CN115639171A - 一种抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统。系统包括测试激光发生模块、无吸收激光发生模块、光纤耦合器、光纤分束器、干涉仪、光电探测器、数据采集模块、在线补偿模块与计算机。测试激光发生模块产生扫描的激光经分光后一束由干涉仪记录波长，另一束与无吸收激光发生模块产生的正弦调制激光经过光纤耦合器合束后由准直镜发出，穿过待测气体被光电探测器探测，由数据采集模块采集后经在线补偿模块将测试激光与无吸收激光分开，并利用无吸收激光的强度变化补偿光线偏折效应带给测试激光的强度变化，实现准确的吸收光谱提取。该发明结构简单，能够克服光线偏折效应对激光吸收光谱的干扰，在燃烧诊断等动态吸收光谱测试领域有广阔应用前景。

Description

一种抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统

技术领域

本发明涉及激光气体吸收光谱测量系统与方法，尤其涉及一种抗光学偏折吸收光谱提取方法与系统，属于激光光谱及气体参数测量技术领域。

背景技术

燃烧是燃料燃烧化学反应、湍流流动、热量传递共同发生的多相、多尺度、多组分的较为复杂的物理化学变化过程，该过程涉及到混合、流动、点火、传热等现象，涵盖了化学动力学、流体力学、热力学等诸多学科交叉问题。在燃烧诊断研究中，温度是一个尤其关键的物理量，它与燃烧过程的总体效率密切相关。工业现场的大多数燃烧反应的目的是为了获取能量，温度直接表征了燃烧过程中所释放的热能大小以及效率高低。燃烧过程往往伴随着剧烈的化学反应过程，对此过程的监测需要动态响应高的测量技术。

激光吸收光谱技术是一种响应速度快，灵敏度高的非接触式测量方法，被广泛用于燃烧诊断、大气监测、工业现场等领域，准确获取吸收谱是实现基于激光吸收光谱技术进行准确测量的关键。直接吸收法(Direct absorption Spectroscopy，DAS)是将透射光强和入射光强的比值直接拟合得到气体的吸收率线型函数，拟合得到的吸收率线型函数包括了待测气体的温度、浓度和压力等信息。但直接吸收法易受颗粒物浓度、激光强度波动和高压下谱线重叠等因素的影响，进而导致测量误差的增大，直接吸收法更适合于强吸收的条件。2016年，Zhanrong Zhang等人发表在《光学科技杂志》(Journal of Optical Technology)第83卷第673页的论文《使用分布式反馈激光器在760nm处氧气的吸收波长检测气体温度》(Detection of gas temperature using a distributed feed-back laser at O₂absorption wavelength 760nm)中使用直接吸收法在300-900K温度范围内对管式炉内的气体温度进行了测量，其在低温下的温度测量精度优于高温下的温度测量精度。直接吸收法具有直观简单，能提取完整吸收光谱的优点，但是抗噪声能力弱，不适用于环境恶劣的工业测量。Adam J Reid等在1981年发表在《应用物理学报》(Journal of Applied Physics)第26卷第203页的论文《可调谐二极管激光器的二次谐波检测——实验与理论的比较》(Second-harmonic detection with tunable diode lasers—comparison ofexperiment and theory)提出了波长调制方法，针对窄带激光扫描过程进行了高频调制，利用高频信号的高次谐波进行气体吸收率的分析计算与气体参数的提取，该方法有效地降低了测量系统中的背景干扰，提高了TDLAS的测量精度。但是单纯地利用高次谐波信号进行气体参数的计算需要对已知气体进行标定，增加了系统的复杂度。

