CN114993987B - 基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统；系统所用元件包括：可调谐二极管激光器、马赫曾德干涉仪、准直镜、光电探测器、带通滤波器、模拟乘法器和低通滤波器等；该方法包括以下步骤：激光器发出的激光经马赫曾德干涉仪调制后变为高频幅值调制激光，高频幅值调制激光经准直镜准直后穿过待测气体，然后被光电探测器探测并被转换为电压信号，信号依次通过带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器，最终得到包含直接吸收光谱的解调信号，根据解调信号提取气体的吸收光谱，根据吸收光谱计算得到光路上的温度及气体浓度；本发明提出的测量方法与系统可有效抑制背景辐射扰动的影响，在气体参数实时监测方面具有广阔的前景。
Description
(一)技术领域
本发明提出基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域。
(二)背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy,TDLAS)是一种激光测量技术。2018年任伟等人发表在《燃烧科学与技术》(COMBUSTION SCIENCE AND TECHNOLOGY)第190卷，第3期，392-407页的论文《使用中红外双线H2O激光吸收测温法的原位火焰温度测量》(In Situ Flame Temperature MeasurementsUsing a Mid-Infrared Two-Line H2O Laser-Absorption Thermometry)中介绍了TDLAS的基本原理，并阐述了TDLAS具有非接触测量、快速测量、高灵敏度、结构紧凑以及鲁棒性强等优点。凭借其优势，TDLAS目前已被应用于环境监测、燃烧诊断、人体健康监测以及深海探测等多个方面。TDLAS有两种经典实现方法，一种是直接吸收法(direct absorptionspectroscopy,DAS)，另一种是波长调制法(wavelength modulation spectroscopy,WMS)。直接吸收法(DAS)的实现步骤如下：令激光器发出的激光波长随时间单调变化，在时域中对目标气体的吸收谱线进行扫描，进而从透射光强中直接提取目标气体的吸收光谱，实现气体温度和浓度的测量；直接吸收法凭借其实施过程简单以及能测量直观吸收谱的优点，已被应用到环境监测以及燃烧诊断方面。在环境监测方面，2016年，Maamary,Rabih等人发表在《传感器》(SENSORS)第16卷，第2期的论文《对敦刻尔克(法国)的环境甲烷进行连续监测的一种基于量子级联激光器的光学传感器》(A Quantum Cascade Laser-Based OpticalSensor for Continuous Monitoring of Environmental Methane in Dunkirk(France))中使用直接吸收法对大气中的CH4进行了测量，测量装置中包括了一个长度为175m的多次反射气体池，该传感器能够达到33.3ppb的检测极限。在燃烧诊断方面，2014年，Spearrin,R.M等人发表在《应用物理B-激光器和光学》(APPLIED PHYSICS B-LASERS AND OPTICS)第117卷，第2期，689-698页的论文《超燃冲压发动机燃烧室内温度、CO和CO2的量子级联激光吸收光谱同时传感》(Simultaneous sensing of temperature,CO,and CO2 in ascramjet combustor using quantum cascade laser absorption spectroscopy)中使用直接吸收法，对超燃冲压发动机燃烧室内的CO和CO2的吸收谱线进行了测量，并通过CO的两个吸收谱线实现了比色法测温。