CN114878515A - 一种可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调谐二极管激光吸收信号时间‑频率转换方法，包括：构建波长扫描‑直接吸收光谱测量系统，采集波长标准具透射信号和被测气体的实测吸收信号，该吸收信号仅有一个吸收峰；将实测吸收信号与数据库理论光谱进行比较，提取实测吸收信号和数据库理论光谱的特征点；根据提取的特征点，得到采样点‑波数对应图，建立TDLAS中时域与频域的时频转换模型；将时频转换模型与波数标定结果进行对比，验证时频转换模型的准确性。本发明所提出的方法具有精度高、操作简单等特点，在低成本的TDLAS应用中具有很大应用潜力，对于深入了解激光器动态波长调谐特性具有重要作用。

Description

一种可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法
技术领域
本发明涉及激光诊断和测量技术领域，具体涉及一种可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法。
背景技术
可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光窄线宽和快速调谐特性，通过检测吸收分子的一条孤立吸收线，实现对气体的快速检测的光学方法。在实际应用中，TDLAS系统得到的检测信号横坐标一般是等时间间隔的采样点数，对应时间序列。线面积的归一化只在频域内有效，需要将光谱横坐标换算成波数(cm-1)才可以用于积分吸光度值的求解，时间-频率转换的精确度对于流场参数(温度、浓度等)的反演精度具有重要作用。
传统的激光频率测量方法是基于干涉原理的，典型的仪器是高精度F-P标准具。然而传统的激光频率测量方法有如下不足：(1)高精度的标准具在测量过程中会受到环境扰动、系统噪声等影响，寻峰算法的准确性是影响时频转换精度的原因之一；(2)标准具对于不同频率激光的折射率是不一样的，因此每改变一次标定频率都需要重新计算折射率，而不同的波段则需要不同材料的标准具。对于实验室而言，要同时拥有适用于不同波段的标准具也并非易事。
利用实验代替标准具进行时频转换是一种经济、高效的方法。目前现有利用实验进行时频转换的方法往往需要激光器扫描范围内存在多个吸收峰，将不同吸收峰的时域信息与HITRAN数据库中的频域信息相对应，建立函数关系。然而，当激光扫描范围内仅存在一个分子吸收峰时，现有的实验方法并不适用。
有鉴于此，针对现有技术的局限性，本发明提出一种简便的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，该方法可实现在激光器扫描范围内仅存在一个分子吸收峰的条件下的时频转换。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，尤其适用于激光器扫描范围内仅存在一个吸收峰的情况。
本发明采用如下技术方案：
一种可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，包括：
构建波长扫描-直接吸收光谱测量系统，采集波长标准具透射信号和被测气体的实测吸收信号，该吸收信号仅有一个吸收峰；将实测吸收信号与数据库理论光谱进行比较，提取实测吸收信号和数据库理论光谱的特征点；
根据提取的特征点，得到对应图，建立TDLAS中时域与频域的时频转换模型；
将时频转换模型与波数标定结果进行对比，验证时频转换模型的准确性。
进一步，所述特征点具体是实测吸收信号和数据库理论光谱中幅值一致的点。
进一步，所述对应图具体是采样点-波数对应图，实测吸收信号中横坐标为采样点，代表时域信息，理论光谱中的横坐标为波数，代表频域信息，提取特征点的横坐标，得到特征点的采样点-波数对应图。
进一步，所述数据库理论光谱具体是根据实际测量工况信息在HITRAN数据库中查询获得的理论光谱，所述实际测量工况信息包括温度、压强、光程、气体种类及浓度。
进一步，所述建立TDLAS中时域与频域的时频转换模型，具体为：
提取包含测量工况信息的理论光谱吸收峰半高全宽和积分吸光度信息；
基于激光器动态波长调谐特性，在理论光谱吸收峰FWHM和积分吸光度的限制条件下，采用受约束的二次多项式模型建立时域-频域模型。
进一步，所述时域-频域转换模型为：
υ＝ax2+bx+c
其中，ν为激光频率，x为吸收信号采样点数,a、b、c为在限制条件下，可实现理论光谱横坐标频域与实际光谱横坐标时域对应的二次多项式系数。
进一步，所述将时频转换模型与波数标定结果进行对比，验证时频转换模型的准确性，具体为：
对比时频转换模型与标准具的波数定标结果之间的相关系数和均方根误差；将二次多项式时频转换模型与标准具的波数定标结果作为横坐标代入同一已知浓度气体吸收光谱中，计算气体浓度并对比相对误差，从而比较时频转换模型与波数标定的结果，验证时频转换模型的准确性。
进一步，所述波长扫描-直接吸收光谱测量系统包括函数发生器、近红外可调谐半导体激光器、F-P标准具、标准浓度气体池以及数据采集模块；函数发生器产生锯齿波电流，使激光器输出一定波长为中心的连续激光，将激光器输出的光进行分束，一束激光通过F-P标准具后产生呈连续周期性波峰及波谷状的透射信号，用于进行激光器波数定标；另一束经过标准气体池后由探测器接收，获得激光吸收信号。