尽管可调谐二极管激光吸收光谱技术非常适合燃烧监测，但该方法作为一种利用视线场激光的吸收效应进行的测量技术，当燃烧场中的燃烧产物浓度过大，或者是燃烧器内的压力环境发生改变之后，光线的穿过的路线上的折射率发生变化后，激光光线在不同折射率的环境上不再是沿直线传播。由于燃烧场的高速动态环境，这种由于浓度和压力的改变引起的折射率场的改变，引起了光线传播路径的变化，使得激光照射到光电探测器上的光照强度发生了变化，这会引起非吸收性质的光强变弱。基于激光吸收光谱的测量技术的本身也是根据气体的对激光的吸收度判断气体的浓度、温度与压力等状态，当这种非吸收效应引起的光强变化耦合到了气体吸收效应引起的光强变化之中，会导致无法对气体的吸收谱进行准确的提取。H.Eric Schlosser等人在2002年发表在《国际燃烧会议论文集》(Proceedings of the Combustion Institute)上第29卷第353-360页的论文《用可调谐二极管激光吸收光谱法在全尺寸灭火试验中就地测定分子氧浓度》(In situ determinationof molecular oxygen concentrations in full-scale fire-suppression tests usingtunable diode laser absorption spectroscopy)就提出了基于激光吸收光谱在燃烧应用中的模型，该模型考虑了在火焰监测的过程中需要考虑的火焰自发辐射，以及火焰燃烧产物压力与浓度的变化给光线带来的偏折，在探测器上导致光强变化的影响。该模型中，火焰的辐射噪声被视为加法噪声，光纤偏折与颗粒散射等因素导致的噪声被视为乘法噪声。Lin Ma等在2007年发表在《应用光学》(Applied Optics)第21期第47卷第3751页的论文《温度和浓度同步成像的高光谱层析成像数值研究》(Numerical investigation ofhyperspectral tomography for simultaneous temperature and concentrationimaging)在对基于TDLAS技术的燃烧场测量的时候添加了0.01％的噪声，用于表示基础加性随机噪声，用5.12％噪声等级表示了光线偏折等效应带来的乘法噪声，说明了在TDLAS的测试应用中，来源于光线偏折效应的噪声是主要的噪声来源。

针对光线偏折效应的抑制与降低，大量研究人员进行了丰富的研究。直接把光线带来的噪声项作为一个待求解的参数，代入激光吸收光谱模型，从而利用采集到的数据对包含偏折效应的吸收谱模型进行统一拟合。Steven Wagner等在2009年发表在《Proceedings of the Combustion Institute》第32卷第839-846页上的论文《基于TDLAS的二维层流扩散火焰中乙炔绝对浓度的原位测量》(TDLAS-based in situ measurementof absolute acetylene concentrations in laminar 2D diffusion flames)在利用直接吸收法对乙炔浓度测量的过程中，将光线偏折与颗粒散射造成的光线衰减定义成了吸收率上的乘法噪声，并将其当做随机噪声代入了吸收谱线型的拟合中，拟合结果误差大。S.Wagner.等人在2012年发表在《应用物理B》(Applic Physic B)上第107期第585-589页的论文《非预混层流逆流火焰中乙炔绝对浓度剖面的原位TDLAS测量》(In situ TDLASmeasurement of absolute acetylene concentration profiles in a non-premixedlaminar counter-flow flame)讨论了基于高斯光束的激光在发生偏折时候的误差，通过增加光束直径，降低了光线偏折带来的影响，并通过对偏差进行建模，利用非线性拟合消除影响。T.Kamimoto等在2015年发表在《流量测量和仪器仪表》(Flow Measurement andInstrumentation)第46卷第51-57页的论文《温度和浓度同步成像的高光谱层析成像数值研究》(High-temperature field application of two-dimensional temperaturemeasurement technology using CT tunable diode laser absorption spectroscopy)中，在利用TDLAS技术对发动机的点火过程的水分温度与浓度变化的二维成像监测中，使用了多项式拟合技术对光线偏折效应进行了补偿。这种方式能够在一定程度上缓解光线偏折效应对吸收谱求解的影响，但是无法解决吸收效应与偏折效应同时造成光线变弱的吸收谱恢复，并且这种方法依赖多次扫描的数据量，使得测试帧率与速度下降。