2018年，徐立军等人发表在《IEEE仪器和测量会刊》(IEEETRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT)第67卷，第6期，1338-1348页的论文《利用TDLAS层析成像技术在线监测旋转火焰的横截面》(Online Cross-SectionalMonitoring of a Swirling Flame Using TDLAS Tomography)中使用直接吸收法对旋流火焰中H2O的吸收谱线进行了测量，使用类似医学CT的光路结构，构建了五角度层析成像系统，对旋流火焰的横截面的温度与水蒸气浓度进行了重建，并成功观察到火焰横截面上的新月形的温度分布。虽然直接吸收法的实施过程简单，但其易受噪声影响。2019年，彭志敏等人发表在《工程中的光学和激光》(OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING)第126卷的论文《波长调制直接吸收光谱法结合改进的实验策略测量1.39μm附近H2O跃迁的光谱参数》(Wavelength modulation-direct absorption spectroscopy combined with improvedexperimental strategy for measuring spectroscopic parameters of H2Otransitions near 1.39μm)中阐述了直接吸收法易受“暗噪声”以及“基线拟合误差”等因素的影响。综上所述，直接吸收法的优势是实施过程简单，能提取气体的直观吸收光谱，但其测量结果易受噪声干扰，且难以对吸收强度较弱的谱线进行测量。
在低信噪比的情况下，使用波长调制法可有效提升测量精度。波长调制法(WMS)的实现步骤如下：使用高频正弦波调制激光器，进而调制激光器输出的激光光强与激光波长，通过提取谐波信号来计算气体的温度及浓度等参数；激光光强被调制后，可以抑制噪声干扰，激光波长被调制后，可以实现对谱线的重复扫描，因此波长调制法可以获得高精度、抗噪声的光谱计算结果，并已被应用到环境监测、燃烧诊断、人体健康监测以及深海探测等多个方面。在环境监测方面，2012年，李劲松等人发表在《光学快报》(OPTICS EXPRESS)第20卷，第7期，7590-7601页的论文《用连续波室温量子级联激光光谱仪实时测量大气的CO》(Real-time measurements of atmospheric CO using a continuous-wave roomtemperature quantum cascade laser based spectrometer)中使用波长调制法对大气中的CO进行了测量，使用Labview软件构建的数字锁相放大器对WMS信号进行解调，结果证明该系统的测量精度可达0.88ppbv。2016年，董磊等人发表在《传感器和执行器B-化学》(SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL)第232卷，188-194页的论文《基于TDLAS的紧凑型光学传感器，用于使用3.34μm室温连续带间级联激光器检测ppb级乙烷》(Compact TDLASbased optical sensor for ppb-level ethane detection by use of a 3.34μm room-temperature CW interband cascade laser)中使用波长调制法对乙烷进行测量，用WMS的2f/1f信号实现了1.05ppbv的乙烷浓度测量精度。2016年，郑传涛等人发表在《传感器和执行器B-化学》(SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL)第225卷，188-198页的论文《采用1.654μm波长调制半导体激光器和开放式反射式气敏探头的近红外CH4检测系统的研制与测量》(Development and measurement of a near-infrared CH4 detection systemusing 1.654μm wavelength-modulated diode laser and open reflective gassensing probe)中使用波长调制法对甲烷进行了测量，使用反射式光路增长气体的吸收长度，在40cm的光程下获得了29.52ppm的检测极限。