进一步，所述标准浓度气体池为石英玻璃管。
进一步，石英玻璃管内不断通入浓度为5％-15％的待测标准气体。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用实验测量的方法，不需要利用标准具即可实现直接吸收光谱的时间-频率转换，有效降低了成本；
(2)针对传统实验测量方法的局限性，实现了激光器扫描范围内仅存在一个吸收峰的工况下的时频转换；
(3)由于时频转换过程直接针对快速调谐的信号进行处理，响应速度与激光器频率一致，测量结果更贴近动态波数变化实际情况。
(4)本发明所提出的方法具有精度高、操作简单等特点，在低成本的TDLAS应用中具有很大应用潜力，对于深入了解激光器动态波长调谐特性具有重要作用。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的实验装置图；
图3为受约束的二次多项式模型及其残差对比图。
图4为标准具和受约束的二次多项式模型测量结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，应用于一种单谱线TDLAS测量光谱，包括：
S1构建波长扫描-直接吸收光谱测量系统，采集波长标准具透射信号和被测气体的实测吸收信号，该吸收信号仅有一个吸收峰。
进一步，如图2所示，所述波长扫描-直接吸收光谱测量系统包括函数发生器、近红外可调谐半导体激光器、F-P标准具、标准浓度气体池以及数据采集模块。
具体地，实验选用甲烷作为被测气体，往石英玻璃管所制的气体池中不断通入具有一定浓度为CH4标准气体。函数发生器用于产生锯齿波电流，通过调节注入电流对激光器进行调谐，使激光器输出特定波长范围的连续激光，连续激光波长范围约为1650-1660nm，在这个范围内甲烷气体仅有单一吸收峰。DFB激光器出光后进行分光，一束激光经过充满标准浓度的甲烷气体池后被光电探测器接收，吸收信号的总光程为20-22cm，获得直接吸收信号；另一束激光通过F-P标准具产生干涉信号，用于激光波数的标定，得到激光时间-频率转换表达式ν＝f(t)。
函数发生器产生锯齿波电流，使激光器输出一定波长为中心的连续激光，激光输出后进行分束，一束激光通过F-P标准具后产生呈连续周期性波峰及波谷状的透射信号，用于进行激光器波数定标；另一束经过充满已知标准浓度的甲烷气体池后由探测器接收，获得激光吸收信号，其中被测气体在激光器扫描范围内仅存在一个吸收峰。
本实施例中被测激光在经过标准具后会得到连续周期性波峰及波谷状透射光谱，相邻波峰之间的距离称为自由光谱范围(FSR)，FSR是固定值。通过寻峰算法获得标准具输出谱中固定波长输出时间的时刻值，结合标准具的自由光谱范围，即可获得波长与时间的对应关系，即通过标准具获得时频转换模型。
S2将实测吸收信号与数据库理论光谱进行比较，提取实测吸收信号和数据库理论光谱的特征点；
具体地，根据实际测量工况的温度、压强、光程、气体种类、浓度等信息在HITRAN数据库中查询获得理论光谱，将实测信号和理论光谱中幅值一致的点设为特征点；实测信号中的特征点的横坐标为采样点，代表时域信息；理论光谱中的特征点的横坐标为波数，代表频域信息；提取特征点的横坐标，得到特征点集的采样点-波数对应图。
本实施例中的实际测量工况包括压力为1atm、温度为23℃、气体池长度为21.5cm、甲烷标准气体浓度为5％、载气为95％的N2，利用HITRAN数据库可查得1654nm附近的甲烷气体线强为7.86×10-2cm-2/atm，并获得该波长范围内的甲烷气体理论光谱。甲烷理论光谱和实测信号的纵坐标均为光谱强度，但理论光谱的横坐标是代表频率的波数信息，实测信号的横坐标是代表时间的采样点信息。将实测信号和理论光谱中幅值相同的点设为特征点，即可在吸收峰范围内选取若干个特征点。根据实测信号和理论光谱中各特征点对应的横坐标，建立特征点的对应关系。
S3根据提取的特征点，得到采样点-波数对应图，建立TDLAS中时域与频域的时频转换模型。
具体为：包括：
S3.1、提取蕴含测量工况信息的理论光谱吸收峰半高全宽(FWHM)和积分吸光度信息；
S3.2、基于激光器动态波长调谐特性的了解，结合理论光谱吸收峰FWHM及积分吸光度的限制条件，采用受约束的二次多项式模型建立采样点(时域)-波数(频域)函数关系，具体如下：
υ＝ax2+bx+c
式中ν为激光频率，x为吸收信号采样点数。,a、b、c为在限制条件下，可实现理论光谱横坐标频域与实际光谱横坐标时域对应的二次多项式系数。在本实施例中，a＝-8.18×10-7，b＝0.004，c＝6045.546，即
ν＝-8.180×10-7·x2+0.004x+6045.546
限制条件是甲烷实测光谱的半高宽FWHM以及光谱的积分吸光度分别等于理论光谱的半高宽FWHM以及光谱的积分吸光度。吸收光谱的半高宽和积分吸光度蕴含着气体种类、浓度信息、环境温度、压强和光程长度等被测工况的信息，为了保证时频转换模型准确性，在进行实测光谱时域和理论光谱频域的对应的时候需要加入限制条件。多项式的系数是在限制条件下，可实现理论光谱横坐标频域与实际光谱横坐标时域对应的系数。