从光学角度出发，采用聚光镜的方案降低光线偏折效应的方案也被广泛研究。采用聚光镜将不同方向和不同位置的激光收束到一个稳定的光斑，从而避免光线偏折效应带来的非吸收误差被广泛研究与使用。P.weibring等人在2006年发表在《应用物理B》(ApplicPhysic B)上第85期第207-218页的论文《超高精密中红外光谱仪II：系统描述和光谱性能》(Ultra-high-precision mid-IR spectrometer II:system description andspectroscopic performance)在使用超快的中红外的激光器进行测试的时候，由于光线偏折的影响，导致了信号的失准，采用了一个类似照相机使用的消色差透镜实现了光学汇聚，提高了光学系统对光线抖动带来的影响的抵抗能力。H.Yang.等人在2011年发表在《应用物理B》(Applic Physic B)上第104期第21-27页的论文《可调谐二极管激光吸收传感器同步水膜厚度、液相和气相的测量温度》(Tunable diode laser absorption sensor for thesimultaneous measurement of water film thickness,liquid-and vapor-phasetemperature)在进行水膜厚度的测试过程中，使用准直镜进行光线对准接收时，由于薄膜厚度发生变化导致了光线的偏转，其采用了在准直镜前加上一个小型的收光透镜，从而降低光纤偏折抖动的对光强收集的影响。X.Lin等人在2012年发表在《应用物理B》(ApplicPhysic B)上第110期第401-409页的论文《通过耦合OES和TDLAS用于激波管波中Martian混合物燃烧后的CO浓度和温度的测量》(CO concentration and temperature measurementsin a shock tube for Martian mixtures by coupling OES and TDLAS)中将火焰自发辐射的光谱与结合可调谐激光吸收光谱的测试手段，对激波管中的高温高压的一氧化碳的温度与浓度进行测量，该系统中涉及到两部分的光学对准，一个是将激光器发出的用于激光吸收光谱的激光进行收集测试，另一个是将火焰的自发光进行收集，两个方式都使用了透镜的方案进行收集，其中对火焰自发光的收集中，能够很好的抑制住在复杂环境中的噪声抖动，而在进行激光吸收光谱的测试中所需的定向激光中，透镜收集到的具有方向性的激光信号受到的干扰严重，通过一系列的降噪拟合算法，使得吸收谱的恢复误差在1％左右。这种使用透镜的方案，虽然能够在一定程度上降低沿着直线传播的激光器的方向偏转，但是由于测试环境的复杂性，复杂的光学透镜组合难以有效的布置，并且进一步提升精度的空间有限。

除了增加透镜，扩大测试激光的光斑直径，也是研究人员在克服光线偏折效应是一个常用技术。Chang Liu等人在2015年发表在《光学快讯》(Optic Express)上的论文《用于快速成像温度和气体浓度的扇形波束TDLAS层析传感器的研制》(Development of afan-beam TDLAS-based tomographic sensor for rapid imaging of temperature andgas concentration)，介绍了一种利用扇形束的激光解决横向平面内的光线偏折效应的方法，但是在纵向上依然没有得到有效解决，其在浓度与温度的结果中，使用了100组的数据进行平均，用以克服光线偏折效应带来的偏差影响。Peter Fendt等人在2021年发表在《光学快讯》(Optic Express)上第25期第29卷的论文《超连续激光在快速压缩膨胀机中的Herriott气体池的增强SMF耦合多标量燃烧诊断》(Herriott cell enhanced SMF-coupledmulti-scalar combustion diagnostics in a rapid compression expansion machineby supercontinuum laser)分析了光线偏折效应主要是由燃烧场内不均匀的密度分布与折射率分布造成的，并且提到了利用单模光纤来耦合空间光，消除光线抖动效应，但是这种方式会导致耦合到光纤中的信号偏小，引起了信号的噪声上升，测试的不确定度变大。这种使用大光束，或者使用光纤耦合方式的技术都需要牺牲激光器的能量集中性，使得探测器能够响应到的光强信号下降，信号中随机噪声上升，在实际的操作中，为了降低随机噪声，需要采取更多的测试周期以提高精度。