在燃烧诊断方面，2020年，黄昂等人发表在《IEEE仪器和测量会刊》(IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT)第69卷，第11期，9087-9096页的论文《用于火焰监测的基于频分复用和主峰扫描WMS方法的TDLAS层析成像技术》(Frequency-Division Multiplexing and Main Peak Scanning WMSMethod for TDLAS Tomography in Flame Monitoring)中构建了类似医学CT的激光层析成像系统，使用频分复用技术和主峰扫描波长调制技术，该系统可实现10kHz的成像帧率，并成功捕获了火焰的抖动频率。在人体健康监测方面，2017年，Ghorbani,Ramin等人发表在《光学快报》(OPTICS EXPRESS)第25卷，第11期，12743-12752页的论文《基于ICL的实时一氧化碳同位素呼吸气体分析TDLAS传感器》(ICL-based TDLAS sensor for real-timebreath gas analysis of carbon monoxide isotopes)中使用波长调制法对人体呼出气体中的CO进行了测量，实验装置配备了多光程气体池，将波长调制法与直接吸收法的检测极限进行比较，结果显示，波长调制法的检测极限有25倍的提升。在深海探测方面，2019年，郑传涛等人发表在《光学快报》(OPTICS EXPRESS)第27卷，第4期，5598-5609页的论文《用于深海天然气水合物勘探的ICL中红外二氧化碳传感器系统》(ICL-based mid-infraredcarbon dioxide sensor system for deep-sea natural gas hydrate exploration)中介绍了一种可测量溶解在海水中CO2的测量装置，其利用气液分离器将海水中的CO2气体导入到多次反射气体池中，用波长调制法对气相的CO2的浓度进行测量，该装置对CO2的检测极限可达0.72ppbv。2019年，陈晨等人发表在《应用科学-BASEL》(APPLIED SCIENCES-BASEL)第9卷，第17期的论文《利用4.3μm可调谐二极管激光吸收光谱法对深海天然气水合物勘探的高精度(CO2)-C-13/(CO2)-C-12同位素比值进行测量》(High-Precision(CO2)-C-13/(CO2)-C-12Isotopic Ratio Measurement Using Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy at 4.3μm for Deep-Sea Natural Gas Hydrate Exploration)中同样使用气液分离器对溶解在海水中的CO2同位素进行了测量，使用中红外带间级联激光器作为激光源，利用一个长度为24m的多次反射气体池来增强气体的吸收，波长调制法的测量结果表明，该装置的测量精度可达十万分之1.39。2020年，郑传涛等人发表在《分析化学》(ANALYTICAL CHEMISTRY)第92卷，第12期，8178-8185页的论文《用于南海溶解二氧化碳分析的基于可调谐激光吸收光谱的中红外传感器系统：系统级集成和部署》(MidinfraredSensor System Based on Tunable Laser Absorption Spectroscopy for DissolvedCarbon Dioxide Analysis in the South China Sea:System-Level Integration andDeployment)中用波长调制法对海水中的CO2进行测量，测量系统进行了集成，其能在0～2000m深的水下正常工作，测量系统使用气液分离器将海水中的CO2气体分离出来，并使用多次反射气体池增强信号的吸收强度，测量结果显示，CO2浓度随测量深度呈现先下降，再上升，后下降的变化趋势。综上所述，相比于直接吸收法，波长调制法可以有效抑制噪声对测量结果的影响，并提高测量精度，但由于激光波长呈正弦形变化，解调得到的结果一般为光谱信号的谐波分量，较难提取出气体的原始吸收光谱曲线，需要建立较为复杂的查找表，才能从光谱信号的谐波分量中计算得到气体温度及浓度等参数，计算过程不如直接吸收法的计算过程直观。同时，为了解调WMS信号，测量系统需要配备锁相放大器，不利于系统的小型化。针对上述情况，需要将直接吸收法和波长调制法的优势结合起来，实现抗噪声的完整吸收光谱的测量，同时测量系统应有更简单的解调模块，便于系统的集成。
