CN115494020B - 痕量气体检测方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种痕量气体检测方法、装置及系统，所述检测方法包括：应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描；接收从气室输出的待测信号，并对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号；根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号；对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，并根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值，能够实现对痕量气体浓度的检测，有效提高了痕量气体浓度的检测精确度。
Description
技术领域
本发明属于气体浓度检测领域，具体是涉及到一种痕量气体检测方法、装置及系统。
背景技术
现有的基于物理或者化学的气体检测方法具有稳定性差、需定期更换和校准从而增加操作和维护的工作量等不足之处。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)的气体检测方法具有抗干扰强、灵敏度高、不需消耗载气等优点，在气体检测方面具有广阔应用前景。
然而应用TDLAS技术对气体进行检测时，由于激光器光强变化、测量系统噪声、非线性调制、测量系统空间的温度、湿度变化等会引起解调后的谐波畸变，从而影响气体浓度测量的准确性和稳定性。特别是对于痕量气体，气体浓度特征信息相对于干扰信号更为微弱的情况下，如何实现强噪声干扰下痕量气体浓度的准确测量具有较高的挑战性。
发明内容
本发明提供一种痕量气体检测方法、装置及系统，以在强噪声干扰下提高痕量气体的测量准确性和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提出一种痕量气体检测方法，包括：应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描；接收从气室输出的待测信号，并对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号；根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号；对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，并根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值。
可选的，所述应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的所述待测气体进行波长扫描之前，包括：根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表生成调制波形，其中所述高频正弦调制信号的第一频率为所述低频锯齿波扫描信号的频率的整数倍；对所述调制波形进行数模转换后得到所述调制信号。
可选的，所述应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的所述待测气体进行波长扫描之前，还包括：获取幅值为1，且具有第一频率和第一相位的所述第一参考信号，其中所述第一参考信号的频率与所述高频正弦调制信号同频率，所述第一相位为所述一次谐波信号在所述待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值；获取幅值为1，且具有第二频率和第二相位的所述第二参考信号，其中所述第二参考信号的频率为所述高频正弦调制信号的2倍频，所述第二相位为所述二次谐波信号在所述待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值，所述第二频率为所述第一频率的2倍。
可选的，所述对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号，包括：对所述待测信号进行通带截止频率为第一频率的第一有限脉冲响应低通滤波器进行低通滤波，得到所述第一信号；对所述待测信号进行通带截止频率为第二频率的所述第一有限脉冲响应低通滤波器进行低通滤波，得到所述第二信号。
可选的，所述根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号，包括：对预设的第一参考信号与所述第一信号进行乘法运算得到解调后的第一信号，对解调后的第一信号依次应用积分梳妆滤波器和第二有限脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，得到与所述待测气体浓度相关的所述一次谐波信号；对预设的第二参考信号与所述第二信号进行乘法运算得到解调后的第二信号，对解调后的第二信号依次应用积分梳妆滤波器和第二有限脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，得到与所述待测气体浓度相关的所述二次谐波信号。