近些年，结合波长调制技术，也发展了一些通过调制激光信号的抗偏折方法。WeiWei等人在2019年发表在《应用物理B》(Applic Physic B)上第125期第9页的论文《在高压激波管中使用波长调制光谱技术进行非吸收干扰抑制的演示》(Demonstration of non-absorbing interference rejection using wavelength modulation spectroscopy inhigh-pressure shock tubes)对激光管中的高压环境以及容易被污染的光学观察窗导致的非吸收的光强变化进行了抑制，采用了波长调制吸收光谱的方法，其结果反应了波长调制吸收光谱方法对这种光线偏折的抑制能力有限。Sebastian Burkle等人在2018年发表在《湍流燃烧》(Flow Turbulence Combust)上第101卷第139-159页的论文《使用TDLAS测量发动机缸内温度测量的IC引擎》(In-Cylinder Temperature Measurements in a MotoredIC Engine using TDLAS)在利用激光吸收光谱技术对发动机缸内的燃烧过程的监测中发现在燃烧室出口处的湍流化严重，使用激光光线对吸收进行测量的时候，受到的严重的气流干扰导致光线严重偏折影响了吸收谱的恢复，其在研究中发现这种抖动现象与发动机的转速有关，因此在其展望中提到了可以通过提高扫描速度来避免光线偏折效应对吸收谱的测量产生影响。Guangzhen Gao等人在2013年发表在《光学与光谱学》(Optics andSpectroscopy)上第114卷第340-346页的论文《利用1570nm附近的可调谐二极管激光吸收光谱技术在高温下同时检测CO和CO2》(Simultaneous Detection of CO and CO2 atElevated Temperatures Using Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Near1570nm)在利用激光吸收光谱技术对高温环境下的一氧化碳与二氧化碳的浓度进行测试的时候，采用了波长调制吸收谱的测试技术，并且利用了从波长调制吸收光谱的吸收信号中提取的一次谐波信号来归一化提取的二次谐波信号，从而实现了对偏折效应的免疫。但是在其实验的过程中，是通过一个静态的温度气体池实现的温度测量，在出口处也使用了一个光学透镜进行恢复。采用波长调制方法虽然能够通过调制解调的计算，将对吸收谱的求解带宽限制在窄带范围内，但是当这种光线偏折与抖动带来的乘性噪声所在频率范围与吸收谱的频率范围相近的时候，这种窄带滤波的方法无法将噪声从吸收谱的提取过程中分离。

采用一束无吸收的参考光，与进行激光吸收光谱测试的激光共光路，进而通过分光技术将两束光的抖动分开，从而补偿光纤偏折带来的光强变化，在近年来的文献中也有体现。中国专利CN 107505063 A《一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法》(专利号：201710568850.5)介绍了一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法，包括可见光激光光源、红外可调谐激光光源、光纤耦合器、准直器、光电探测器等，控制可见光激光光源与红外可调谐激光光源，使其分别以高频正弦波形式和扫描锯齿波形式输出可见光信号和红外激光信号，其中，以可见光激光器发出的可见光波段激光作为校准光，而红外可调谐激光器发出的红外波段激光作为探测光；校准光与探测光通过光纤耦合器耦合并经过准直器后入射到被测温度区域，接收端使用一个宽波段的光电探测器同时检测透射校准光和探测光信号；基于上述过程，利用校准光与探测光信号的光线偏折及激光吸收的特征来消除光线偏折的影响。这种方案需要高频正弦波的频率至少为锯齿波扫描频率的100倍以上，以保证对光线偏折效应的细节刻画，并且其在解调的过程中，需要采用一段时间内的点数进行测量，此外，该方法使用可见光作为参考光，需要同时能够探测到可见光与红外光的探测器，大带宽的探测器在使用中会受到环境中的可见光影响，给测试带了很大的噪声。中国专利CN 107560738 A《一种基于二向色分光的激光光线偏折校正装置及方法》(专利号：201710567248.X)介绍了一种利用二向色镜对可见光光源与红外激光光源的分光方案，红外激光经过光纤分束器分成两束，一束作为参考，另一束与近红外激光通过光纤耦合器后经准直器出射，出射光穿过被测火焰后照射到二向色分光片，红外激光探测器放置于反射光线路径上，近红外激光探测器放置于透射光线路径上，利用三个激光信号之间的吸收与偏折关系消除激光偏折的影响。该方法虽然保证了在到二向分光镜之前的激光的传播路径一致，但是二向色镜之后的光线路径无法控制。中国专利CN 107560754 A《一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法》(专利号：201710564892.1)介绍了一种利用二向色镜对可见光光源与红外激光光源进行分光的方案，控制可见光激光光源和红外可调谐激光光源以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号形式，发出可见光激光和红外波段激光；可见光激光作为校准光，红外波段激光作为探测光；校准光与探测光通过光纤耦合器耦合、准直器准直后入射到被测温度区域，接收端利用二向色分光片将校准光与探测光分离并分别入射到可见光和近红外光电探测器上进行检测。该技术方案够在一定程度上解决光线偏折的问题，但仍需要利用一段时间内的调制信号对其进行求解。