S4将时频转换模型与波数标定结果进行对比，验证时频转换模型的准确性。
具体为：对比时频转换模型与标准具的波数定标结果之间的相关系数和均方根误差；将二次多项式时频转换模型与标准具的波数定标结果作为横坐标代入同一已知浓度气体吸收光谱中，计算气体浓度并对比相对误差，从而比较时频转换模型与波数标定的结果，验证时频转换模型的准确性。
如图3所示，采用本转换方法与标准局波数定标结果对比，受约束的二次多项式模型与标准具测量结果的相关系数(R2)达到0.9949，二者之间的均方根误差(RSME)仅为0.0891，二者之间最大残差仅为0.185，说明该模型在激光器扫描范围内能较好地描述其波长动态调谐特性。
为了验证模型的准确性，将受约束的二次多项式时频转换模型及标准具波数测量结果作为横坐标代入甲烷吸收光谱，分别对三组不同浓度的标准气体浓度进行计算，并对比浓度结果的相对误差。标准甲烷气体浓度分别为5％±500ppm、10％±1000ppm以及15％±1500ppm。
其中相对误差通过公式计算：
σ＝A-A*/A
式中A为利用标准具计算的浓度值，A*为利用受约束的二次多项式模型计算的浓度值。
图4为受约束的二次多项式模型测量吸收光谱浓度及标准具浓度测量结果与相对误差，通过比较浓度测量结果的相对误差，来评价时频转换模型的准确度。受约束的二次多项式时频转换模型在计算实际测量的气体浓度时与标准具结果相对误差小于0.5％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，包括：
构建波长扫描-直接吸收光谱测量系统，采集波长标准具透射信号和被测气体的实测吸收信号，该吸收信号仅有一个吸收峰；将实测吸收信号与数据库理论光谱进行比较，提取实测吸收信号和数据库理论光谱的特征点；
根据提取的特征点，得到对应图，建立TDLAS中时域与频域的时频转换模型；
将时频转换模型与波数标定结果进行对比，验证时频转换模型的准确性。
2.根据权利要求1所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，所述特征点具体是实测吸收信号和数据库理论光谱中幅值一致的点。
3.根据权利要求1所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，所述对应图具体是采样点-波数对应图，实测吸收信号中横坐标为采样点，代表时域信息，理论光谱中的横坐标为波数，代表频域信息，提取特征点的横坐标，得到特征点的采样点-波数对应图。
4.根据权利要求1所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，所述数据库理论光谱具体是根据实际测量工况信息在HITRAN数据库中查询获得的理论光谱，所述实际测量工况信息包括温度、压强、光程、气体种类及浓度。
5.根据权利要求1所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，所述建立TDLAS中时域与频域的时频转换模型，具体为：
提取包含测量工况信息的理论光谱吸收峰半高全宽和积分吸光度信息；
基于激光器动态波长调谐特性，在理论光谱吸收峰FWHM和积分吸光度的限制条件下，采用受约束的二次多项式模型建立时域-频域模型。
6.根据权利要求5所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，所述时域-频域转换模型为：
υ＝ax2+bx+c
其中，ν为激光频率，x为吸收信号采样点数，a、b、c为在限制条件下，可实现理论光谱横坐标频域与实际光谱横坐标时域对应的二次多项式系数。
7.根据权利要求1所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，所述将时频转换模型与波数标定结果进行对比，验证时频转换模型的准确性，具体为：
对比时频转换模型与标准具的波数定标结果之间的相关系数和均方根误差；将二次多项式时频转换模型与标准具的波数定标结果作为横坐标代入同一已知浓度气体吸收光谱中，计算气体浓度并对比相对误差，从而比较时频转换模型与波数标定的结果，验证时频转换模型的准确性。
8.根据权利要求1-7任一项所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，所述波长扫描-直接吸收光谱测量系统包括函数发生器、近红外可调谐半导体激光器、F-P标准具、标准浓度气体池以及数据采集模块；函数发生器产生锯齿波电流，使激光器输出一定波长为中心的连续激光，将激光器输出的光进行分束，一束激光通过F-P标准具后产生呈连续周期性波峰及波谷状的透射信号，用于进行激光器波数定标；另一束经过标准气体池后由探测器接收，获得激光吸收信号。
9.根据权利要求8所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，所述标准浓度气体池为石英玻璃管。
10.根据权利要求9所述的可调谐二极管激光吸收信号时间-频率转换方法，其特征在于，石英玻璃管内不断通入浓度为5％-15％的待测标准气体。
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