CN113686815A - 调制深度控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请是关于一种调制深度控制方法、装置、设备及存储介质，具体涉及光信号处理领域。所述方法包括：获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值；根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，获得所述目标激光光束在所述目标气压条件下的调制深度值；根据所述调制深度值，对所述目标激光光束的调制信号进行控制。上述方案中可以对目标激光光束的调制信号进行控制，以便目标激光光束的调制深度值满足指定条件，此时目标透射光的二次谐波分量或四次谐波分量达到最大值，从而提高了光强测量的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及光信号处理领域，具体涉及一种调制深度控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS，Tunable diode laser absorptionspectroscopy)是利用气体分子对激光选频吸收，计算入射光与出射光的光功率变化，实现对目标气体区域浓度的定量检测。
当气体浓度较低或气体吸收峰较弱的情况下，吸收产生的光强变化微弱需要采用谐波法(WMS，Wavelength Modulation Spectroscopy)进行检测，它是利用锁相放大器解调特定频率的谐波进行检测，计算各次谐波峰值或者峰值比表征气体浓度，具有更低的检测下限和灵敏度。各次谐波信号与调制深度m相关，当m≈2.2时，二次谐波的峰值达到最大；当m≈4.1时，四次谐波的峰值达到最大。
上述方案中，当气压发生剧烈变化时，气体半高宽随气压变化，而调制深度为调制频率幅度与气体半高宽的比值，因此调制深度也受气压影响，导致各次谐波的幅值和信噪比都受到影响，测量误差较大。
发明内容
本申请提供了一种调制深度控制方法、装置、计算机设备及存储介质，可以提高光谱测量的测量准确度，该技术方案如下。
一方面，提供了了一种调制深度控制方法，所述方法包括：
获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值；所述目标透射光是将目标激光光束进行调制并透射目标气体区域后得到的；
根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，获得所述目标激光光束在所述目标气压条件下的调制深度值；
根据所述调制深度值，对所述目标激光光束的调制信号进行控制，以便在所述目标气压条件下获得所述调制深度值满足指定条件的目标激光光束。
又一方面，提供了一种调制深度控制装置，所述装置包括：
中心幅值获取模块，用于获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值；所述目标透射光是将目标激光光束进行调制并透射目标气体区域后得到的；
调制深度值获取模块，用于根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，获得所述目标激光光束在所述目标气压条件下的调制深度值；
调制信号控制模块，用于根据所述调制深度值，对所述目标激光光束的调制信号进行控制，以便在所述目标气压条件下获得所述调制深度值满足指定条件的目标激光光束。
在一种可能的实现方式中，所述调制深度值用于指示所述调制信号的调制频率幅度与所述目标气压条件下的气体吸收谱半高宽之间的比值；
所述装置还包括：
调制频率幅度确定模块，用于确定所述调制信号的调制频率幅度，以便根据所述调制频率幅度对所述目标激光光束进行调制。
在一种可能的实现方式中，所述调制信号控制模块，还用于，
根据所述调制深度值与所述指定条件的关系，对所述调制信号的调制频率幅度进行控制，直至所述调制深度值满足指定条件。
在一种可能的实现方式中，所述调制深度值获取模块，包括：
谐波分量获取单元，用于基于所述调制信号的频率，对气体吸收峰函数进行傅里叶级数展开，获得气体吸收峰函数的四次谐波分量与二次谐波分量；所述气体吸收峰函数用于指示所述透射光光强与所述调制信号的频率之间的关系；
调制深度函数获取单元，用于根据所述四次谐波分量与二次谐波分量进行对比，获得调制深度函数；所述调制深度函数用于指示所述四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果，与所述调制深度之间的关系；
调制深度获取单元，用于根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，通过所述调制深度函数进行数据处理，获得所述目标气压条件对应的调制深度。