针对以上激光吸收光谱测量技术存在的问题，本发明提出了一种抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统。通过测试激光发生模块与无吸收激光发生模块两个模块分别发出一束针对待测气体有吸收的窄带扫频激光与一束该吸收谱段附近的无吸收的正弦调制激光信号，利用无吸收激光的强度变化记录光线偏折效应导致的非吸收性的光强变化，作为对待测气体有吸收的窄带扫频激光的强度校准；在对无吸收激光与测试激光信号的强度同步解调的过程中采用了局部解调的方法，根据信号受到抖动频率范围，选择足够的数量点，解调出扫描信号与正弦调制信号，实现了吸收谱的抗偏折提取。本发明结构简单，成本低，为激光吸收光谱技术在燃烧场测试中提供了抗偏折测试的新手段。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种抗光学偏折的吸收光谱提取方法，搭建了一种结合在线解调方法的在线补偿系统，要解决实际的测试环境中光线偏折效应对气体吸收光谱的提取产生影响的问题。

(二)技术方案

本发明，一种抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统的主要实现过程包括以下步骤：

步骤一：由102测试激光发生模块产生锯齿波调制电流驱动该模块中的可调谐激光器发出在待测气体吸收谱段附近扫描的激光，由101无吸收激光发生模块产生高频正弦调制电流驱动该模块中的可调谐激光器发出102测试激光发生模块附近谱段调制的激光信号；其中测试激光发生模块发出的测试激光器经过103光纤分束器被分为两束，一束经过104干涉仪形成干涉信号后根据干涉信号记录波长，另一束和101无吸收激光发生模块发出的无吸收正弦调制激光同时输入105可变增益光纤耦合器，形成混合的激光信号，可以表示为：

I₀(t)＝G₁·I_S(t)+G₂·I_M(t) (1)

其中，G₁与G₂为可变增益的光纤耦合器对两束激光的增益调节，I_S为测试激光信号，其与时间t的关系可以表示如下：

I_S(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+A₃t³ (2)

其中，A₀、A₁、A₂、A₃分别表示由于激光器非线性导致的不同阶的项；在此调制模式下，使得测试激光发生模块控制的可调谐激光器发出中心波长为待测气体的吸收峰中心，为λ₁；将无吸收激光发生模块控制的可调谐激光器的中心发光波长控制在待测气体的吸收峰λ₁附近的无吸收位置，可以表示为λ₁+Δλ，待测气体在λ₁+Δλ位置无吸收；其中无吸收激光器发生模块采用的正弦电流驱动的可调谐激光器发光强度变化I_M(t)随时间t变化可以表示如下：

其中，I_H表示正弦驱动的幅度，f_H为正弦调制频率，

为正弦调制信号的初始相位。

步骤二：105可变增益光纤耦合器将无吸收激光与测试激光的混合激光传入106准直镜，激光从106准直镜发出穿过待测气体，由107光电探测器接收到激光信号，其中，经过光学吸收后与光线偏折后的光强信号I_t(t)可以表示为：

I_t(t)＝(G₁·I_S(t)·τ(t)+G₂·I_M(t))·P(t) (4)

其中，τ(t)表示气体吸收率，P(t)表示由光线抖动导致的光强变化。

步骤三：107光电探测器将激光光强信号转换成电压信号后，由108数据采集模块以f_s的数字采样率实现对模拟信号的数字转换，传入109在线补偿模块进行局部递推解调；201局部数据提取器将108数据采集模块传入到109在线补偿模块中的第i个采样点到第i+M个采样点打包发往203可配置解调器进行在线解调，其中i的取值范围为1到T·f_s-M；109在线补偿模块中的203可配置数字解调器由202核心控制器根据设计的调制波形配置形式可以表示为R(k)：

其中，k的取值范围为1到M；203可配置数字解调器将从201局部数据提取器中收到的局部数据组Y_i与R作如下的计算：

计算第i个采样点处激光强度向量X_i：

X_i＝F_i(M)^-1J_i(M) (7)

204吸收谱补偿器根据激光强度向量X_i计算第i个采样点处的测试激光光强为：

当所有i点被遍历计算后，有205数据上传模块将I_c和与之时间上对应的波长变化信号v从205数据上传模块所属的109在线补偿模块上传到110计算机进一步计算。

步骤四：110计算机选取无吸收位置数据点，拟合基线I_ref，计算吸收度τ为：

将τ与从干涉仪中记录并解算出来的波长变化信号v按照时间对应，由可恢复待测气体的吸收谱α。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于提出了一种抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统。主要同时发出针对待测气体有吸收波段的测试激光与该波段附近的无吸收激光；利用局部解调方法对两束混合的激光进行同步解调，密集地分离提取无吸收激光强度的变化与吸收激光器强度的变化；利用无吸收光激光标定光线偏折效应的对光强变化的影响，从而校正吸收波段激光的强度；由于两束激光谱段相近，在实际操作过程中，光纤与光电探测器对两束光的传输损耗的差异以及响应度的差异可以忽略不计，提高利用无吸收激光对吸收激光的关于光线偏折效应的校准精度；利用局部递推解调的方法分离无吸收激光强度与吸收激光的强度，可以根据实际噪声情况选取局部解调的范围，提高了吸收激光强度点的提取密度，提高了吸收谱的分辨率。该发明结构简单，方案切实可行，方法准确可靠，为针对燃烧场的抗光线偏折的吸收谱获取提供可靠的新方案。

