CN114878492A - 一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为解决超光谱吸收测量中的谱线选择方法仅针对分立谱线，不适用于连续的宽带光谱扫描范围选择的技术问题，提供了一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法。具体包括以下步骤：1)初步估算待测环境的温度T、压强P与待测气体分子的摩尔分数X，利用光谱数据库计算在待测环境下[λ1,λN]光谱范围内气体分子各吸收谱线的吸收强度和温度敏感因子；2)、选定超光谱光源扫描宽度Δλ，以λj为起始波长计算谱段[λj,λj+Δλ]内的温度测量不确定度ε(T,λj)；3)、比较不同起始波长λj处计算得到的温度测量不确定度ε(T,λj)，温度测量不确定度最小值ε(T,λm)所对应的谱段区间[λm,λm+Δλ]，即为[λ1,λN]光谱范围内超光谱光源的最优扫描区间。
Description
技术领域
本发明属于激光吸收光谱技术领域，具体涉及一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是目前应用最为广泛的吸收光谱测量技术之一。该技术使用可调谐半导体激光器作为激光光源，可以获得高精度的吸收光谱数据。但是，包括分布反馈激光器和垂直腔面发射激光器等在内的可调谐二极管激光光源的波长快速调谐范围都极窄，单次扫描内可探测的吸收谱线数量较少，因此获得的吸收光谱信息也较为有限，无法实现对多谱线、多气体组分的测量，极大的限制了TDLAS技术的测量效率。
在较宽的光谱范围内获得连续吸收光谱信息的技术称为超光谱吸收技术。超光谱吸收技术可以探测整个扫描光谱范围内的吸收光谱，能够在一段连续的光谱范围内获取丰富的吸收谱线，与传统的分立谱线吸收技术相比具有非常明显的技术优势。
一般情况下，超光谱光源都具有较宽的光谱扫描范围。基于可调谐FP腔的宽带调谐窄线宽激光器，如傅里叶域锁模光纤激光器等，其波长扫描范围可达100nm以上。而实际应用中并不需要如此之宽的扫描范围，对于单组分气体而言，一般数nm的光谱扫描宽度即可实现对流场物理参数较为准确的测量；另外，较宽的扫描范围还会对数采频率提出较高的要求，增加测量系统的成本和复杂性。因此，与传统的TDLAS技术类似，超光谱吸收技术仍然需要对光源的光谱扫描范围进行适当选择。
在分立谱线的TDLAS技术中，研究人员根据实际应用场景，提出了不同的谱线选择方法。2005年，X.Zhou等针对1.25～1.65μm光谱范围内使用单只DFB进行温度测量的场景，提出了5条吸收谱线对的选择原则，并基于此给出了12对可选的吸收谱线(X.Zhou,J.B.Jefferies,R.K.Hanson.Development of a fast temperature sensor forcombustion gases using a single tunable diode laser.Appl.Phys.B,2005,81:711-722.)。2011年，Xinliang An等提出了基于等效下能级的谱线对选择方法(X.An,A.W.Caswell,S.T.Sanders.Quantifying the temperature sensitivity of practicalspectra using a new spectroscopic quantity:Frequency-dependent lower-state energy.J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transf.,2011,112:779-785.)，并利用该方法，在1.33～1.37μm的波长范围内选出了数10条适用于宽温度范围测量的吸收谱线(X.An,A.W.Caswell,J.J.Lipor,S.T.Sanders.Determining the optimum wavelength pairs touse for molecular absorption thermometry based on the continuous-spectrallower-state energy.J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transf.,2011,112:2355-2362；An X,A.W.Caswell,J.J.Lipor,S.T.Sanders.Optimized wavelength selection formolecular absorption thermometry.Appl.Spectrosc.2015,69(4):464-472.)。2015年，刘国耀等提出了6条TDLAS测温谱线对的选择原则，并在1547.7nm附近选择了两条水的吸收谱线用于高温气体温度测量(刘国耀,沈德明,陈俊杰,赖小明,芮正新,卢荣军.TDLAS燃烧气体温度测量吸收谱线对的选择.激光应用技术,2015,45(9):1034-1039.)。2018年，徐立军等提出了通过计算标准化谱线强度函数、求解组合优化问题来获取最优谱线组合的方法(徐立军,曲前伟,曹章.一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选择方法.中国发明专利,CN109211806A)。
但是，上述谱线选择方法都是针对分立谱线的，不适用于连续的宽带光谱扫描范围的选择。
发明内容