在一种可能的实现方式中，所述调制深度值获取模块，还包括：
获取所述目标激光光束的调制信号；
根据所述目标激光光束的调制信号，对透射光强函数进行调制处理，获得所述气体吸收峰函数；所述透射光强函数用于指示特定频率的激光进入气体样品前后的光强变化。
在一种可能的实现方式中，所述中心幅值获取模块，还用于，
获取频谱检测设备发送的，目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值。
再一方面，提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述的调制深度控制方法。
又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述的调制深度控制方法。
再一方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，所述计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，所述计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质中读取所述计算机指令，处理器执行所述计算机指令，使得所述计算机设备执行上述调制深度控制方法。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：
当需要采用谐波法判断光强的微弱变化时，可以获取在当前气压条件下，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值，并将四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值进行对比，并根据比值得到目标激光光束在当前气压条件下被调制时的调制深度值，当确定了当前气压条件下，目标激光光束的调制深度值后，便可以对目标激光光束的调制信号进行控制，以便目标激光光束的调制深度值满足指定条件，此时目标透射光的二次谐波分量或四次谐波分量达到最大值，从而提高了光强测量的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一示例性实施例示出的一种调制深度控制系统的结构示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种调制深度控制方法的方法流程图；
图3是根据一示例性实施例示出的一种调制深度控制方法的方法流程图；
图4示出了图3所示实施例涉及的一种二次谐波中心幅值、四次谐波中心幅值以及调制深度函数曲线示意图；
图5示出了图3所示实施例涉及的一种谐波模拟信号示意图；
图6是根据一示例性实施例示出的气体浓度测量装置示意图；
图7示出了图6所示实施例涉及的一种谐波信号示意图；
图8示出了图6所示实施例涉及的谐波中心频率幅度示意图；
图9示出了不同气压条件下关于调制深度与气压乘积的平均值的相对误差示意图；
图10是根据一示例性实施例示出的一种调制深度控制装置的结构方框图；
图11示出了本申请一示例性实施例示出的计算机设备的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应理解，在本申请的实施例中提到的“指示”可以是直接指示，也可以是间接指示，还可以是表示具有关联关系。举例说明，A指示B，可以表示A直接指示B，例如B可以通过A获取；也可以表示A间接指示B，例如A指示C，B可以通过C获取；还可以表示A和B之间具有关联关系。
在本申请实施例的描述中，术语“对应”可表示两者之间具有直接对应或间接对应的关系，也可以表示两者之间具有关联关系，也可以是指示与被指示、配置与被配置等关系。
本申请实施例中，“预定义”可以通过在设备(例如，包括终端设备和网络设备)中预先保存相应的代码、表格或其他可用于指示相关信息的方式来实现，本申请对于其具体的实现方式不做限定。
图1是根据一示例性实施例示出的一种调制深度控制系统的结构示意图。该调制深度控制系统中包含服务器110以及终端120。
其中，该终端120可以是具有数据处理能力的数据处理设备，当终端120接收到频谱检测设备发送的频谱信号时，可以对该频谱信号进行分析，并根据分析结果对目标激光光束的调制信号进行控制。
可选的，该终端120当接收到频谱检测设备发送的频谱信号时，可以根据对该频谱信号的分析结果，获取在当前气压条件下的调制信号的调制深度。
可选的，当终端120获取到了当前气压条件下的调制信号的调制深度后，可以将该调制深度上传至服务器，并保存至服务器的数据存储器中。
可选的，当服务器120接收到当前气压条件下的调制信号的调制深度后，可以与预先存储在服务器中的当前气压条件下，信噪比最佳时的调制深度值进行对比，以便对调制信号进行控制，提高信号的信噪比。