附图说明

附图1：一种局部解调的抗光学偏折吸收光谱提取系统图

附图2：在线补偿模块结构图

附图3：测试激光与无吸收激光的混合信号

附图4：耦合光线偏折效应与吸收效应的光强变化

附图5：补偿后的吸收谱

具体实施方式

参考附图1为一种局部解调的抗光学偏折吸收光谱提取系统图，参考附图2为在线补偿模块结构图。结合一个实例进行的操作步骤如下：

步骤一：由102测试激光发生模块产生锯齿波调制电流驱动该模块中的可调谐激光器发出在气体水分子7185.58cm^-1吸收谱段附近扫描的激光，由101无吸收激光发生模块产生高频正弦调制电流驱动该模块中的可调谐激光器发出在7186.0cm^-1附近的无吸收正弦调制激光；其中测试激光发生模块发出的测试激光器经过103光纤分束器被分为两束，一束经过104干涉仪形成干涉信号后根据干涉信号记录波长，另一束和101无吸收激光发生模块发出的无吸收正弦调制激光同时输入105可变增益光纤耦合器，形成混合的激光信号，可以表示为：

I₀(t)＝G₁·I_S(t)+G₂·I_M(t) (1)

其中，G₁与G₂为可变增益的105可变增益光纤耦合器对两束激光的增益调节分别设置为1，I_S为测试激光信号，驱动其发光的电流在一个扫描周期T＝1ms内的时间t的关系可以表示如下：

i_S(t)＝a₀+a₁t (2)

其中，a₀＝5mA、a₁＝40mA/ms；无吸收激光器发生模块采用的正弦电流驱动的可调谐激光器发光强度变化I_M,驱动其发光的电流在一个扫描周期T＝1ms内的时间t的关系可以表示如下：

其中，i_H表示正弦驱动的幅度设置为5mA，f_H为正弦调制频率设置为500kHz，

为正弦调制信号的初始相位设置为0；形成混合的激光信号如附图三所示。步骤二：105可变增益光纤耦合器将无吸收激光与测试激光的混合激光传入106准直镜，激光从106准直镜发出穿过待测气体，由107光电探测器接收到激光信号，其中，经过光学吸收后与光线偏折后的光强信号I_t(t)可以表示为：

I_t(t)＝(G₁·I_S(t)·τ(t)+G₂·I_M(t))·P(t) (4)

其中，τ(t)表示气体吸收率，P(t)表示由光线抖动导致的光强变化，令G₁＝1，G₂＝1如附图四所示。

步骤三：107光电探测器将激光光强信号转换成电压信号后，由108数据采集模块以40MHz的数字采样率实现对模拟信号的数字转换，传入109在线补偿模块进行局部递推解调；201局部数据提取器将108数据采集模块传入到109在线补偿模块中的第i个采样点到第i+160个采样点打包发往203可配置解调器进行在线解调，其中i的取值1到39840之间以80为差的等差数列；109在线补偿模块中的203可配置数字解调器由202核心控制器根据设计的调制波形配置形式可以表示为R(k)：

203可配置数字解调器将从201局部数据提取器中收到的局部数据组Y_i与R作如下的计算：

计算第i个采样点处激光强度向量X_i：

X_i＝F_i(M)^-1J_i(M) (7)

204吸收谱补偿器根据激光强度向量X_i计算第i个采样点处的测试激光光强为：

当所有采样点被遍历计算后，有205数据上传模块将I_c和与之时间上对应的波长变化信号v从205数据上传模块所隶属的109在线补偿模块上传到110计算机进一步计算。

步骤四：110计算机选取无吸收位置数据点，拟合基线I_ref，计算吸收度τ为：

将τ与从干涉仪中记录并解算出来的波长变化信号v按照时间对应，由可恢复待测气体的吸收谱α如附图五所示。

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)

