CN111351770A - 一种波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法，该方法包括以下步骤：(1)获取吸收信号It和背景信号It，0；(2)采用正交解调的方法获取扣除背景信号的一次谐波相位基线值
和一次谐波相位角差分信号δθ1f‑0；(3)采用公式
求得吸收光程Labs；(4)采用以下公式对扣除背景的差分相位角δθ1f‑0进行最小二乘法线型拟合，求得待测气体的浓度：
本发明能够解决现有技术中存在的不足，能够快速同步反演吸收光程与气体浓度，实现高灵敏度吸收光程与气体浓度探测，尤其适用于遥测等噪声明显的气体探测环境。
Description
技术领域
本发明涉及可调谐激光气体吸收光谱探测技术领域，具体涉及一种波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法。
背景技术
随着红外二极管激光技术的飞速发展，可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)在温室气体和大气污染监测、燃烧诊断、工业过程控制等领域得到了广泛的应用。在激光吸收光谱中，吸光度通常与气体浓度和吸收路径长度的乘积成正比。因此，吸收路径长度的测量误差直接决定了反演气体浓度的精度。在单通或多通气池的测量配置中，吸收路径是明确定义的，或者可以通过已知气体浓度的参考测量进行校准。然而，多通气池的吸收路径长度也会因机械不稳定性而变化，导致长期测量的不确定性增加。此外，在许多应用中，如气体在散射介质吸收光谱(GASMAS)中的应用、气体浓度的开放路径遥感等，吸收路径长度也可能是未知的或很难确定的。因此，在测量气体吸收信号时测量吸收路径长度一直是人们关注的问题，相关研究人员在这一领域投入了大量的工作。
意大利的Gianfrani等人使用高精度的迈克尔逊干涉仪测量了吸收路径长度。Du等人使用光频域反射计(OFDR)测量多通气池的吸收路径长度。最近，Lou等人演示了一种同时测量气体吸收光谱和吸收路径长度的方法，方法是在一个多气电池中使用光调频连续波(FMCW)干涉术。这种方法虽然可以达到一定的精度，但是测量范围受到二极管激光器的线宽的限制，例如，对于一个典型的10mhz的线宽，测量范围为10米。在GASMAS技术中，激光束在多孔的散射介质中发生了明显的散射，使得吸收路径长度难以测量。Mei等人使用频域光子迁移(FDPM)技术和FMCW技术测量了散射介质中的气体吸收和路径长度，但这需要额外的光电子器件来进行路径长度测量。在开放路径遥感应用中，吸收路径长度一般采用单独的GPS或测距模块进行测量，但这在很多应用中是不方便的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法，该方法能够解决现有技术中存在的不足，实现吸收光程和气体浓度的快速、高灵敏度同步反演。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法，该方法包括以下步骤：
(1)获取吸收信号It和背景信号It，0。
(2)采用正弦信号sin(2πfmt)分别与吸收信号It、背景信号It，0相乘，并对相乘后的结果分别进行低通滤波，得到一次谐波的X通道解调信号X1f及X通道背景解调信号
(3)采用余弦信号cos(2πfmt)分别与吸收信号It、背景信号It，0相乘，并对相乘后的结果分别进行低通滤波，得到一次谐波的Y通道解调信号Y1f及Y通道背景解调信号
(4)根据一次谐波的X通道解调信号和Y通道解调信号，求得吸收信号的一次谐波相位角θ1f。
(5)根据一次谐波的X通道背景解调信号和Y通道背景解调信号，求得背景信号的一次谐波相位角
(6)根据吸收信号的一次谐波相位角和背景信号的一次谐波相位角，求得扣除背景的一次谐波相位角θ1f-0。
(7)采用公式
求得吸收光程Labs；其中，c为光速，fm为调制频率，
为扣除背景信号的一次谐波相位角基线值；
(8)对扣除背景的一次谐波相位角θ1f-0进行差分计算，得到扣除背景的一次谐波差分相位角δθ1f-0，并采用以下公式对扣除背景的差分相位角δθ1f-0进行最小二乘法线型拟合，求得待测气体的浓度；
其中，压强表示P，L表示吸收光程，T表示温度，S(T)表示吸收线强，
表示激光光强零阶傅里叶系数，
表示激光光强一阶偶数傅里叶系数，
表示激光光强一阶奇数傅里叶系数，a表示调制深度，v表示频率，线型函数φ为一种已知的函数(由高斯线型与洛伦兹线型卷积得到)，对实验测得线型按上式进行最小二乘拟合，可得到上式中的唯一变量气体浓度X值。