可选的，上述服务器可以是独立的物理服务器，也可以是由多个物理服务器构成的服务器集群或者是分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、CDN、以及大数据和人工智能平台等技术运计算服务的云服务器。
可选的，该系统还可以包括管理设备，该管理设备用于对该系统进行管理(如管理各个模块与服务器之间的连接状态等)，该管理设备与服务器之间通过通信网络相连。可选的，该通信网络是有线网络或无线网络。
可选的，上述的无线网络或有线网络使用标准通信技术和/或协议。网络通常为因特网，但也可以是其他任何网络，包括但不限于局域网、城域网、广域网、移动、有限或无线网络、专用网络或者虚拟专用网络的任何组合。在一些实施例中，使用包括超文本标记语言、可扩展标记语言等的技术和/或格式来代表通过网络交换的数据。此外还可以使用诸如安全套接字层、传输层安全、虚拟专用网络、网际协议安全等常规加密技术来加密所有或者一些链路。在另一些实施例中，还可以使用定制和/或专用数据通信技术取代或者补充上述数据通信技术。
图2是根据一示例性实施例示出的一种调制深度控制方法的方法流程图。该方法由计算机设备执行，该计算机设备可以是如图1中所示的调制深度控制系统中的服务器110或如图1中所示的调制深度控制系统中的终端120。如图2所示，该调制深度控制方法可以包括如下步骤：
步骤201，获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值。
其中，该目标透射光是将目标激光光束进行调制并透射目标气体区域后得到的。
在基于TDLAS技术中谐波法对气体浓度进行检测时，可以获取目标激光光束透射过需要探测的气体区域后产生的目标透射光，并对该目标透射光信号进行频谱分析，获得目标透射光的各次谐波中心幅值。
该各次谐波中心幅值，用于指示被调制后的激光光束，在不同调制频率处的强度大小。即二次谐波中心幅值，即代表在未经过调制的激光光束的频率位于气体吸收峰时，该激光光束经过调制后透射气体区域，产生的透射光的二次谐波的频率幅值；该四次谐波中心幅值，即代表在未经过调制的激光光束的频率位于气体吸收峰时，该激光光束经过调制后透射气体区域，产生的透射光的四次谐波的频率幅值。
步骤202，根据该四次谐波中心幅值与该二次谐波中心幅值的对比结果，获得该目标激光光束在该目标气压条件下的调制深度值。
当获取了四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值时，可以将四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值进行对比，并根据对比结果，确定目标气压条件下的调制深度值。
由于调制深度值的定义为调制频率幅度与气体半高宽的比值，当气压发生变化时，气体半高宽随气压变化且难以测量，因此调制深度受气压影响，也难以准确测量。但目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值之间的比值，与调制深度有着对应关系，因此可以根据目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值之间的比值，确定在当前气压条件下目标激光光束的调制深度。
步骤203，根据该调制深度值，对该目标激光光束的调制信号进行控制，以便在该目标气压条件下获得该调制深度值满足指定条件的目标激光光束。
由于各次谐波信号与调制深度值相关，例如当调制深度值m≈2.2时，二次谐波的峰值达到最大；当调制深度值m≈4.1时，四次谐波的峰值达到最大。因此可以根据当前气压条件下，测量得到的调制深度值，确定此时调制深度值与指定条件(例如m≈2.2)之间的关系，并对调制信号进行控制，以便改变目标激光光束对应的调制深度值，使得二次谐波或四次谐波峰值增大，从而提高对谐波信号的信噪比。
综上所述，当需要采用谐波法吸收产生的光强变化微弱时，可以获取在当前气压条件下，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值，并将四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值进行对比，并根据比值得到目标激光光束在当前气压条件下被调制时的调制深度值，当确定了当前气压条件下，目标激光光束的调制深度值后，便可以对目标激光光束的调制信号进行控制，以便目标激光光束的调制深度值满足指定条件，此时目标透射光的二次谐波分量或四次谐波分量达到最大值，从而提高了光强测量的信噪比。