可选的，所述对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，包括：分别对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行傅立叶变换得到对应的频谱，并分别对频谱取平方后得到所述一次谐波信号和所述二次谐波信号对应的第一功率谱和第二功率谱；选择所述第一功率谱中幅值最大的频率为所述一次谐波信号的第一中心频点，选择所述第二功率谱中幅值最大的频率为所述二次谐波信号的第二中心频点；根据所述第一中心频点及倍频点的频率、幅值和相位获取所述一次谐波信号的重构信号，根据所述第二中心频点及倍频点的频率、幅值和相位获取所述二次谐波信号的重构信号。
可选的，所述根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值，包括：获取所述二次谐波信号的重构信号与所述一次谐波信号的重构信号的比值的吸收峰；根据所述吸收峰计算浓度特征值，并根据所述浓度特征值获取所述待测气体的气体浓度值。
基于同一发明构思，本发明还提出了一种痕量气体检测装置，包括：信号发生模块，用于应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描；低通滤波模块，用于接收从气室输出的待测信号，对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号；谐波信号获取模块，用于根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号；气体浓度分析模块，用于对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，并根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值。
基于同一发明构思，本发明还提出了一种痕量气体检测系统，包括：依次连接的近红外分布式反馈激光器、气室、光电探测器、以及所述痕量气体检测装置。
可选的，所述痕量气体检测系统还包括：真空泵和数模转换器；所述痕量气体检测装置还与所述近红外分布式反馈激光器连接，所述气室中充入待测气体至常压，所述真空泵用于将所述气室内的所述待测气体抽至负压状态；所述痕量气体检测装置还用于根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表生成调制波形，所述数模转换器用于对所述调制波形进行数模转换后得到所述调制信号驱动所述近红外分布式反馈激光器。
从上面所述可以看出，本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提供的一种痕量气体检测方法、装置及系统，检测方法包括：应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描；接收从气室输出的待测信号，并对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号；根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号；对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，并根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值，实现对痕量气体浓度的检测，有效提高了痕量气体浓度的检测精确度，进一步提高了痕量气体浓度的检测下限。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例，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为本发明实施例中的一种痕量气体检测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中的另一种痕量气体检测系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中的又一种痕量气体检测系统的结构示意图；
图4为本发明实施例中的一种痕量气体检测装置的结构示意图；
图5为本发明实施例中的一种痕量气体检测方法的流程示意图；
图6为本发明实施例中痕量气体检测方法中一次谐波信号和二次谐波信号进行分析重构的流程示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本发明实施例提出了一种痕量气体检测系统，如图1所示，痕量气体检测系统包括：依次连接的近红外分布式反馈激光器11、气室12、光电探测器13、以及痕量气体检测装置14。对气室12通入待测气体并保持常压状态，然后痕量气体检测装置14用于根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表生成调制波形，数字化量表包括了低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的各频点幅值，用该调制信号驱动近红外分布式反馈激光器11，近红外分布式反馈激光器11根据调制信号发射激光对气室12内气体进行波长扫描，光电探测器13接收气室12输出的光信号，并转换为电信号，传输给痕量气体检测装置14，通过痕量气体检测装置14对电信号进行分析重构，获取待测气体的气体浓度值。
