CN107727597B - 一种混合气体的紫外差分浓度反演与干扰抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合气体的紫外差分浓度反演与干扰抑制方法，依据反演计算波段中组分的数目，将反演波段分为单组份波段与多组分波段，从单组份波段中提取差分吸收光谱；反演计算单组份波段中组分的浓度得到{Ci}，依据{Ci}与差分吸收截面的经验数据计算得到对应组分差分吸收光谱{Di}；从多组分波段中搜寻只剩一种组分浓度未知的波段，提取出该组分在此波段的差分吸收光谱{Dj}；依据{Dj}使用带干扰抑制的算法计算对应得到对应的{Cj}，将{Cj}加入到{Ci}中，重复步骤直到所有组分的浓度都已知。本发明针对混合气体中互相干扰较为严重的组分，仍能精确提取出差分吸收光谱；当光谱在某些反演波段面临严重的干扰时，仍能有效的抑制干扰，提高浓度计算的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度光学检测技术领域，尤其是一种混合气体的紫外差分浓度反演与干扰抑制方法。
背景技术
光学检测法是检测烟气浓度的一种有效方法，随着工业化的发展，不仅注重效益，也开始要注重绿色环保，因此环境标准也日趋严格，对相关的环境检测仪的精度要求也越来越高。有效、精确的检测工业排放烟气的浓度能够帮助国家的相关部门高效实现监管，对工业化的进一步发展，创造宜人居住的环境有着重要的意义。光学检测法比起化学检测手段测量精度普遍更高，测量稳定性也更好。因此，光学检测技术是未来烟气测量的发展趋势。
光学检测法的基本原理在于不同气体对相同频率的光有着不同的吸收特性。由于烟气中的消光因素除了各种烟气的吸收消光还含有固体颗粒物引起的散射消光，这些消光会影响光学检测的精度。由于散射消光形成光谱是慢变光谱，而烟气的吸收消光的光谱兼顾了慢变光谱与快变光谱。基于这一特性，从光谱中提取快变光谱，摒弃所有慢变光谱就成了光学检测法的重要方法，这个技术被称为差分光谱技术。一般的基于差分光谱技术的光学检测法将差分化处理完的光谱看成是完全符合Beer-lambert公式描述的，差分光谱强度与烟气浓度大小呈简单的线性关系。实际上，由于硬件器件的影响，外界环境的动态变化以及各种噪声的干扰。差分化处理完的光谱与气体浓度的关系并不像Beer-Lambert公式描述的那么完美。对差分化处理完的烟气光谱直接使用公式来计算浓度是存在问题的。此外，在混合气体中由于有些波段烟气中各组分的吸收特性会互相干扰，常规的差分化算法提取出来的差分吸收光谱并不准确，并对最终烟气各组分浓度的计算产生影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种混合气体的紫外差分浓度反演与干扰抑制方法，能够有效的提高差分化过程中提取的差分吸收光谱的精度，提供了噪声与干扰的抑制手段。
为解决上述技术问题，本发明提供一种混合气体的紫外差分浓度反演与干扰抑制方法，包括如下步骤：
(1)依据反演计算波段中组分的数目，将反演波段分为单组份波段与多组分波段，从单组份波段中提取差分吸收光谱；
(2)反演计算单组份波段中组分的浓度得到{Ci}，其中i表示组分的种类，依据{Ci}与差分吸收截面的经验数据计算得到对应组分差分吸收光谱{Di}；
(3)从多组分波段中搜寻只剩一种组分浓度未知的波段，提取出该组分在此波段的差分吸收光谱{Dj}；
(4)依据{Dj}使用带干扰抑制的算法计算对应得到对应的{Cj}，将{Cj}加入到{Ci}中，重复步骤(3)直到所有组分的浓度都已知。
优选的，步骤(2)中，依据{Ci}与差分吸收截面的经验数据计算得到对应组分差分吸收光谱{Di}，计算公式如下：
Di＝areai×Ci×L
其中areai表示第i类组分在反演计算波段上的差分吸收截面，选取经验数据中对应浓度最接近Ci的用于计算，L表示光程。
优选的，步骤(3)中，提取该组分在此波段的差分吸收光谱{Dj}，具体公式如下：
其中I和back分别表示混合气体在多组分波段的紫外吸收光谱与背景光谱，DOAS[·]表示差分操作，去除宽带光谱。
优选的，步骤(4)中，带干扰抑制的算法具体包括如下步骤：
(41)使用最小二乘法估算组分浓度Ci，i表示组分种类，若待计算浓度的光谱是单组份波段的吸收光谱，则先进行预处理；
上式是预处理公式，I和back分别表示混合气体在单组分波段的紫外吸收光谱与背景光谱；
其中areai表示第i类组分在反演波段上的差分吸收截面，Di表示第i类组分的差分吸收光谱，L表示光程；
(42)依据Ci计算反演波段上每个频点的可信度t，同时搜寻经验数据中浓度最接近Ci第i类组分的差分吸收截面clAreai；
上式是可信度的计算公式，t(k)表示反演波段上第k个频点的可信度，Di(k)表示第i类组分在第k个频点上的差分吸收光谱，同理areai(k)表示(41)中areai在第k个频点上的取值；
(43)选取可信度较高的一部分频点，使用最小二乘法与clAreai重新计算第i类组分的浓度并更新Ci；
(44)重复步骤(42)与步骤(43)直到迭代次数达到预设值，或者更新前后Ci的绝对偏差error小于阈值；
error＝|Ci,new-Ci,old|
其中Ci,new表示更新后的浓度，Ci,old表示更新前的浓度。
本发明的有益效果为：本发明针对混合气体中互相干扰较为严重的组分，仍能精确提取出差分吸收光谱；当光谱在某些反演波段面临比较严重的干扰时，仍能有效的抑制干扰，提高浓度计算的精确性。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的干扰抑制算法的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种混合气体的紫外差分浓度反演与干扰抑制方法，包括如下步骤：