图3是根据一示例性实施例示出的一种调制深度控制方法的方法流程图。该方法由计算机设备执行，该计算机设备可以是如图1中所示的调制深度控制系统中的服务器110或如图1中所示的调制深度控制系统中的终端120。如图3所示，该调制深度控制方法可以包括如下步骤：
步骤301，确定该调制信号的调制频率幅度，以便根据该调制频率幅度对该目标激光光束进行调制。
TDLAS技术理论基础是Beer-Lambert定律，它描述了一束特定频率的激光进入气体样品前后的光强变化，如式(1)所示。
It＝Itexp(-α(v)CL) (1)
It为穿过目标气体区域后的透射光光强，I0为入射光强，α(v)为吸收系数，C为目标气体区域的浓度，L为光吸收路径长度。
对于谐波法，光源的驱动电流叠加了一个低频的小信号，激光器的出光频率和光强都会产生调制。
I0＝I0+△isinωt (3)
v为扫描频率，
为中心扫描频率，α为调制频率幅度，
为中心扫描频率下的光强，△i为光强调制放大系数，ω为调制频率。采用谐波法对弱信号进行检测，则-α(v)CL＜＜1，因此式(1)可以近似如下：
It＝Itexp(-α(v)CL)·(1-α(v)CL) (4)
当采用洛伦兹线型表示吸收系数α(v)时，
v0为气体吸收峰中心频率，S为气体吸收线强，N为标准状况下(STP)的气体摩尔分子数，γ为目标气体区域吸收谱半高宽，f(v)为洛伦兹线型函数，调制深度m＝a/γ，令a0＝SN/πγ，即气体吸收峰中心位置(v＝v0)的吸收系数，则式(5)简化为：
对于气体吸收峰中心位置，即v＝v0，式(6)代入式(4)得：
步骤302，获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值。
在一种可能的实现方式中，获取频谱检测设备发送的，目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值。
其中，该目标透射光的四次谐波中心幅值，与二次谐波中心幅值，是通过频谱检测设备发送至计算机设备中的。
步骤302，基于该调制信号的频率，对气体吸收峰函数进行傅里叶级数展开，获得气体吸收峰函数的四次谐波分量与二次谐波分量。
其中，该气体吸收峰函数用于指示该透射光光强与该调制信号的频率之间的关系。
在一种可能的实现方式中，获取该目标激光光束的调制信号；根据该目标激光光束的调制信号，对透射光强函数进行调制处理，获得该气体吸收峰函数；该透射光强函数用于指示特定频率的激光进入气体样品前后的光强变化。
其中，气体的吸收峰函数即为式(7)所示的函数；该透射光强函数即为式(1)所示的函数，当构建出式(1)所示的函数后，根据调制信号，对该透射光强函数进行调制处理，可以获得式(7)所示的气体吸收峰函数。
步骤303，根据该四次谐波分量与二次谐波分量进行对比，获得调制深度函数。
其中，该调制深度函数用于指示该四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果，与该调制深度之间的关系。
对式(7)按照ω进行傅里叶级数展开，得到气体吸收峰中心位置的各次谐波强度，其中一次谐波到四次谐波幅值强度表达式如下：
利用四次谐波式(11)与二次谐波式(9)幅值强度进行比值计算，得到一个关于调制深度m的表达式，即调制深度函数m。
此时调制深度函数，用于描述f(m)和m之间的函数关系，且f(m)为四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果，而m为调制深度值，因此调制深度函数实际用于指示四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果，与调制深度值之间的对应关系。
步骤304，根据该四次谐波中心幅值与该二次谐波中心幅值的对比结果，通过该调制深度函数进行数据处理，获得该目标气压条件对应的调制深度。
由于中心频率位置下的四次谐波与二次谐波比值仅与调制深度m相关，与浓度、温度、入射光强都不相关，因此将，根据式(12)可以得到当前气压环境下的调制深度值m。
在一种可能的实现方式中，将该四次谐波中心幅值与该二次谐波中心幅值的对比结果，作为该四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果，输入该调制深度函数，获得该目标气压条件对应的调制深度。
当获取到频谱测量设备发送的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值，该四次谐波中心幅值即为与四次谐波分量对应的实际测量值，该二次谐波中心幅值即为二次谐波分量的实际测量值，因此该四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值的对比结果，即可以作为在目标气压条件下的四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果。