在本发明其它实施例中，如图2所示，痕量气体检测系统还包括：真空泵15和数模转换器16，痕量气体检测装置14还与近红外分布式反馈激光器11连接，气室12中充入待测气体至常压，真空泵15用于将气室12内的待测气体抽至负压状态，痕量气体检测装置14还用于根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表生成调制波形，数模转换器16用于对调制波形进行数模转换后得到调制信号，用于驱动近红外分布式反馈激光器11。
近红外分布式反馈激光器11根据调制信号发射激光对气室内气体进行波长扫描，光电探测器13接收经气室12输出的光信号，并转换为电信号，传输给痕量气体检测装置14，通过痕量气体检测装置14对电信号进行分析重构，获取待测气体的气体浓度值。
在本发明其它实施例中，如图3所示，痕量气体检测系统还包括：与痕量气体检测装置14连接ARM(Advanced RISC Machines，高级精简指令集处理器)芯片17、光纤分数器18、准直器19、压力表20、前置放大器21、硬件滤波器22及模数转换器23。光纤分数器18与近红外分布式反馈激光器11连接，准直器19连接在光纤分数器18与气室12之间。前置放大器21、硬件滤波器22及模数转换器23依次串接在光电探测器13与近红外分布式反馈激光器11之间。
ARM芯片17与痕量气体检测装置14连接，ARM芯片17用于监控痕量气体检测系统、数据存储及显示；对气室12通入待测气体并保持常压状态，压力表20与气室12相连，实时检测气室12的气压，再使用真空泵15将气室12内的待测气体抽至负压状态，然后痕量气体检测装置14用于根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表生成调制波形，通过数模转换器16对调制波形进行数模转换得到调制信号，并驱动近红外分布式反馈激光器11。近红外分布式反馈激光器11根据调制信号发射激光，通过光纤分数器18对近红外分布式反馈激光器11发射的激光进行分配，经准直器19对光纤分数器18输出的激光进行调整后进入气室12，对气室内气体进行波长扫描，光电探测器13接收经气室12输出的光信号，并转换为电信号。
准直器19具备过滤杂散光以及辐射发光影响的功能，能使光信号被最大效率地接收，经准直器19输出的激光对气室12中的待测气体进行波长扫描，光电探测器13接收气室12输出的光信号，并转换为电信号，通过前置放大器21对光电探测器13输出的电信号进行前置放大，硬件滤波器22对放大后的电信号进行滤波处理，模数转换器23对电信号进行模数转换后传输给痕量气体检测装置14，在痕量气体检测装置14对电信号分析重构进而获取气体浓度值，ARM芯片17存储待测气体的气体浓度值。
本发明实施例的痕量气体检测系统能够实现对痕量气体浓度的检测，痕量气体检测系统中痕量气体检测装置的使用减少了模拟电路引起的噪声并且简化了痕量气体检测系统的结构，进一步降低了痕量气体浓度的检测难度，增加了痕量气体浓度值的可靠性。
本发明实施例还提出了一种痕量气体检测装置，如图4所示，痕量气体检测装置包括：信号发生模块41、低通滤波模块42、谐波信号获取模块43及气体浓度分析模块44。
信号发生模块41用于应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描。
低通滤波模块42用于接收从气室输出的待测信号，对待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号。
谐波信号获取模块43用于根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对第一信号和第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号。滤波处理可优选使用线性滤波器，从而实现对信号中加性噪声的滤除。
气体浓度分析模块44用于对一次谐波信号和二次谐波信号进行分析重构，并根据一次谐波信号和二次谐波信号的重构信号获取待测气体的气体浓度值。分析重构可采用傅里叶变换，进一步减少噪声对信号的干扰，提高对待测气体浓度检测的准确性。
痕量气体检测装置可根据需要采用PLD(Programmable Logic Device，可编辑逻辑器件)类型芯片，如FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)芯片、CPLD(Complex Programmable logic device，复杂可编程逻辑器件)芯片等，利用CPLD芯片的同步性和可编程性确保痕量气体检测系统中近红外分布式反馈激光器调制信号的稳定性。
在本发明其它实施例中，低通滤波模块42和谐波信号获取模块43也可以为锁相放大器的组成部分，锁相放大器接收从气室输出的待测信号，对待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号；进而结合预设的第一参考信号和第二参考信号对第一信号和第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号，以便后续对一次谐波信号和二次谐波信号进行分析重构，并基于重构信号获取待测气体的气体浓度值。
为了描述的方便，描述以上痕量气体检测装置时，以功能分为各种模块分别进行描述。当然，在实施本发明实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
上述实施例的痕量气体检测装置实现的更具体的功能参见后续的痕量气体检测方法，在此不再赘述。