本发明为解决现有超光谱吸收测量中的谱线选择方法仅针对分立谱线，不适用于连续的宽带光谱扫描范围选择的技术问题，提供了一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，用于指导超光谱吸收测量中的光源扫描区间选择，利用该方法可以较为方便快捷地选出适用不同应用场景的光源扫描范围。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)、初步估算待测环境的温度T、压强P与待测气体分子的摩尔分数X，利用光谱数据库计算在待测环境下[λ1,λN]光谱范围内气体分子各吸收谱线的吸收强度a(T,λi)和温度敏感因子F(T,λi)，λi为气体分子的第i条吸收谱线的波长，i∈[1,N]，N为正整数；
步骤2)、选定超光谱光源扫描宽度Δλ，以λj为起始波长计算谱段[λj,λj+Δλ]内的温度测量不确定度ε(T,λj)，j∈[1,M]，M为小于N的正整数，其中λM+Δλ＝λN；
不同谱段[λ1,λ1+Δλ]、[λ2,λ2+Δλ]…[λM,λN]对应的温度测量不确定度分别为ε(T,λ1)、ε(T,λ2)…ε(T,λM)；
步骤3)、比较不同起始波长λj处计算得到的温度测量不确定度ε(T,λj)，温度测量不确定度最小值ε(T,λm)所对应的谱段区间[λm,λm+Δλ]，即为[λ1,λN]光谱范围内超光谱光源的最优扫描区间，m∈[1,M]。
进一步地，步骤1)中，所述光谱数据库使用HITRAN2016数据库。
进一步地，所述温度敏感因子F(T,λi)为：
其中，a(T,λi)为温度T下气体分子在波长λi的吸收强度；a(T0,λi)为参考温度T0下气体分子在波长λi的吸收强度。
进一步地，所述参考温度T0的取值范围为T0∈[T-10,T-1]。
进一步地，步骤2)中，定义所述谱段[λj,λj+Δλ]内共有K条待测气体分子的吸收谱线，则谱段[λj,λj+Δλ]对应的温度测量不确定度ε(T,λj)为：
其中，a(T,λl)为温度T下气体分子在波长λl的吸收强度，l∈[j,K+j-1]；δ为吸收强度的测量不确定度。
进一步地，所述吸收强度的测量不确定度值为δ＝1×10-5。
进一步地，步骤2)中，所述超光谱光源扫描宽度Δλ可在光源最大扫描范围内任意取值，即Δλ∈(0,Δ]，其中Δ为超光谱光源的最大光谱扫描范围。上述方法可用于超光谱吸收测量中光源的扫描区间选择，能够简单、快捷地实现对光源扫描区间的选择，且具有较广的适用范围。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，解决了超光谱吸收测量中光源扫描范围选择的难题，能够在不增加测量系统数采单元复杂度的前提下，实现对物理参数在准确测量。
2、本发明提供的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，通过吸收谱线强度和温度敏感因子来计算不同扫描区间的温度测量不确定度，即可实现对扫描区间的选择，方法简单有效。
3、本发明提供的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，适用范围广，可用于不同工况条件下、不同气体分子的光源扫描区间选择。
附图说明
图1为本发明基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中给定待测环境下，1.35μm波段水分子的吸收光谱；
图3为本发明实施例中给定待测环境下，1.35μm波段水分子各吸收谱线处的温度敏感因子分布；
图4为本发明实施例中给定待测环境下，1.35μm波段，5nm扫描宽度下，不同起始波长处水分子超光谱吸收的温度测量不确定度分布；
图5为本发明实施例中给定待测环境下，1.35μm波段，5nm扫描宽度下的最优波长扫描范围；
图6为本发明实施例中给定待测环境下，1.35μm波段，10nm扫描宽度下，不同起始波长处水分子超光谱吸收的温度测量不确定度分布；
图7为本发明实施例中给定待测环境下，1.35μm波段，10nm扫描宽度下的最优波长扫描范围。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，包括以下步骤：
步骤1)、初步估算待测环境的大致温度T、压强P与待测气体分子的摩尔分数X，利用HITRAN2016光谱数据库计算在待测环境下[λ1,λN]光谱范围内气体分子各吸收谱线的吸收强度a(T,λi)和温度敏感因子F(T,λi)，λi为气体分子的第i条吸收谱线的波长，i为正整数，i∈[1,N]，N为正整数；
温度敏感因子F(T,λi)定义为温度T下的吸收光谱a(T,λi)与参考温度T0下的吸收光谱a(T0,λi)之比的自然对数，即
其中，参考温度T0为一个略小于T的温度，其取值范围为T0∈[T-10,T-1]。
步骤2)、选定超光谱光源扫描宽度Δλ，以λj为起始波长计算谱段[λj,λj+Δλ]内的温度测量不确定度ε(T,λj)，j为正整数，j∈[1,M]，M为小于N的正整数，其中λM+Δλ＝λN；
不同谱段[λ1,λ1+Δλ]、[λ2,λ2+Δλ]…[λM,λN]对应的温度测量不确定度分别为ε(T,λ1)、ε(T,λ2)…ε(T,λM)；
超光谱光源扫描宽度Δλ可在光源最大扫描范围内任意取值，即Δλ∈(0,Δ]，其中Δ为超光谱光源的最大光谱扫描范围；
若谱段[λj,λj+Δλ]内共有K条待测气体分子的吸收谱线，则该谱段对应温度测量不确定度ε(T,λj)为：
其中，a(T,λl)为温度T下气体分子在波长λl的吸收强度，l∈[j,K+j-1]，δ为吸收强度a(T,λ)的测量不确定度，δ的取值一般为δ＝1×10-5。