将该四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值的对比结果代入该调制深度函数即可以获得目标气压条件对应的调制深度。
步骤305，根据该调制深度值与该指定条件的关系，对该调制信号的调制频率幅度进行控制，直至该调制深度值满足指定条件，以便在该目标气压条件下获得该调制深度值满足指定条件的目标激光光束。
由于当m≈2.2时，二次谐波幅值强度达到最大，信噪比最好，通过计算四次谐波与二次谐波的比值得到当前气压环境下的调制深度m，调整调制频率幅度a，让调制深度m尽可能接近2.2，以此获得幅值最强、信噪比最好的二次谐波信号，提高测量准确度。
并且由于调制深度m＝a/γ，因此调制深度m与调制频率幅度a，在同一气压条件下成正相关，可以根据测量得到的调制深度m，以及预先设置的调制频率幅度a，确定目标气体区域吸收谱半高宽γ，以便确定出满足调制深度值满足指定条件时，调制频率幅度的取值。
图4示出了本申请实施例涉及的一种二次谐波中心幅值、四次谐波中心幅值以及调制深度函数曲线示意图。
如图4所示的二次谐波幅值I2f随调制深度m变化的曲线401，I2f(m)不是单调的，当m≈2.2时，二次谐波幅值达到最大值；如图4中示出的是四次谐波幅值I4f随调制深度m变化的曲线402，I4f(m)也不是单调的，当m≈4.1时，四次谐波幅值达到最大值；如图4中示出的调制深度函数曲线403，是单调递增的函数。实测中为了获得更好的二次谐波信噪比，应该尽可能将调制深度控制在2.2附近，而I2f(m)与I4f(m)都是非单调的，存在一个最大值，通过I2f(m)与I4f(m)的曲线变化来判断当前调制深度就显得尤为困难，但是调制深度函数f(m)是单调递增，并且只与调制深度m相关，因此根据调制深度函数f(m)，计算四次谐波与二次谐波幅值强度比值来反推当前环境下的调制深度是可行的，并具有唯一性。
为了验证调制深度函数f(m)反推调制深度的可行性，选择水汽中心频率为7306.7521cm-1作为吸收峰，吸收强度为1.8e-20cm-1/(molec·cm-2)，气体浓度设定为1000ppm，吸收光程为30cm，模拟了气压从0.3～1.5atm时二次谐波以及四次谐波信号，并对其进行了分析。
表1不同气压的调制深度四次谐波二次谐波中心幅值比的理论值和实际值
图5示出了本申请实施例涉及的一种谐波模拟信号示意图。如图5所示，其示出了气压0.3～1.5atm时的二次谐波模拟信号501，二次谐波中心幅值在p＝0.9atm时达到最大，此时调制深度理论值为2.3788，二次谐波中心幅值最大值位置与图1中I2f(m)曲线结果相吻合；图5还示出了气压0.3～1.5atm时的四次谐波模拟信号502，此时四次谐波中心幅值在p＝0.5atm时达到最大，此时调制深度理论值为4.2819，四次谐波中心幅值最大值位置与图1中I4f(m)曲线结果相吻合。表1计算了各个气压下的调制深度m和四次谐波与二次谐波中心幅值比I4f/I2f的理论值和仿真值，随着气压的升高的，调制深度理论值逐渐减小，四次谐波与二次谐波中心幅值比的理论值和仿真值最大相对误差为-1.44％，反推的调制深度的理论值与仿真值最大相对误差为1.78％，说明了仿真下的实际调制深度函数f(m)与理论函数式(12)接近，符合理论推导。
综上所述，当需要采用谐波法吸收产生的光强变化微弱时，可以获取在当前气压条件下，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值，并将四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值进行对比，并根据比值得到目标激光光束在当前气压条件下被调制时的调制深度值，当确定了当前气压条件下，目标激光光束的调制深度值后，便可以对目标激光光束的调制信号进行控制，以便目标激光光束的调制深度值满足指定条件，此时目标透射光的二次谐波分量或四次谐波分量达到最大值，从而提高了光强测量的信噪比。
仿真结果验证了调制深度函数f(m)的仿真结果与理论值一致，此时可以进一步用实验进行论证。图6是根据一示例性实施例示出的气体浓度测量装置示意图。如图6所示，该气体浓度测量装置包括湿度发生器601、真空泵602、压力传感器603、密封气体容器604、以及信号处理设备605、计算机606。
例如，当通过搭建如图6所述的气体浓度测量装置进行实验以便对如图3所示实施例内容进行验证时，TDLAS水汽测试系统选用中心频率为7306.79cm-1的DFB半导体激光器作为光源，气室探头的吸收光程为30cm，采用锁相放大的方式对二次谐波和四次谐波信号进行提取。湿度发生器产生低浓度水汽气体，浓度设定为1000ppm，自制密封箱内放入气室探头并接入压力传感器，做好密封处理，实验前将密封箱内气体抽空，随后将1000ppm的水汽气体通过气体阀门缓慢通入密封箱内，通过控制阀门来调节密封箱内的气压，记录不同气压条件下的二次谐波与四次谐波信号。