基于以上背景，本文发明了基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统，可实现背景辐射扰动下的高信噪比的激光吸收光谱曲线的提取，同时具有比锁相放大器更简单的快速解调装置；该方法将可调谐二极管激光器发出的激光输入马赫曾德干涉仪，利用干涉效应实现激光的强度调制，提高激光信号的抗噪声性能；在解调环节，本文提出的方法不需要锁相放大器，仅用带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器等器件实现调制信号的快速解调，降低了解调装置的复杂度和成本，利用解调得到的信号可以提取出高信噪比的完整吸收光谱曲线，并根据吸收光谱计算温度及气体浓度，提高了系统的抗干扰能力。
(三)发明内容
本文发明了基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域；该方法使用马赫曾德干涉仪对激光强度进行调制，将吸收光谱信号搬移到高频区域，消除低频区域噪声的影响；同时该方法使用滤波器和乘法器等器件，实现了调制信号的解调，并由解调信号提取高信噪比的气体吸收光谱，进而实现温度及气体浓度的测量；所用元件包括可调谐二极管激光器、马赫曾德干涉仪、准直镜、光电探测器、带通滤波器、模拟乘法器和低通滤波器等，测量系统包括两条光路，一条为测量光路，一条为参考光路。
本发明采用的技术方案是：可调谐二极管激光器发出的激光通入马赫曾德干涉仪，干涉效应使得激光强度被高频调制，通过调整激光器，使得调制信号的调制频率保持稳定；之后高频调制激光被一分为二，其中一束高频调制激光被准直镜准直后穿过测量光路，获得测量光路上气体的吸收光谱，之后高频调制激光被光电探测器探测并被转换为电压信号，电压信号依次通过带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器，低通滤波器输出包含直接吸收光谱的解调信号；另外一束高频调制激光作为参考光，不穿过目标气体的参考光直接被光电探测器转换为电压信号后，同样经过带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器，低通滤波器输出的解调信号被用作参考基线；消除测量光路与参考光路两个解调信号幅值的不一致，根据比尔-朗伯吸收定律，通过两个解调信号计算得到气体的吸收光谱曲线，进而获得目标气体特定吸收谱线处的积分面积值，计算两条吸收谱线处的积分面积值的比值，用比色法计算得到目标气体温度，进一步根据谱线积分面积及温度计算出气体浓度；具体步骤如下：
步骤一，调整可调谐二极管激光器的输出，令激光波数随时间线性变化：
ν(t)＝kνt+νstart， (1)
其中，kν为激光波数的变化速率，νstart为起始波数，将这样的激光通入马赫曾德干涉仪，干涉仪输出频率稳定的高频调制激光：
其中，K1表示干涉仪输出信号中的无调制项的强度系数；K2表示干涉仪输出信号中的调制项的强度系数；ΔvFSR为马赫曾德干涉仪的自由光谱范围；为干涉仪入射信号与出射信号之间的相位差；将干涉仪的输出信号重新表示，fm为调制信号的调制频率；/>为重新表示后的干涉仪入射信号与出射信号之间的相位差；
步骤二，将高频调制激光一分为二，其中一束高频调制激光进入测量光路，另一束高频调制激光进入参考光路；测量光路的激光被准直镜准直后穿过目标气体，后被光电探测器探测，得到电压信号：
其中，K3与K4为测量光路影响后的强度系数，α(t)为目标气体的吸收率，因为激光器输出的激光波数随时间线性变化，所以测量得到的吸收率也随时间变化，即α(t)是时间的函数；
步骤三，测量光路输出的电压信号被输入带通滤波器，带通滤波器只允许频率为fm的调制部分通过，带通滤波器的输出信号为：
其中，K3所代表的无调制项被滤除；
步骤四，将带通滤波器的输出信号通入模拟乘法器，令信号与其自身相乘，即信号进行平方运算，模拟乘法器的输出信号为：
信号被平方后，根据二倍角公式，cos函数项被转换为两部分，一部分为低频项，另一部分为高频项，其调制频率为2fm；指数函数项被平方后，指数部分由α(t)变为2α(t)；
