2.根据权利要求1所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中设所述初始信号为u＝uscos(ωst)+umcos(ωmt)，所述ωs、ωm、us、um分别为由计算机设定的扫描频率、调制角频率、扫描电压系数、调制电压系数；转换后形成的注入电流为i(t)＝iavg+cos(2πfmt)，所述iavg为瞬时平均电流，fm为调制频率。
3.根据权利要求2所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，υ(t)＝υavg+kvcos(2πfmt)，所述υavg为瞬时平均电压，kv为光强调制系数。
4.根据权利要求1所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，步骤(61)中将υ(t)代入到归一化线型函数中得到φ(υ(t))；由于归一化线型函数为偶函数，故将φ(υ(t))展开成傅里叶级数：
Figure FDA0002325573450000021
通过对υ(t)进行级数展开与傅里叶分解推导从而得到归一化线型函数φ(υ(t))各次谐波分量系数φn以及φ(υ(t))的平方g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))各次谐波分量系数gn；
式中，φn分别为φ(υ(t))的n次谐波的分量系数，φn分别通过相敏解调求解：
φn＝(2-δn0)conv(φ(υ(t))*cos(2πnfmt),lps_coefficient)
式中，conv表示卷积运算；lps_coefficient为低通滤波器；n＝0时，δn0为1；n>0时，δn0为0；
由于φ(υ(t))为fm周期函数，设g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))也为fm周期函数，将g(υ(t))展开成傅里叶级数如下：
Figure FDA0002325573450000022
其中，g(υ(t))的各次谐波分量系数gn为：
Figure FDA0002325573450000031
式中
Figure FDA0002325573450000032
φ0为直流分量系数，φk为第k次谐波的分量系数，φn+k为第n+k次谐波的分量系数，φn-k为第n-k次谐波的分量系数。
5.根据权利要求1所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，步骤(64)中归一化二次谐波信号R2f/1f的获取包括：
设原始入射光强信号为I0(t)＝Iavg+kIcos(2πfmt)，其中，Iavg为信号的未调制时的信号输出光强，kI为光强调制幅值；则由比尔-朗伯定律得到透射光强信号为：
Figure FDA0002325573450000033
式中，P为气体总压，X为待测气体浓度，L为有效光程长，S(T)为线强，所述线强可通过查找HITRAN数据库获取；设A＝PLS(T)；可以将It展开成幂级数：
Figure FDA0002325573450000034
当PXLS(T)φ(υ)小于0.1时，
Figure FDA0002325573450000035
综上所述，
Figure FDA0002325573450000036
又因为I0(t)＝Iavg+kIcos(2πfmt)，故It＝I0exp(-PXLS(T)φ(υ))各次谐波系数分别为
Figure FDA0002325573450000037
式中除浓度X为未知数，其他参量均可在测量之前测得，归一化二次谐波信号R2f/1f为：
Figure FDA0002325573450000041
6.根据权利要求1所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，步骤(63)中扣除背景后的归一化二次谐波S2f/1f的获取包括：对采集的透射光强信号进行平均滤波，经过数字锁相分别提取一次谐波分量和二次谐波分量，并进行扣除背景后归一化得到S2f/1f信号。
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