本发明实施例还提出一种痕量气体检测方法，应用于前述的痕量气体检测系统，如图5所示，检测方法包括：
步骤S51：应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描。
气室通入需要测量气体浓度的痕量气体并将气室抽至负压状态，气室压力值优选为-90kpa，调制信号根据调制波形进行数模转换得出，用于驱动近红外分布式反馈激光器发射激光，对气室的待测气体进行波长扫描。
步骤S52：接收从气室输出的待测信号，并对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号。
具体地，对气室输出的待测信号分别进行截止频率为fm、2fm的低通滤波，可采用现有的线性滤波器，分别得到第一信号和第二信号。
步骤S53：根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号。
在对待测气体进行波长扫描之前还获得幅值均为1的第一参考信号和第二参考信号，第一参考信号和第二参考信号的相位根据待测气体的吸收波长设定，第一参考信号的频率与高频正弦调制信号同频率，第二参考信号的频率为高频正弦调制信号的2倍频，第一参考信号与第一信号点乘再依次经积分梳妆滤波器和有限脉冲响应滤波器滤波后得到一次谐波信号，第二参考信号与第二信号点乘再依次经积分梳妆滤波器和有限脉冲响应滤波器滤波后得到二次谐波信号。
步骤S54：对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，并根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值。
对一次谐波信号和二次谐波信号进行分析重构时，可优选采用傅里叶变换，基于一次谐波信号的傅里叶变换后得到的功率谱确定中心频点、倍频点及对应的幅值和相位，进而得到一次谐波信号的重构信号，基于二次谐波信号的傅里叶变换后得到的功率谱确定中心频点、倍频点及对应的幅值和相位，进而得到二次谐波信号的重构信号，根据一次谐波信号和二次谐波信号的重构信号获取浓度特征值，进而根据浓度特征值获取待测气体的气体浓度值。本发明实施例通过采用傅里叶变换实现信号中非加性噪声的滤除，进一步减少噪声对痕量气体检测的干扰，提高痕量气体检测的准确性。
在本发明实施例中，在步骤S51之前，根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表生成调制波形，其中高频正弦调制信号的第一频率为低频锯齿波扫描信号的频率的整数倍；对调制波形进行数模转换后得到调制信号，如此可以减少后续信号解调的谐波畸变。高频正弦调制信号的第一频率优选为10Hz，低频锯齿波扫描信号的频率优选为10kHz，低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表包括低频锯齿波扫描信号和高频正弦调制信号的各频点的幅值。
在本发明实施例中，在步骤S51之前，获取幅值为1，且具有第一频率和第一相位的第一参考信号r1，其中第一参考信号r1的频率与高频正弦调制信号同频率，第一相位/>为一次谐波信号在待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值。具体地，第一相位的获取是在相位从0至2π，以预设步长变化时，对应的一次谐波信号在待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值，预设步长优选为π/100。还获取幅值为1，且具有第二频率和第二相位/>的第二参考信号r2，其中第二参考信号r2的频率为高频正弦调制信号的2倍频。第二相位/>是在相位从0至2π，以预设步长变化时，二次谐波信号在待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值，第二频率2fm为第一频率fm的2倍。第一参考信号r1和第二参考信号r2是在根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表获取调制信号的同时同步生成的。第一参考信号r1和第二参考信号r2的相位考虑了硬件滤波、软件滤波引起的相位偏移，从而提高了气体检测的下限。当气室中气体浓度变化时，第一相位/>第二相位/>仍然适用。
在本发明实施例中，在步骤S52中，对待测信号进行通带截止频率为第一频率fm的第一有限脉冲响应低通滤波器进行低通滤波，得到第一信号s1，第一频率可优选为10Hz；对待测信号进行通带截止频率为第二频率2fm的第一有限脉冲响应低通滤波器进行低通滤波，得到第二信号s2，第二频率可优选为10kHz。
在本发明实施例中，在步骤S53中，对预设的第一参考信号r1与所述第一信号s1进行乘法运算得到解调后的第一信号s1，对解调后的第一信号s1依次应用积分梳妆滤波器和第二有限脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，得到与待测气体浓度相关的所述一次谐波信号x1；对预设的第二参考信号r2与第二信号s2进行乘法运算得到解调后的第二信号s2，对解调后的第二信号s2依次应用积分梳妆滤波器和第二有限脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，得到与待测气体浓度相关的所述二次谐波信号x2。积分梳妆滤波器和第二有限脉冲响应低通滤波器均为线性滤波器，实现了第一信号s1和第二信号s2中加性噪声的滤除。
