CN110658159B - 一种波长调制气体浓度反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长调制气体浓度反演方法，包括下述步骤：(1)将相互正交的参考信号与探测信号相乘，并进行低通滤波后获得吸收光谱的相互正交的一组1f解调信号X_1f、Y_1f；(2)根据1f解调信号X_1f、Y_1f获得1f信号的幅角θ_1f；(3)根据幅角θ_1f获得被测气体浓度。本发明利用正交相位解调的1f信号X_1f、Y_1f，通过测量平面矢量(X_1f，Y_1f)幅角θ_1f反演气体浓度，有效的屏蔽了光强抖动等噪声对气体浓度探测的影响，实现气体浓度的高灵敏度探测。

Description

一种波长调制气体浓度反演方法

技术领域

本发明属于可调谐激光气体吸收光谱探测领域，更具体地，涉及一种波长调制气体浓度反演方法。

背景技术

可调谐激光气体吸收光谱技术，利用气体分子对某个特定波长激光的吸收，通过波长调谐的方法获得该气体分子在该波长的吸收光谱测量其浓度及其信息。该技术广泛的应用于大气污染物监测、工业控制、安全生产等多个领域。

波长调制技术是用高频的调制信号控制激光的波长与强度，进而将气体吸收光谱信号的频率移至高频，再通过解调制探测，从而极大的降低低频噪声对吸收光谱信号的影响，提高系统信噪比。

通常使用1f归一化2f解调方法。使用频率为调制频率两倍，与调制信号同相位的参考信号，与探测到的光强信号相乘，再通过低通滤波的方法获得吸收光谱的X_2r信号。为屏蔽解调相位误差带，通常使用频率为调制频率两倍，正交相位的两路参考信号，与探测到的光强信号相乘，再通过低通滤波的方法获得吸收光谱的X_2f、Y_2f信号。考虑到光强变化对结果的影响，通常采用1f信号对1f信号进行归一化处理。使用频率为调制频率，正交相位的两路参考信号，与探测到的光强信号相乘，在通过低通滤波的方法获得吸收光谱的X_1f、Y_1f信号，从而获得矢量(X_1f，Y_1f)的模R_1f

最终获得单通道的1f归一化2f信号X_2f/1f(X_2f/1f＝X_2f/R_1f)或正交解调的1f归一化的2f信号R_2f/1f

使用获得的X_2f/1f或R_2f/1f有两种方法反演待测气体浓度。第一，采用标准浓度气体标定X_2f/1f或R_2f/1f目标气体吸收位置的峰值或峰峰值，建立气体浓度-峰值(或峰峰值)对应关系，再由测量光谱峰值(或峰峰值)反演气体浓度。第二，采用光谱数据库相应光谱吸收线的特征参数，根据比尔朗博气体吸收定律，结合测量环境条件(温度、压力等)与测量条件(激光光强、频率特征参数等)模拟特定浓度的单通道的1f归一化2f信号或正交解调的1f归一化的2f信号，与测量光谱进行拟合，残差最小的模拟单通道的1f归一化2f信号或正交解调的1f归一化的2f信号对应的目标气体浓度就是测量目标气体浓度。

为了获得高精度的测量结果，在传统解调方式的基础上，也发明了多种其他信号解调光谱反演方法。例如，德国西门子公司A.Hangauer发明了利用调制信号的多次谐波同时解调获得1f信号、2f信号、3f信号及4f信号，对他们同时进行拟合反演气体浓度。清华大学丁艳军发明了基于2次谐波与4次谐波的气体吸收谱线线宽和线型系数的测量等方法。

但在多种方法的应用过程中，激光光强抖动等噪声造成的气体浓度测量误差仍然是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种波长调制气体浓度反演方法，旨在解决现有技术中激光光强抖动噪声导致气体浓度测量误差大的问题。