进一步的，步骤(1)中所述的“吸收信号It和背景信号It，0”，其采用信号采集模块获取，所述信号采集模块包括可调谐窄带激光器、激光器控制器、分束镜、反射镜、光电探测器一和光电探测器二。
在激光器控制器的控制下，激光器发出波长调制扫描信号，波长调制扫描信号经分束镜分成两束，一束直接被光电探测器一吸收，得到背景信号It，0，另一束穿过待测流场，再经反射镜反射后被光电探测器二吸收，得到吸收信号It。
由以上技术方案可知，本发明利用正交相位解调的一次谐波信号X1f、Y1f，通过测量平面矢量(X1f、Y1f)一次谐波相位角的基线值及其差分信号的线型，同步反演吸收光程与气体浓度，实现吸收光程与气体浓度的高灵敏度探测。因为扣除背景的一次谐波相位角及其差分信号几乎是无背景的，且与解调相位无关，因此，本发明能够快速同步反演吸收光程与气体浓度，实现高灵敏度吸收光程与气体浓度探测，尤其适用于遥测等噪声明显的气体探测环境。
附图说明
图1是本发明的工作原理示意图；
图2是本发明中信号采集模块的工作原理示意图；
图3是本发明中的探测的原始光谱信号示意图；
图4是本发明中一次谐波相位角的示意图；
图5是本发明中扣除背景的一次谐波相位角差分信号测量及拟合示意图。
其中：
1、激光器控制器，2、可调谐窄带激光器，3、分束镜，4、光电探测器一，5、光电探测器二，6、反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法，该方法包括以下步骤：
(1)获取吸收信号It和背景信号It，0。
(2)采用正弦信号sin(2πfmt)分别与吸收信号It、背景信号It，0相乘，并对相乘后的结果分别进行低通滤波(低通滤波截止频率为扫描频率的5倍)，得到一次谐波的X通道解调信号X1f及X通道背景解调信号
(3)采用余弦信号cos(2πfmt)分别与吸收信号It、背景信号It，0相乘，并对相乘后的结果分别进行低通滤波，得到一次谐波的Y通道解调信号T1f及Y通道背景解调信号
(4)根据一次谐波的X通道解调信号和Y通道解调信号，求得吸收信号的一次谐波相位角θ1f。具体地说，采用公式
求得吸收信号的一次谐波相位角θ1f。如图4中的“1 θ1f”所示。
(5)根据一次谐波的X通道背景解调信号和Y通道背景解调信号，求得背景信号的一次谐波相位角
具体地说，采用公式
求得背景信号的一次谐波相位角
如图4中的“2
”所示。
(6)根据吸收信号的一次谐波相位角和背景信号的一次谐波相位角，求得扣除背景的一次谐波相位角θ1f-0。具体地说，采用公式
求得扣除背景的一次谐波相位角
如图4中的“3 θ1f-0”所示。
(7)采用公式
求得吸收光程Labs；其中，c为光速，fm为调制频率，
为扣除背景信号的一次谐波相位角基线值。
(8)对扣除背景的一次谐波相位角θ1f-0进行差分计算(即求其导数)，得到扣除背景的一次谐波差分相位角δθ1f-0，δθ1f-0如图5中的“测量光谱”所示。
采用以下公式对扣除背景的差分相位角δθ1f-0进行最小二乘法线型拟合，得到如图5中所示“拟合光谱”，由拟合结果求得待测气体的浓度；
其中，压强表示P，L表示吸收光程，T表示温度，S(T)表示吸收线强，
表示激光光强零阶傅里叶系数，
表示激光光强一阶偶数傅里叶系数，
表示激光光强一阶奇数傅里叶系数，a表示调制深度，v表示频率，线型函数φ为一种已知的函数(由高斯线型与洛伦兹线型卷积得到)，对实验测得线型按上式进行最小二乘拟合，可得到上式中的唯一变量气体浓度X值。
步骤(7)和步骤(8)中涉及的吸收光程计算公式与气体浓度计算公式中的各变量在具体实施过程中容易获取，且这两个公式减弱了环境影响，提高了测量精度。
进一步的，步骤(1)中所述的“吸收信号It和背景信号It，0”，其采用信号采集模块获取，所述信号采集模块包括可调谐窄带激光器2、激光器控制器1、分束镜3、反射镜6、光电探测器一4和光电探测器二5。不同于现有技术，本发明设置了两个光电探测器(光电探测器一4和光电探测器二5)，还设置了一个分束镜3。分束镜3用于对激光分束，得到两束相干光，其中一束用于获取吸收信号，另一束作为参考信号，这两束信号中就包含了气体浓度与吸收光程的信息，本发明利用这些信息进行气体浓度与吸收光程同步反演。
在激光器控制器1的控制下，可调谐窄带激光器2发出波长调制扫描信号，波长调制扫描信号经分束镜分成两束，一束直接被光电探测器一4吸收，得到背景信号It，0，另一束穿过待测流场，再经反射镜6反射后被光电探测器二5吸收，得到吸收信号It。
波长调制扫描信号的扫描频率fs为100Hz，调制频率fm为50kHz。光电探测器一获取的信号为模拟信号，该模拟信号采用数据采集卡采集并保存，模拟信号转换为数字信号后，得到It，0，如图3中的“2背景信号”所示。穿过待测流场的波长调制信号，分子受光的作用，发生受激吸收，产生吸收信号，该过程中的激光光强的变化满足Beer-Lambert定律，激光穿过待测流场后，再经远处反射镜反射，由光电探测器二获得吸收信号，并用数据采集卡采集并保存，得到It，如图3中的“1吸收信号”所示。