在本发明实施例中，在步骤S54中，如图6所示，对一次谐波信号和二次谐波信号进行分析重构包括：
S61：分别对一次谐波信号和二次谐波信号进行傅立叶变换得到对应的频谱，并分别对频谱取平方后得到一次谐波信号和二次谐波信号对应的第一功率谱和第二功率谱。
分别对一次谐波信号和二次谐波信号进行傅立叶变换得到对应的频谱，傅里叶变换可为连续傅里叶变换、离散傅里叶变换，优选为离散快速傅里叶变换，再对一次谐波信号的频谱取平方得到第一功率谱，对二次谐波信号的频谱取平方得到第二功率谱。
S62：选择第一功率谱中幅值最大的频率为一次谐波信号的第一中心频点，选择第二功率谱中幅值最大的频率为二次谐波信号的第二中心频点。
寻找第一功率谱中幅值最大的频率，作为一次谐波信号的第一中心频点f1，寻找第二功率谱中幅值最大的频率，作为二次谐波信号的第二中心频点f2。
S63：根据第一中心频点及倍频点的频率、幅值和相位获取一次谐波信号的重构信号，根据第二中心频点及倍频点的频率、幅值和相位获取二次谐波信号的重构信号。
根据构建的重构信号的表达式，获取一次谐波信号的重构信号和二次谐波信号的重构信号。其中，一次谐波信号的重构信号的表达式为：二次谐波信号的重构信号的表达式为：/>
其中，分别表示一次谐波信号的重构信号的第h1次谐波的幅值和相位；分别表示二次谐波信号的重构信号的第h2次谐波的幅值和相位；fs表示经过积分梳妆滤波器后信号的采样频率；n为0,1,2，…,N-1；N为一次谐波信号的重构信号和二次谐波信号的重构信号的长度；H1、H2分别为一次谐波信号的重构信号和二次谐波信号的重构信号的谐波最高次数。
在本发明实施例中，在步骤S54中，得到一次谐波信号的重构信号和二次谐波信号的重构信号之后，获取二次谐波信号的重构信号与一次谐波信号的重构信号的比值的吸收峰；根据吸收峰计算浓度特征值，浓度特征值的计算方法可为波峰幅值与左波谷、右波谷幅值的差值，也可为左波谷至右波谷的面积积分，并根据浓度特征值获取待测气体的气体浓度值，浓度特征值根据反演函数获取待测气体的气体浓度值，反演函数为线性函数，线性函数的参数值可预先通过数据标定获得，不同检测系统例如当激光器、气室不同时，线性函数的参数会有差异。
本发明实施例的痕量气体检测方法通过应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描；接收从气室输出的待测信号，并对待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号；根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号；对一次谐波信号和二次谐波信号进行分析重构，并根据一次谐波信号和二次谐波信号的重构信号获取待测气体的气体浓度值，能够实现对痕量气体浓度的检测，有效提高了痕量气体浓度的检测精确度，进一步提高了痕量气体浓度的检测下限。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种痕量气体检测方法，其特征是，所述痕量气体检测方法包括：
获取幅值为1，且具有第一频率和第一相位的第一参考信号，所述第一相位为一次谐波信号在待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值；获取幅值为1，且具有第二频率和第二相位的第二参考信号，所述第二相位为二次谐波信号在所述待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值，所述第二频率为所述第一频率的2倍；
应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描；
接收从气室输出的待测信号，并对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号；
根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号；
对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，并根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值；
其中，所述对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，包括：分别对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行傅立叶变换得到对应的频谱，并分别对频谱取平方后得到所述一次谐波信号和所述二次谐波信号对应的第一功率谱和第二功率谱；选择所述第一功率谱中幅值最大的频率为所述一次谐波信号的第一中心频点，选择所述第二功率谱中幅值最大的频率为所述二次谐波信号的第二中心频点；根据所述第一中心频点及倍频点的频率、幅值和相位获取所述一次谐波信号的重构信号，根据所述第二中心频点及倍频点的频率、幅值和相位获取所述二次谐波信号的重构信号；一次谐波信号的重构信号的表达式为：二次谐波信号的重构信号的表达式为：其中，/>分别表示一次谐波信号的重构信号的第h1次谐波的幅值和相位；/>分别表示二次谐波信号的重构信号的第h2次谐波的幅值和相位；f1、f2分别为第一中心频点和第二中心频点；fs表示经过积分梳妆滤波器后信号的采样频率；n为0,1,2，…,N-1；N为一次谐波信号的重构信号和二次谐波信号的重构信号的长度；H1、H2分别为一次谐波信号的重构信号和二次谐波信号的重构信号的谐波最高次数；