本发明提供了一种波长调制气体浓度反演方法，包括下述步骤：

(1)将相互正交的参考信号与探测信号相乘，并进行低通滤波后获得吸收光谱的相互正交的一组1f解调信号X_1f、Y_1f；其中，X_1f、Y_1f分别为坐标系中X轴和Y轴的1f解调信号；

(2)根据所述1f解调信号X_1f、Y_1f获得1f信号的幅角θ_1f；

(3)根据所述幅角θ_1f获得被测气体浓度。

其中，所述参考信号的频率、所述探测信号的频率均与调制信号的频率相同。

更进一步地，步骤(2)中幅角θ_1f＝arctan(Y_1f/X_1f)，且幅角θ_1f的峰峰值与气体吸光光谱积分吸光度成正比。

更进一步地，步骤(3)中通过标准浓度气体标定获得被测气体浓度。

更进一步地，标准浓度气体标定具体包括：

(1)在气体吸收池中依次通入包含待测气体浓度上、下限的一组已知浓度的不同浓度气体，测量幅角θ_1f的峰峰值；

(2)建立气体浓度与幅角的对应关系模型；该对应关系模型可以是对应关系表，也可以是多项式拟合关系表达式；

(3)测量待测气体幅角θ_1f的峰峰值，并根据待测气体幅角θ_1f的峰峰值以及所述对应关系模型获得待测气体浓度。

更进一步地，通过在对应关系表中查表或内插求值或根据多项式拟合关系表达式计算获得待测气体浓度。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明中由于1f信号的幅值远高于2f信号，因此基于1f信号幅角的波长调制解调方法在原始信号噪声干扰较大的恶劣环境下仍能获得与光强无关的准确的解调结果。本发明利用正交相位解调的1f信号X_1f、Y_1f，通过测量平面矢量(X_1f，Y_1f)幅角θ_1f反演气体浓度，有效的屏蔽了光强抖动等噪声对气体浓度探测的影响，实现气体浓度的高灵敏度探测。

附图说明

图1是本发明浓度反演流程示意图；

图2是本发明探测的原始光谱信号示意图；

图3是本发明1f解调信号X_1f示意图；

图4是本发明1f解调信号Y_1f示意图；

图5是本发明1f幅角信号θ_1f示意图；

图6是不同积分吸光度下的θ_1f数值计算结果；

图7是数值计算θ_1r峰峰值与积分吸光度对应关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明具体涉及一种利用正交解调1f信号的幅角反演气体浓度的方法，实现高灵敏度气体浓度探测。本发明尤其适用于光强抖动等噪声明显的气体探测环境，其中1f信号是波长调制吸收光谱领域的通用术语，以调制频率同频率的参考信号解调获得的是1f信号(又称一次谐波)，以调制频率2倍频的参考信号解调获得的是2f信号(又称二次谐波)。

本发明目的在于提供一种基于1f信号幅角特征的波长调制气体吸收光谱气体浓度反演方法，屏蔽光强抖动等噪声对探测信号幅值的影响，实现高灵敏度气体浓度探测。

根据本发明，采用与调制信号同频率的两路正交参考信号与探测信号相乘，再通过低通滤波的方法获得吸收光谱的X_1f、Y_1f信号，求Y_1f除X_1f结果的反正切，获得矢量(X_1f，Y_1f)的幅角θ_1f(θ_1f＝arctan(Y_1f/X_1f))。θ_1f是与吸收线型一阶导数相似的信号，θ_1r信号的峰峰值与目标气体浓度成正比，从而可以通过标准浓度气体标定的方法由θ_1f获得被测气体浓度。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1所示的是本发明的浓度反演流程示意图；波长调制吸收光谱通过电流调制实现光强与频率同时调制，光强I₀在直流光强i₀的基础上调制响应的幅值为i₁，频率v在基准频率v₀的基础上调制响应的幅值为v₁，调制频率相同为ω，存在相位差θ。光强I₀，频率v可以写成时间t的函数；I₀＝i₀+i₁cos(ωt+θ)，v＝v₀+v₁ cos(ωt)。