(1)依据反演计算波段中组分的数目，将反演波段分为单组份波段与多组分波段，从单组份波段中提取差分吸收光谱；
(2)反演计算单组份波段中组分的浓度得到{Ci}，其中i表示组分的种类，依据{Ci}与差分吸收截面的经验数据计算得到对应组分差分吸收光谱{Di}，计算公式如下：
Di＝areai×Ci×L
其中areai表示第i类组分在反演计算波段上的差分吸收截面，选取经验数据中对应浓度最接近Ci的用于计算，L表示光程；
(3)从多组分波段中搜寻只剩一种组分浓度未知的波段，提取出该组分在此波段的差分吸收光谱{Dj}，具体公式如下：
其中I和back分别表示混合气体在多组分波段的紫外吸收光谱与背景光谱，DOAS[·]表示差分操作，去除宽带光谱；
(4)依据{Dj}使用带干扰抑制的算法计算对应得到对应的{Cj}，将{Cj}加入到{Ci}中，重复步骤(3)直到所有组分的浓度都已知。
如图1所示混合气体的紫外差分浓度反演计算的方法，系统主要分为两大环节：提取混合气体各组分的差分吸收光谱，使用带干扰抑制的浓度计算方法计算出各组分的浓度。在第一环节，将系统中所有可用反演计算的波段进行分类，主要分为单组份反演波段与多组分反演波段。依据波段的分类制定各组分的浓度计算顺序，首先计算具有单组份波段的组分浓度；在获得一些组分浓度后，求解只含有多组分波段的组分浓度，在多组分波段中除了要求的目标组分外，其他组分视为干扰组分，优先计算干扰组分浓度都已经知道的类型。具体从多组分波段提取目标组分的差分吸收光谱时，先拟合出已知浓度干扰组分在此波段的差分吸收光谱，并从混合气体光谱中剔除这些能拟合出来的干扰组分，最后对处理完的混合光谱进行差分化处理。
本发明通过划分反演波段，结合已知信息优先提取出受干扰较小的组分，对于受干扰的组分采取先减去干扰后差分处理的方法来提取产分吸收光谱。在抑制干扰时，先估算出各组分的浓度，根据浓度的估计值来计算反演波段各频点的可信度，筛选出可信度较高的频点再次进行反演以提高计算的精确性。
图2给出了带干扰抑制的浓度计算方法的具体步骤：
Step1：使用最小二乘法估算组分浓度Ci，i表示组分种类。若待计算浓度的光谱是单组份波段的吸收光谱，则先进行预处理。
Step2：依据Ci1计算反演波段上每个频点的可信度t，同时搜寻经验数据中浓度最接近Ci1第i类组分的差分吸收截面clAreai。
Step3：选取可信度较高的一部分频点，使用最小二乘法与clAreai重新计算第i类组分的浓度并更新Ci。
Step4：重复步骤2与步骤3直到迭代次数达到预设值，或者更新前后Ci的绝对偏差error小于阈值，error＝|Ci,new-Ci,old|。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
Claims (1)
1.一种混合气体的紫外差分浓度反演与干扰抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)依据反演计算波段中组分的数目，将反演波段分为单组份波段与多组分波段，从单组份波段中提取差分吸收光谱；
(2)反演计算单组份波段中组分的浓度得到{Ci}，其中i表示组分的种类，依据{Ci}与差分吸收截面的经验数据计算得到对应组分差分吸收光谱{Di}；依据{Ci}与差分吸收截面的经验数据计算得到对应组分差分吸收光谱{Di}，计算公式如下：
Di＝areai×Ci×L
其中areai表示第i类组分在反演计算波段上的差分吸收截面，选取经验数据中对应浓度最接近Ci的用于计算，L表示光程；
(3)从多组分波段中搜寻只剩一种组分浓度未知的波段，提取出该组分在此波段的差分吸收光谱{Dj}；提取该组分在此波段的差分吸收光谱{Dj}，具体公式如下：
其中I和back分别表示混合气体在多组分波段的紫外吸收光谱与背景光谱，DOAS[·]表示差分操作，去除宽带光谱；
(4)依据{Dj}使用带干扰抑制的算法计算对应得到对应的{Cj}，将{Cj}加入到{Ci}中，重复步骤(3)直到所有组分的浓度都已知；带干扰抑制的算法具体包括如下步骤：
(41)使用最小二乘法估算组分浓度Ci，i表示组分种类，若待计算浓度的光谱是单组份波段的吸收光谱，则先进行预处理；
上式是预处理公式，I和back分别表示混合气体在单组分波段的紫外吸收光谱与背景光谱；
其中areai表示第i类组分在反演波段上的差分吸收截面，Di表示第i类组分的差分吸收光谱，L表示光程；
(42)依据Ci计算反演波段上每个频点的可信度t，同时搜寻经验数据中浓度最接近Ci第i类组分的差分吸收截面clAreai；
上式是可信度的计算公式，t(k)表示反演波段上第k个频点的可信度，Di(k)表示第i类组分在第k个频点上的差分吸收光谱，同理areai(k)表示(41)中areai在第k个频点上的取值；
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(44)重复步骤(42)与步骤(43)直到迭代次数达到预设值，或者更新前后Ci的绝对偏差error小于阈值；
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其中Ci,new表示更新后的浓度，Ci,old表示更新前的浓度。
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