根据所搭建的实验装置，通过湿度发生器浓度产生1000ppm的水汽，调节减压阀门控制密封箱的气压范围在10.4kpa～177.9kpa，密封气体容器中的激光发生器发生信号后，信号处理设备接收到信号对信号进行处理。在信号处理过程中，信号处理设备可以通过相敏检波器输入二倍频和四倍频的参考信号，调整滤波器和放大器参数，得到了不同气压下的二次谐波和四次谐波信号，如图7所示，其示出了本申请实施例涉及的一种谐波信号示意图。
图7示出了不同气压下的二次谐波信号701，以及不同气压下的四次谐波信号702，计算了中心频率下的二次谐波和四次谐波信号的幅值以及幅值比I4f/I2f，利用式(12)调制深度函数f(m)推算了各个气压下的调制深度值，如表2所示。
表2不同气压下的二次谐波与四次谐波的中心幅值、幅值比以及调制深度m
根据表2中的中心频率下的幅值比以及对应的调制深度m值，可以得到二次谐波I2f(m)和四次谐波I4f(m)曲线，图8示出了本申请实施例涉及的谐波中心频率幅度示意图。如图8所示，当m＝2.2267时，实测的二次谐波中心频率幅值达到最大值，而m＝4.0610时，实测的四次谐波中心频率幅值达到最大值，这与图1理论结果的m≈2.2时二次谐波幅值达到最大值以及m≈4.1时四次谐波幅值达到最大值有很好的吻合。图8中实测的二次谐波I2f(m)和四次谐波I4f(m)的函数曲线与图1的理论曲线变化趋势相同，说明了通过调制深度函数f(m)推算的调制深度值m接近实际环境下的调制深度值，并未存在较大误差，论证了理论的准确性。
为了进一步验证理论的准确性，我们可以计算调制深度m与气压p的乘积值来判断结果的准确性，气体半高宽γ表达式如式(13)所示。
n为温度系数，p0,T0为标准气压和标准温度，γair是空气吸收谱线半高宽，γself是目标气体区域吸收谱线半高宽。根据式(13)可知气体半高宽γ在温度和气体浓度不变的情况下与气压p是正相关的，即γ＝εp，ε为正相关系数，而调制深度m＝a/γ，调制频率幅度a＝mγ＝εmp。实验中湿度发生器产生固定浓度为1000ppm的水汽并且保持温度密封箱温度恒定，因此实测的调制深度m与气压p的乘积应该为定值，因此计算不同气压下m*p值可以验证推算的调制深度是否准确。图9示出了不同气压条件下关于调制深度与气压乘积的平均值的相对误差示意图。
根据图9所示，mp的平均值为109.46，各个气压条件下的m*p值的相对误差显示，在10.4<p<30.2kpa时，相对误差较大，最大相对误差为-18％，低压下相对误差较大的原因可能是真空抽气时并不能完全将密封箱内的气体抽完，开始通气时通入的气体有一部分是残留在气管内的气体，造成了一定的干扰；在30.2kpa<p<177.9kpa时，相对误差较小，最大相对误差不超过±3.2％，说明了各个气压条件下的mp值变化不大，通过调制深度函数f(m)推算的调制深度值m与实际环境下的值接近，验证了深度函数f(m)理论的准确性。
图10是根据一示例性实施例示出的一种调制深度控制装置的结构方框图。该调制深度控制装置包括：
中心幅值获取模块1001，用于获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值；所述目标透射光是将目标激光光束进行调制并透射目标气体区域后得到的；
调制深度值获取模块1002，用于根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，获得所述目标激光光束在所述目标气压条件下的调制深度值；
调制信号控制模块1003，用于根据所述调制深度值，对所述目标激光光束的调制信号进行控制，以便在所述目标气压条件下获得所述调制深度值满足指定条件的目标激光光束。
在一种可能的实现方式中，所述调制深度值用于指示所述调制信号的调制频率幅度与所述目标气压条件下的气体吸收谱半高宽之间的比值；
所述装置还包括：
调制频率幅度确定模块，用于确定所述调制信号的调制频率幅度，以便根据所述调制频率幅度对所述目标激光光束进行调制。
在一种可能的实现方式中，所述调制信号控制模块，还用于，
根据所述调制深度值与所述指定条件的关系，对所述调制信号的调制频率幅度进行控制，直至所述调制深度值满足指定条件。
在一种可能的实现方式中，所述调制深度值获取模块，包括：
谐波分量获取单元，用于基于所述调制信号的频率，对气体吸收峰函数进行傅里叶级数展开，获得气体吸收峰函数的四次谐波分量与二次谐波分量；所述气体吸收峰函数用于指示所述透射光光强与所述调制信号的频率之间的关系；