步骤五，模拟乘法器的输出信号被输入低通滤波器，得到测量光路的最终解调信号：
其中，调制频率为2fm的高频项被滤除；最终得到与TDLAS中直接吸收法信号类似的解调信号；对于进入参考光路的那一束高频调制激光，其解调过程与上述过程是一样的，因为参考光路上不存在目标气体，所以参考光路的高频调制激光表示为：
其中，K5与K6为参考光路影响后的强度系数，因为测量光路与参考光路对激光的影响不完全一致，所以一般情况下参考光路信号的强度系数与测量光路信号的强度系数不同；参考光路的高频调制激光被光电探测器接收后，同样依次被输入带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器，得到参考光路的最终解调信号：
其中，参考光路的最终解调信号中不包含吸收率指数项，可将其作为基线信号；至此，得到测量光路与参考光路的调制信号的解调结果。
步骤六，消除两个解调信号It-LPF(t)与Ir-LPF(t)幅值的不一致；在It-LPF(t)信号中，选择一段无吸收的信号，将区段表示为[t1,t2]，同时在Ir-LPF(t)信号中选择同一区段的信号，利用最小二乘法调整Ir-LPF(t)的幅值和偏置，令[t1,t2]区段的Ir-LPF(t)与It-LPF(t)重合，得到系数Rr-t与Br-t：
实现It-LPF(t)与Ir-LPF(t)的强度系数的一致，避免信号幅值不一致造成的光谱计算偏差；
步骤七，根据比尔-朗伯吸收定律提取吸收谱α(t)：
由于模拟乘法器对信号进行了平方，所以实际提取的吸收谱为原始吸收谱的2倍，只需将得到的结果除以2即可获得原始吸收谱，避免了对信号进行开方运算；
步骤八，得到吸收谱α(t)后，选取吸收谱中便于测量气体温度的两条吸收谱线，计算这两条吸收谱线处的吸收率的积分面积Ai，i＝1或2，进而计算得到面积比值事先通过仿真得到面积比值/>与气体温度T的对应表格，即可通过查表获取此时的气体温度T；根据比尔-朗伯吸收定律，可得气体浓度Xabs为：
其中，Ai为目标气体第i条吸收谱线的积分面积，Si(T)为目标气体第i条吸收谱线在温度为T时的谱线强度，P为气压，L为测量光路的长度，因此在已知气压P和测量光路长度L的情况下，可根据测得的积分面积值与温度值计算得到气体的浓度
本发明的优点为：可调谐二极管发出的激光经过无源器件马赫曾德干涉仪后，被转换为高频调制激光，提高了系统噪声抑制能力；使用带通滤波器、模拟乘法器和低通滤波器等器件构成解调系统，实现高频调制信号的解调，无需使用传统的锁相放大器，降低了解调系统的复杂度，可实现实时解调；解调过程无需进行开方运算，将提取得到的吸收光谱除以2即得到气体的吸收光谱，进而实现温度及气体浓度的测量。
(四)附图说明
图1是本专利所述方法的一种典型结构图，由以下部分构成：可调谐二极管激光器(101)、马赫曾德干涉仪(102)、准直镜(103)、目标气体(104)、光电探测器(105，106)、带通滤波器(107，108)、模拟乘法器(109，110)、低通滤波器(111，112)、数据采集系统(113)、计算机(114)；有准直镜及目标气体的光路为测量光路，另一光路为参考光路。
图2是经过幅值调整后的测量光路解调结果与参考光路解调结果。
图3是本专利方法提取的吸收谱结果与直接吸收法提取的吸收谱结果以及二者的偏差。
(五)具体实施方式
在实施例中，通过本发明提出的方法计算温度及水蒸气浓度，验证了该方法的有效性。
本发明的结构如图1所示，可调谐二极管激光器(101)输出波数随时间线性变化的激光，激光被输入马赫曾德干涉仪(102)，干涉仪的输出激光是具有稳定调制频率的高频调制激光，高频调制激光被一分为二，一束高频调制激光被输入测量光路，进入测量光路的激光被准直镜(103)准直后，穿过目标气体(104)，被光电探测器(105)探测并被转换为电信号；另一束高频调制激光被输入参考光路，不经过目标气体，直接被光电探测器(106)探测并被转换为电信号；测量光路与参考光路的信号均被依次输入带通滤波器(107，108)、模拟乘法器(109，110)以及低通滤波器(111，112)，两个低通滤波器的输出即为两个光路调制信号的最终解调信号，最终解调信号被数据采集系统(113)转换为数字信号，数字信号被上传到计算机(114)，计算机通过处理数据提取得到目标气体的吸收光谱，计算特定谱线处的吸收率的积分面积，通过比色法计算得到目标气体的温度，进而根据谱线积分面积及温度计算得到气体浓度。