本发明用相互正交的参考信号与探测信号相乘，低通滤波后获得吸收光谱的相互正交的1f解调信号X1f、Y1f；根据1f解调信号X1f、Y1f获得一次谐波信号的幅角θ1f；根据扣除背景的一次谐波相位角基线值
获得吸收光程；根据扣除背景的一次谐波相位角θ1f-0的差分信号的线型，获得被测气体的浓度。
现有的基于吸收光谱理论的气体传感器，大多需要借助于其他技术进行吸收光程的获取，比如激光测距仪或GPS技术，这将大大增加仪器的体积与成本。目前，也有一些技术可以同时测量气体吸收光谱和吸收光程，比如光调频连续波干涉术，但这种方法的测距范围受二极管激光器的线宽限制，例如对于一个典型的10MHz线宽的激光器，测量范围仅为10米。而本发明提出的波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法，可以同步实现气体浓度测量与吸收光程测量，在实际应用中，不仅可以大大减少仪器的数量和体积，降低测量成本，还可以保证气体传感所必须的吸收光程的测量精度，同时测量距离远大于10米，实现了远距离高精度测量。
目前大多数吸收光谱法气体传感器未考虑相位角信息，本发明使用相位角信息进行气体浓度与吸收光程同步反演是已有专利与文献未被报道的，特别是使用相位角信息进行距离的测量。也可以说，本发明是在已有的吸收光谱法气体传感器技术的基础上，对所获得的信号进行的进一步挖掘，得到了更多有用的信息——吸收光程。并且因为扣除背景的一次谐波相位角及其差分信号几乎是无背景的，且与解调相位无关，因此，本发明能够快速同步反演吸收光程与气体浓度，实现高灵敏度吸收光程与气体浓度探测，尤其适用于遥测等噪声明显的气体探测环境。
实验发现，受大气温度、压力变化引起的空气扰动，以及激光器漂移和数据采集系统的误差影响，在光程700米条件下，采用本发明所述的方法对大气CO2和H2O进行吸收光程与浓度同步反演，吸收光程测量精度为0.01m，气体浓度测量精度为0.1ppm。本发明实现的距离测量精度达到了常用的激光测距仪测量精度，气体浓度测量精度与同类吸收光谱法气体传感器测量精度一致。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)获取吸收信号It和背景信号It，0；
(2)采用正弦信号sin(2πfmt)分别与吸收信号It、背景信号It，0相乘，并对相乘后的结果分别进行低通滤波，得到一次谐波的X通道解调信号X1f及X通道背景解调信号
(3)采用余弦信号cos(2πfmt)分别与吸收信号It、背景信号It，0相乘，并对相乘后的结果分别进行低通滤波，得到一次谐波的Y通道解调信号Y1f及Y通道背景解调信号
(4)根据一次谐波的X通道解调信号和Y通道解调信号，求得吸收信号的一次谐波相位角θ1f；
(5)根据一次谐波的X通道背景解调信号和Y通道背景解调信号，求得背景信号的一次谐波相位角
(6)根据吸收信号的一次谐波相位角和背景信号的一次谐波相位角，求得扣除背景的一次谐波相位角θ1f-0；
(7)采用公式
求得吸收光程Labs；其中，c为光速，fm为调制频率，
为扣除背景信号的一次谐波相位角基线值；
(8)对扣除背景的一次谐波相位角θ1f-0进行差分计算，得到扣除背景的一次谐波差分相位角δθ1f-0，并采用以下公式对扣除背景的差分相位角δθ1f-0进行最小二乘法线型拟合，求得待测气体的浓度；
其中，压强表示P，L表示吸收光程，T表示温度，S(T)表示吸收线强，
表示激光光强零阶傅里叶系数，
表示激光光强一阶偶数傅里叶系数，
表示激光光强一阶奇数傅里叶系数，a表示调制深度，v表示频率，线型函数φ为一种已知的函数(由高斯线型与洛伦兹线型卷积得到)，对实验测得线型按上式进行最小二乘拟合，可得到上式中的唯一变量气体浓度X值。
2.根据权利要求1所述的一种波长调制吸收光谱吸收光程与气体浓度同步反演方法，其特征在于：步骤(1)中所述的“吸收信号It和背景信号It，0”，其采用信号采集模块获取，所述信号采集模块包括可调谐窄带激光器、激光器控制器、分束镜、反射镜、光电探测器一和光电探测器二；
在激光器控制器的控制下，激光器发出波长调制扫描信号，波长调制扫描信号经分束镜分成两束，一束直接被光电探测器一吸收，得到背景信号It，0，另一束穿过待测流场，再经反射镜反射后被光电探测器二吸收，得到吸收信号It。
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