气体吸光度τ(v)是气体浓度小压力P、光程L、线强S以及线型函数σ(v)的乘积，其中χPLS被称为积分吸光度，是与频率无关的函数，线型函数σ(v)在吸收光谱频率范围内的积分为1，气体吸光度τ(v)可以表达为傅里叶级数的形式，

τ(v₀+v₁ cos(ωt))＝χPLSσ(v₀+v₁ cos(ωt))＝∑H_k(v₀，v₁)cos(kωt)

其中，

根据比尔朗博定律原始探测信号(如图2所示)可以表示为：

I＝I₀ exp(-τ)

≈I₀(1-τ)＝i₀+i₁ cos(ωt+θ)-i₀τ(v₀+v₁ cos(ωt))-i₁ cos(ωt+θ)τ(v₀+v₁ cos(ωt))’

以与频率调制同频率，同相位的参考信号cosωt对原始探测信号进行解调获得X_1f信号(如图3所示)：

以与频率调制同频率，正交相位的参考信号sinωt对原始探测信号进行解调获得Y_1f信号(如图4所示)：

所以1f信号的幅角θ_1f(如图5)可以表示为：

由于气体吸光度τ(ν)与积分吸光度、气体浓度都成正比，所以它的傅里叶级数H₀、H₁、H₂......也都与积分吸光度、气体浓度成正比，因此θ_1f是积分吸光度、气体浓度的函数。

假设i₀：i_i＝10，频率与光强调制相位差θ＝150°，对不同积分吸光度下的θ_1f做数值计算结果如图6所示，不同积分吸光度下θ_1f曲线在1、2位置的峰峰值有明显的区别。1、2位置的峰峰值与积分吸光度存在明显的单调递增关系(如图7所示)。而积分吸光度与气体浓度成正比。因此在气体压力、测量光程一定的情况下，可以通过θ_1f曲线在1、2位置的峰峰值来测量气体浓度。

可以通过测量不同浓度目标待测气体光谱的θ_1r信号，获得不同浓度下θ_1f信号峰值1与谷值2的差值(峰峰值)，建立浓度-峰峰值对应关系，对于未知浓度的目标待测气体通过测量θ_1f信号的峰峰值，通过差值的方式获得气体浓度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种波长调制气体浓度反演方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将相互正交的参考信号与探测信号相乘，并进行低通滤波后获得吸收光谱的相互正交的一组1f解调信号X_1f、Y_1f；

(2)根据所述1f解调信号X_1f、Y_1f获得1f信号的幅角θ_1f；幅角θ_1f＝arctan(Y_1f/X_1f)，且幅角θ_1f的峰峰值与气体吸光光谱积分吸光度成正比；

(3)根据所述幅角θ_1f获得被测气体浓度。

2.如权利要求1所述的波长调制气体浓度反演方法，其特征在于，所述参考信号的频率、所述探测信号的频率均与调制信号的频率相同。

3.如权利要求1-2任一项所述的波长调制气体浓度反演方法，其特征在于，步骤(3)中通过标准浓度气体标定获得被测气体浓度。

4.如权利要求3所述的波长调制气体浓度反演方法，其特征在于，标准浓度气体标定具体包括：

(1)在气体吸收池中依次通入包含待测气体浓度上、下限的一组已知浓度的不同浓度气体，测量幅角θ_1f的峰峰值；

(2)建立气体浓度与幅角的对应关系模型；

(3)测量待测气体幅角θ_1f的峰峰值，并根据待测气体幅角θ_1f的峰峰值以及所述对应关系模型获得待测气体浓度。

5.如权利要求4所述的波长调制气体浓度反演方法，其特征在于，通过在对应关系表中查表或内插求值或根据多项式拟合关系表达式计算获得待测气体浓度。

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