实施例中的相关参数如下，总压为1个标准大气压，目标气体为水蒸气，测量光路中的水蒸气的温度与浓度均匀分布，水蒸气温度为301K，水蒸气浓度为0.044(相对湿度为97.4％)，测量光路长度为55cm。可调谐二极管激光器发出的激光完整扫描水蒸气在7182.94cm-1和7185.59cm-1处的吸收谱线，用比色法计算温度，并利用7182.94cm-1处吸收谱线的积分面积值计算相对湿度，激光器的扫描频率为1kHz。测量过程中使用的马赫曾德干涉仪的ΔvFSR＝0.007148cm-1；以下为实施例的运行步骤。
步骤一，可调谐二极管激光器发出波数随时间线性变化的激光，激光被输入马赫曾德干涉仪，干涉仪输出频率稳定的高频调制激光，其调制频率为2.3MHz；高频调制激光被一分为二，一束高频调制激光被输入测量光路，测量水蒸气的吸收光谱；另一束高频调制激光被输入参考光路，参考光路上不存在水蒸气，参考光路的激光被当作基线信号；两条光路的激光均被光电探测器探测并被转换为电信号；
步骤二，两条光路的信号均被依次通过带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器，其中，带通滤波器的通频带为1～250MHz，低通滤波器的通频带为DC～500kHz；两个低通滤波器分别输出测量光路与参考光路的解调信号，其与TDLAS中直接吸收法的信号类似；
步骤三，消除测量光路与参考光路两个解调信号幅值的不一致，令两个解调信号的无吸收区段重合，如图2所示，方便提取目标气体吸收谱；根据比尔-朗伯吸收定律提取吸收谱，因为模拟乘法器的平方效果，此处得到的吸收谱为原始吸收谱的2倍，将结果除以2即可得到原始吸收谱，将本专利所提方法得到的吸收谱结果与TDLAS中直接吸收法得到的吸收谱结果进行比较，比较结果如图3所示，结果表明本专利所提方法的解调效果符合预期，提取的吸收谱曲线与经典的直接吸收法得到的吸收谱曲线一致；之后计算得到7182.94cm-1和7185.59cm-1处的吸收谱线的积分面积值，通过比色法计算水蒸气的温度，本专利所提方法得出的水蒸气的温度均值为300.7K，温度标准差为0.6K，用经典的直接吸收法得出的水蒸气的温度均值为300.9K，温度标准差为0.8K，二者结果一致；之后用7182.94cm-1处吸收谱线的积分面积值计算相对湿度，本专利所提方法得出的相对湿度均值为103.7％，相对湿度标准差为0.8％，用经典的直接吸收法得出的水蒸气的相对湿度均值为98.3％，相对湿度标准差为0.7％，二者结果一致；进一步证明了本专利所提方法的有效性。
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。
Claims (3)
1.基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法，所用元件包括可调谐二极管激光器、马赫曾德干涉仪、准直镜、光电探测器、带通滤波器、模拟乘法器和低通滤波器等；测量部分由两条光路构成，一条测量光路，一条参考光路；方法的特征在于，激光器发出的激光经马赫曾德干涉仪调制后输出高频幅值调制激光，之后高频幅值调制激光被一分为二；其中一束高频调制激光被准直镜准直后穿过测量光路，从而携带气体的吸收光谱，之后高频调制激光被光电探测器探测并被转换为电压信号，电压信号依次通过带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器，最终得到包含直接吸收光谱的信号；另外一束高频调制激光被作为参考光，参考光不经过目标气体，直接被光电探测器转换为电压信号，该信号同样经过带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器，低通滤波器输出的信号被作为参考基线；利用最小二乘法，消除测量光路与参考光路两个解调信号幅值的不一致，根据比尔-朗伯吸收定律，通过两路解调信号计算得到气体的吸收光谱曲线，进而获得特定吸收谱线处的积分面积值，然后利用比色法获得目标气体的温度，进一步根据吸收谱线处的积分面积值和温度值计算出气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法，其特征在于通过控制激光器，令输出激光的波数随时间线性变化，将这样的激光通入马赫曾德干涉仪，干涉仪输出调制频率稳定的高频调制激光，将高频调制激光一分为二，一束激光通入测量光路，获得目标气体的吸收光谱；另一束激光通入参考光路，获得参考基线，将两个光路的信号依次通过带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器后，得到两个光路调制信号的解调信号，用作后续的吸收光谱提取；具体步骤包括：