调制深度函数获取单元，用于根据所述四次谐波分量与二次谐波分量进行对比，获得调制深度函数；所述调制深度函数用于指示所述四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果，与所述调制深度之间的关系；
调制深度获取单元，用于根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，通过所述调制深度函数进行数据处理，获得所述目标气压条件对应的调制深度。
在一种可能的实现方式中，所述调制深度值获取模块，还包括：
获取所述目标激光光束的调制信号；
根据所述目标激光光束的调制信号，对透射光强函数进行调制处理，获得所述气体吸收峰函数；所述透射光强函数用于指示特定频率的激光进入气体样品前后的光强变化。
在一种可能的实现方式中，所述中心幅值获取模块，还用于，
获取频谱检测设备发送的，目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值。
综上所述，当需要采用谐波法吸收产生的光强变化微弱时，可以获取在当前气压条件下，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值，并将四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值进行对比，并根据比值得到目标激光光束在当前气压条件下被调制时的调制深度值，当确定了当前气压条件下，目标激光光束的调制深度值后，便可以对目标激光光束的调制信号进行控制，以便目标激光光束的调制深度值满足指定条件，此时目标透射光的二次谐波分量或四次谐波分量达到最大值，从而提高了光强测量的信噪比。
图11示出了本申请一示例性实施例示出的计算机设备1100的结构框图。该计算机设备可以实现为本申请上述方案中的服务器。所述计算机设备1100包括中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)1111、包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)1102和只读存储器(Read-Only Memory，ROM)1103的系统存储器1104，以及连接系统存储器1104和中央处理单元1111的系统总线1105。所述计算机设备1100还包括用于存储操作系统1109、应用程序1110和其他程序模块1111的大容量存储设备1106。
所述大容量存储设备1106通过连接到系统总线1105的大容量存储控制器(未示出)连接到中央处理单元1111。所述大容量存储设备1106及其相关联的计算机可读介质为计算机设备1100提供非易失性存储。也就是说，所述大容量存储设备1106可以包括诸如硬盘或者只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)驱动器之类的计算机可读介质(未示出)。
不失一般性，所述计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括RAM、ROM、可擦除可编程只读寄存器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)闪存或其他固态存储其技术，CD-ROM、数字多功能光盘(DigitalVersatile Disc，DVD)或其他光学存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其他磁性存储设备。当然，本领域技术人员可知所述计算机存储介质不局限于上述几种。上述的系统存储器1104和大容量存储设备1106可以统称为存储器。
根据本公开的各种实施例，所述计算机设备1100还可以通过诸如因特网等网络连接到网络上的远程计算机运行。也即计算机设备1100可以通过连接在所述系统总线1105上的网络接口单元1107连接到网络1108，或者说，也可以使用网络接口单元1107来连接到其他类型的网络或远程计算机系统(未示出)。
所述存储器还包括至少一条计算机程序，所述至少一条计算机程序存储于存储器中，中央处理器1111通过执行该至少一条计算机程序来实现上述各个实施例所示的方法中的全部或部分步骤。
在一示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储有至少一条计算机程序，所述至少一条计算机程序由处理器加载并执行以实现上述方法中的全部或部分步骤。例如，该计算机可读存储介质可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、磁带、软盘和光数据存储设备等。