所述根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值，包括：获取所述二次谐波信号的重构信号与所述一次谐波信号的重构信号的比值的吸收峰；根据所述吸收峰计算浓度特征值，并根据所述浓度特征值获取所述待测气体的气体浓度值。
2.如权利要求1所述的痕量气体检测方法，其特征是，所述应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的所述待测气体进行波长扫描之前，包括：
根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表生成调制波形，其中所述高频正弦调制信号的第一频率为所述低频锯齿波扫描信号的频率的整数倍；
对所述调制波形进行数模转换后得到所述调制信号。
3.如权利要求1所述的痕量气体检测方法，其特征是，所述对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号，包括：
对所述待测信号进行通带截止频率为第一频率的第一有限脉冲响应低通滤波器进行低通滤波，得到所述第一信号；
对所述待测信号进行通带截止频率为第二频率的所述第一有限脉冲响应低通滤波器进行低通滤波，得到所述第二信号。
4.如权利要求1所述的痕量气体检测方法，其特征是，所述根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号，包括：
对预设的第一参考信号与所述第一信号进行乘法运算得到解调后的第一信号，对解调后的第一信号依次应用积分梳妆滤波器和第二有限脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，得到与所述待测气体浓度相关的所述一次谐波信号；
对预设的第二参考信号与所述第二信号进行乘法运算得到解调后的第二信号，对解调后的第二信号依次应用积分梳妆滤波器和第二有限脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，得到与所述待测气体浓度相关的所述二次谐波信号。
5.一种痕量气体检测装置，其特征是，所述痕量气体检测装置包括：
信号发生模块，用于获取幅值为1，且具有第一频率和第一相位的第一参考信号，所述第一相位为一次谐波信号在待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值；获取幅值为1，且具有第二频率和第二相位的第二参考信号，所述第二相位为二次谐波信号在所述待测气体的吸收波长附近具有最大幅值变化的相位值，所述第二频率为所述第一频率的2倍；应用调制信号驱动近红外分布式反馈激光器发射激光对气室内的待测气体进行波长扫描；
低通滤波模块，用于接收从气室输出的待测信号，对所述待测信号分别进行不同截止频率的低通滤波，分别得到第一信号和第二信号；
谐波信号获取模块，用于根据预设的第一参考信号和第二参考信号分别对所述第一信号和所述第二信号进行解调和滤波处理，分别得到与所述待测气体浓度相关的一次谐波信号和二次谐波信号；
气体浓度分析模块，用于对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行分析重构，并根据所述一次谐波信号和所述二次谐波信号的重构信号获取所述待测气体的气体浓度值；包括：分别对所述一次谐波信号和所述二次谐波信号进行傅立叶变换得到对应的频谱，并分别对频谱取平方后得到所述一次谐波信号和所述二次谐波信号对应的第一功率谱和第二功率谱；选择所述第一功率谱中幅值最大的频率为所述一次谐波信号的第一中心频点，选择所述第二功率谱中幅值最大的频率为所述二次谐波信号的第二中心频点；根据所述第一中心频点及倍频点的频率、幅值和相位获取所述一次谐波信号的重构信号，根据所述第二中心频点及倍频点的频率、幅值和相位获取所述二次谐波信号的重构信号；一次谐波信号的重构信号的表达式为：二次谐波信号的重构信号的表达式为：/>其中，/>分别表示一次谐波信号的重构信号的第h1次谐波的幅值和相位；/>分别表示二次谐波信号的重构信号的第h2次谐波的幅值和相位；f1、f2分别为第一中心频点和第二中心频点；fs表示经过积分梳妆滤波器后信号的采样频率；n为0,1,2，…,N-1；N为一次谐波信号的重构信号和二次谐波信号的重构信号的长度；H1、H2分别为一次谐波信号的重构信号和二次谐波信号的重构信号的谐波最高次数；获取所述二次谐波信号的重构信号与所述一次谐波信号的重构信号的比值的吸收峰；根据所述吸收峰计算浓度特征值，并根据所述浓度特征值获取所述待测气体的气体浓度值。
6.一种痕量气体检测系统，其特征是，所述痕量气体检测系统包括：依次连接的近红外分布式反馈激光器、气室、光电探测器、以及如权利要求5所述的痕量气体检测装置。
7.如权利要求6所述的痕量气体检测系统，其特征是，所述痕量气体检测系统还包括：真空泵和数模转换器；所述痕量气体检测装置还与所述近红外分布式反馈激光器连接，所述气室中充入待测气体至常压，所述真空泵用于将所述气室内的所述待测气体抽至负压状态；所述痕量气体检测装置还用于根据低频锯齿波扫描信号、高频正弦调制信号的数字化量表生成调制波形，所述数模转换器用于对所述调制波形进行数模转换后得到所述调制信号驱动所述近红外分布式反馈激光器。
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