步骤一，调整激光器的输出，令激光波数随时间线性变化，将这样的激光通入马赫曾德干涉仪，干涉仪输出调制频率稳定的高频调制激光：
其中，K1表示干涉仪输出信号中的无调制项的强度系数；K2表示干涉仪输出信号中的调制项的强度系数；fm为信号的调制频率；表示干涉仪入射信号与出射信号之间的相位差；
步骤二，将高频调制激光一分为二，其中一束高频调制激光进入测量光路，另一束高频调制激光进入参考光路；对于进入测量光路的激光，其被准直镜准直后穿过目标气体，后被光电探测器探测，得到电压信号：
其中，K3与K4为测量光路影响后的强度系数，α(t)为目标气体的吸收率，因为激光器输出的激光波数随时间线性变化，所以测量得到的吸收率也随时间变化，即α(t)是时间的函数；
步骤三，测量光路输出的电压信号首先被接入带通滤波器，带通滤波器的输出信号为：
其中，K3所代表的无调制项被滤除；
步骤四，将带通滤波器的输出信号通入模拟乘法器，信号被平方，输出信号为：
根据二倍角公式，cos函数项被转换为两部分，一部分为低频项，另一部分为高频项，高频项的调制频率为2fm；包含α(t)的指数函数项被平方后，指数部分由α(t)变为2α(t)；
步骤五，模拟乘法器的输出信号被输入低通滤波器，可得测量光路的最终解调信号：
其中，调制频率为2fm的高频项被滤除；对于参考光路的高频调制激光，其解调过程与上述过程是一样的，参考光路上不存在目标气体，参考光路的高频调制激光表示为：
其中，K5与K6为参考光路影响后的强度系数，因为测量光路与参考光路对激光的影响不完全一致，参考光路信号的强度系数与测量光路信号的强度系数不同；参考光路的高频调制激光被光电探测器探测后，同样依次通过带通滤波器、模拟乘法器以及低通滤波器，得到参考光路的最终解调信号：
其中，参考光路的最终解调信号中不包含吸收率的指数项；至此，测量光路与参考光路的调制信号的解调过程已完成。
3.根据权利要求1所述的基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法，其特征在于消除测量光路与参考光路两个解调信号幅值的不一致，提取目标气体的吸收光谱，并计算相应吸收谱线处的积分面积，之后利用比色法，计算得到目标气体的温度，进一步，根据谱线的积分面积及温度计算得到气体的浓度；具体步骤包括：
步骤一，用最小二乘法，消除两个解调信号It-LPF(t)与Ir-LPF(t)幅值的不一致；在It-LPF(t)信号中，选择一段无吸收的信号，将区段表示为[t1,t2]，在Ir-LPF(t)信号中选择同一区段的信号，利用最小二乘法消除两个解调信号幅值的不一致，即调整Ir-LPF(t)的幅值和偏置，令[t1,t2]区段的Ir-LPF(t)与It-LPF(t)重合，得到系数Rr-t与Br-t：
方便后续使用It-LPF(t)与Ir-LPF(t)提取目标气体的吸收谱；
步骤二，根据比尔-朗伯吸收定律提取吸收谱α(t)：
由于模拟乘法器对信号进行了平方，所以提取的吸收谱强度为原始吸收谱强度的2倍，只需将得到的结果除以2即可获得原始吸收谱；
步骤三，得到吸收谱α(t)后，选取吸收谱中便于测量气体温度的两条吸收谱线，计算这两条吸收谱线处的积分面积Ai，i＝1或2，进而计算得到面积比值事先通过仿真得到面积比值/>与气体温度T的对应表格，即可通过查表获取此时的气体温度T；根据比尔-朗伯吸收定律，可得气体浓度Xabs为：
其中，Ai为第i条吸收谱线的积分面积，Si(T)为第i条吸收谱线在温度为T时的谱线强度，P为气压，L为测量光路的长度，因此在已知气压P和测量光路长度L的情况下，可根据测得的积分面积与温度计算得到气体的浓度。
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