步骤3)、比较不同起始波长λj处计算得到的温度测量不确定度ε(T,λj)，温度测量不确定度最小值ε(T,λm)所对应的谱段区间[λm,λm+Δλ]即为[λ1,λN]光谱范围内超光谱光源的最优扫描区间，m为正整数，m∈[1,M]。
本实施例提供基于水分子在1.35μm波段吸收谱线测温应用中，利用本发明提供的方法进行光源扫描区间选择的过程。
步骤1)、初步估算待测环境的大致温度约为T＝1500K，压强约为P＝5atm，水分子摩尔分数约为X＝0.2，利用光谱数据库计算该待测环境下水分子在1.35μm波段的吸收光谱，如图2所示，图中可见，水在1.35μm波段分布着大量的吸收谱线；取参考温度为T0＝1495K，计算得到各吸收谱线处的温度敏感因子分布，如图3所示，图中可见，水在该波段的温度敏感因子有正有负，且存在大量局部极值。
步骤2)、设定超光谱光源扫描宽度为5nm，计算不同扫描起始波长下的温度测量不确定度，如图4所示，图中可见，不同扫描区间对应的温度测量不确定度存在较大差异，温度测量不确定度最小的起始波长位于1350nm附近。
步骤3)、通过比较确定温度测量不确定度的最小值，此时所对应的波长即为该超光谱光源的最优扫描起始波长，最优波长扫描区间如图5所示，图中可见，最优波长扫描范围在1350nm～1355nm区间，对应着图4中1350nm处的温度测量不确定度最优值。
该区间与A.W.Caswell在2013年使用傅里叶域锁模光纤激光器对脉冲爆震燃烧室进行测量时所用的扫描波段有较大重合(A.W.Caswell,S.Roy,X.An,S.T.Sanders,F.R.Schauer,and J.R.Gord.Measurements of multiple gas parameters in a pulsed-detonation combustor using time-division-multiplexed Fourier-domain mode-locked lasers.Appl.Optics,2013,52(12):2893-2904.)，验证了该方法的有效性。
步骤4)、改变光源扫描宽度为10nm，重复步骤2和3即可得到10nm扫描宽度下不同扫描起始波长下的温度测量不确定度以及最优波长扫描区间，分别如图6和图7所示。由图6可见，最优波长扫描区间设定为10nm时，起始扫描波长在1335nm附近得到的温度测量不确定度最优；由图7可见，最优扫描范围为1335nm～1345nm，对应着图6中1335nm处的温度测量不确定度最优值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、初步估算待测环境的温度T、压强P与待测气体分子的摩尔分数X，利用光谱数据库计算在待测环境下[λ1,λN]光谱范围内气体分子各吸收谱线的吸收强度a(T,λi)和温度敏感因子F(T,λi)，λi为气体分子的第i条吸收谱线的波长，i∈[1,N]，N为正整数；
步骤2)、选定超光谱光源扫描宽度Δλ，以λj为起始波长计算谱段[λj,λj+Δλ]内的温度测量不确定度ε(T,λj)，j∈[1,M]，M为小于N的正整数，其中λM+Δλ＝λN；
不同谱段[λ1,λ1+Δλ]、[λ2,λ2+Δλ]…[λM,λN]对应的温度测量不确定度分别为ε(T,λ1)、ε(T,λ2)…ε(T,λM)；
步骤3)、比较不同起始波长λj处计算得到的温度测量不确定度ε(T,λj)，温度测量不确定度最小值ε(T,λm)所对应的谱段区间[λm,λm+Δλ]，即为[λ1,λN]光谱范围内超光谱光源的最优扫描区间，m∈[1,M]。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，其特征在于：
步骤1)中，所述光谱数据库使用HITRAN2016数据库。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，其特征在于：
步骤1)中，所述温度敏感因子F(T,λi)为：
其中，a(T,λi)为温度T下气体分子在波长λi的吸收强度；a(T0,λi)为参考温度T0下气体分子在波长λi的吸收强度。
4.根据权利要求3所述的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，其特征在于：
所述参考温度T0的取值范围为T0∈[T-10,T-1]。
5.根据权利要求1所述的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，其特征在于：
步骤2)中，定义所述谱段[λj,λj+Δλ]内共有K条待测气体分子的吸收谱线，则谱段[λj,λj+Δλ]对应的温度测量不确定度ε(T,λj)为：
其中，a(T,λl)为温度T下气体分子在波长λl的吸收强度，l∈[j,K+j-1]；δ为吸收强度的测量不确定度值。
6.根据权利要求5所述的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，其特征在于：
所述吸收强度的测量不确定度值为δ＝1×10-5。
7.根据权利要求1所述的一种基于温度敏感因子的超光谱光源扫描区间选择方法，其特征在于：
步骤2)中，所述超光谱光源扫描宽度Δλ可在光源最大扫描范围内任意取值，即Δλ∈(0,Δ]，其中Δ为超光谱光源的最大光谱扫描范围。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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