1.一种抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统，其系统组成包括测试激光发生模块、无吸收激光发生模块、光纤耦合器、干涉仪、光电探测器、数据采集模块与在线补偿模块；测试激光发生模块按照锯齿波调制的模式发出包括待测气体吸收谱段的测试激光信号，由测试激光发生模块产生的测试激光经过分束器分光后，一束测试激光信号由干涉仪记录波长，另一束测试激光信号与无吸收激光发生模块产生的正弦调制激光经过光纤耦合器合束之后由准直镜发出，穿过待测气体被光电探测器探测，由数据采集模块采集后，经在线补偿模块使用局部递推解调的方法，将测试激光与无吸收激光分开，并利用无吸收激光的强度变化补偿光线偏折效应带给测试激光的强度变化，实现准确的吸收光谱提取。

2.按照权利要求1所述的一种抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统，其特征在于，测试激光发生模块采用可调谐近红外激光器，使用锯齿波的电流调制可调谐激光器发出在待测气体吸收谱附近的扫描信号；使用的无吸收激光发生模块采用与测试激光发生模块所选用的近红外激光器中心波段相似的可调谐近红外激光器，在测试激光发生模块发出的测试激光的中心波段附近的无吸收区域，利用高频正弦电流驱动可调谐激光器发出正弦调制的红外激光；两束激光经过可变增益的光纤耦合器合束后，由准直镜发出；其中，测试激光器发生模块采用的锯齿波电流驱动的可调谐激光器发光强度变化I_S(t)在一个扫描周期T内随时间t变化可以表示如下：

I_S(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+A₃t³ (1)

其中，A₀、A₁、A₂、A₃分别表示由于激光器非线性导致的不同阶的项；在此调制模式下，使测试激光发生模块控制的可调谐激光器发出中心波长为待测气体的吸收峰中心，记为λ₁；将无吸收激光发生模块控制的可调谐激光器的中心发光波长控制在待测气体的吸收峰λ₁附近的无吸收位置，可以表示为λ₁+Δλ，测气体在λ₁+Δλ位置无吸收；其中无吸收激光器发生模块采用的正弦电流驱动的可调谐激光器发光强度变化I_M(t)随时间t变化可以表示如下：

其中，I_H表示正弦驱动的幅度，f_H为正弦调制频率，

为正弦调制信号的初始相位；由测试激光发生模块产生的测试激光经过分束器分光后，一束测试激光信号由干涉仪记录波长，另一束测试激光信号与无吸收激光发生模块产生正弦调制的激光经过可变增益的光纤耦合器合束之后由准直镜发出，由准直镜发出的激光强度可以表示为：

I₀(t)＝G₁I_S(t)+G₂I_M(t) (3)

其中，G₁与G₂为可变增益的光纤耦合器对两束激光的增益调节。

3.按照权利要求1所述的抑制乘性噪声的激光吸收光谱提取方法与系统，其特征在于，在线补偿模块使用局部递推解调的方法，将测试激光与无吸收激光分开，并利用无吸收激光的强度变化补偿光线偏折效应带给测试激光的强度变化，实现准确的吸收光谱提取；其中，经过光学吸收后与光线偏折后的光强信号可以表示为：

I_t(t)＝((G₁·I_S(t)·τ(t))+G₂·I_M(t))·P(t) (4)

其中，τ(t)表示气体吸收率，P(t)表示由光线抖动导致的光强变化；在线补偿模块所涉及的局部递推解调的方法如下：

模数转换器以f_s的数字采样率实现对模拟信号的数字转换，局部数据提取器将第i个采样点到第i+M个采样点打包发往可配置解调器进行在线解调，其中，i的取值范围为1到T·f_s-M；在线解调模块中的可配置数字解调器由核心控制器根据设计的调制波形配置形式可以表示为R(k)：

其中，k的取值范围为1到M；可配置数字解调器将从局部数据提取器中收到的局部数据组Y_i与R作如下的计算：

计算第i个采样点处激光强度向量X_i：

X_i＝F_i(M)^-1J_i(M) (7)

吸收谱补偿器根据激光强度向量X_i计算第i个采样点处的测试激光光强为：

当所有采样点被遍历计算后，选取无吸收位置数据点，拟合基线I_ref，计算吸收度τ为：

将τ与从干涉仪中记录并解算出来的波长变化信号ν按照时间对应，可恢复待测气体的吸收谱α。

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