在一示例性实施例中，还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述图2或图3任一实施例所示方法的全部或部分步骤。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种调制深度控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值；所述目标透射光是将目标激光光束进行调制并透射目标气体区域后得到的；
根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，获得所述目标激光光束在所述目标气压条件下的调制深度值；
根据所述调制深度值，对所述目标激光光束的调制信号进行控制，以便在所述目标气压条件下获得所述调制深度值满足指定条件的目标激光光束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调制深度值用于指示所述调制信号的调制频率幅度与所述目标气压条件下的气体吸收谱半高宽之间的比值；
所述获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值之前，还包括：
确定所述调制信号的调制频率幅度，以便根据所述调制频率幅度对所述目标激光光束进行调制。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述调制深度值，对所述目标激光光束的调制信号进行控制，包括：
根据所述调制深度值与所述指定条件的关系，对所述调制信号的调制频率幅度进行控制，直至所述调制深度值满足指定条件。
4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，获得所述目标激光光束在所述目标气压条件下的调制深度值，包括：
基于所述调制信号的频率，对气体吸收峰函数进行傅里叶级数展开，获得气体吸收峰函数的四次谐波分量与二次谐波分量；所述气体吸收峰函数用于指示所述透射光光强与所述调制信号的频率之间的关系；
根据所述四次谐波分量与二次谐波分量进行对比，获得调制深度函数；所述调制深度函数用于指示所述四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果，与所述调制深度之间的关系；
根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，通过所述调制深度函数进行数据处理，获得所述目标气压条件对应的调制深度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，通过所述调制深度函数进行数据处理，获得所述目标气压条件对应的调制深度，包括：
将所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，作为所述四次谐波分量与二次谐波分量的对比结果，输入所述调制深度函数，获得所述目标气压条件对应的调制深度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述调制信号的频率，对气体吸收峰函数进行傅里叶级数展开，获得气体吸收峰函数的四次谐波分量与二次谐波分量之前，还包括：
获取所述目标激光光束的调制信号；
根据所述目标激光光束的调制信号，对透射光强函数进行调制处理，获得所述气体吸收峰函数；所述透射光强函数用于指示特定频率的激光进入气体样品前后的光强变化。
7.根据权利要求1、2、3、5和6任一所述的方法，其特征在于，所述获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值，包括：
获取频谱检测设备发送的，目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值。
8.一种调制深度控制装置，其特征在于，所述装置包括：
中心幅值获取模块，用于获取目标气压条件下气体吸收峰中心频率处，目标透射光的四次谐波中心幅值与二次谐波中心幅值；所述目标透射光是将目标激光光束进行调制并透射目标气体区域后得到的；
调制深度值获取模块，用于根据所述四次谐波中心幅值与所述二次谐波中心幅值的对比结果，获得所述目标激光光束在所述目标气压条件下的调制深度值；
调制信号控制模块，用于根据所述调制深度值，对所述目标激光光束的调制信号进行控制，以便在所述目标气压条件下获得所述调制深度值满足指定条件的目标激光光束。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一所述的调制深度控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一所述的调制深度控制方法。
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