CN116625984A - 一种二次谐波信号的非线性拟合的气体浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二次谐波信号的非线性拟合的气体浓度检测方法，包括：1、构建二次谐波信号的Voigt线型函数，2、计算拟合初值，对采集到的参考通道和测量通道二次谐波信号进行非线性拟合，得到最佳拟合参数，3、依据最佳拟合参数计算得到拟合后的标准二次谐波信号以及二次谐波信号峰值，并利用峰值进行浓度反演。本发明在不增加硬件结构的基础上，通过二次谐波信号的非线性拟合方法来解决信号基线漂移、以及信号变形影响测量准确性的问题，从而能提高检测准确性，并能保证检测系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及环境光学领域，具体涉及对二次谐波信号进行拟合检测气体浓度的方法。
背景技术
利用激光光谱技术进行气体检测时，二次谐波信号与浓度呈正比关系，但由于温度、压力波动，测量气体组分变化等，造成测量背景的变化，二次谐波基线发生漂移；由于噪声、展宽等影响二次谐波波形会发生扭曲失真，在固定的吸收中心处二次谐波峰值发生改变，导致测量的不准确。
目前相关学者针对二次谐波拟合的进行了一些研究，例如利用一次谐波对二次谐波进行归一化处理，消除剩余调制幅度的影响，这种方法不能解决二次谐波信号的漂移和变形问题；再比如设计高精度温度控制系统，以消除背景信号漂移的影响，增强测量系统的稳定性，但在实际的测量过程中，引起二次谐波信号漂移和变形的因素复杂多样，仅通过提高系统硬件，并不能完全解决。
发明内容
鉴于现有技术方法存在的不足，本发明提出一种二次谐波信号的非线性拟合的气体浓度检测方法，以期能解决信号漂移、信号变形影响测量准确性的问题，并能消除基线漂移和减小噪声影响，从而能提高检测准确性，并保证检测系统的稳定性。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
本发明一种二次谐波信号的非线性拟合的气体浓度检测方法的特点在于，是应用于由激光光源、温度与电流控制器、调制信号发生器、参考通道、测量通道、光电探测器、锁相放大器，嵌入式处理器所构成的气体检测系统中；其中，参考通道内通入已知浓度为Nref的气体；
所述调制信号发生器产生调制信号对所述激光光源进行波长调制，同时激光光源在所述温度与电流控制器驱动下，激发出调制后的激光光束并分为两路，第一路经过所述参考通道后到达所述光电探测器，所述光电探测器输出第一路光电信号至所述锁相放大器，并产生参考通道在第i个采样位置下的二次谐波信号yref(i)；
第二路经过所述测量通道后到所述达光电探测器，所述光电探测器输出第二路光电信号至所述锁相放大器，并产生测量通道在第i个采样位置下的二次谐波信号ygas(i)；所述嵌入式处理器按如下过程对yref(i)与ygas(i)进行非线性拟合：
步骤1：根据洛伦兹线型，利用式(1)构造二次谐波信号的洛伦兹函数模型yL(γL,v0,m,v)：
式(1)中，γL为洛伦兹展宽全高半宽，v0为二次谐波信号的最大值所对应的吸收中心位置，m为调制系数，v为二次谐波信号的频率序列，为洛伦兹展宽归一化调制系数，/>为洛伦兹展宽归一化频率；M为第一调制频率因数，且/>R为第二调制频率因子，且/>
利用式(2)构造二次谐波信号的Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)：
式(2)中，*表示卷积，γG为碰撞展宽全高半宽；
利用式(3)得到二次谐波信号的函数表达式y2f(v)：
y2f(v)＝NS(T)PLyV (3)
式(3)中，N为气体浓度，T表示温度，S(T)为吸收线强，P为测量压力，L为有效光程；
步骤3：对yref(i)进行拟合：
初始化Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)对参考通道的四个参数，包括：初始化γL为yref(i)的半高全宽值的Δ倍；Δ∈(0.5,1)；初始化γG＝γL；初始化v0为yref(i)的最大值对应的序列位置；初始化m为yref(i)的波峰与波谷的比值；
采用Levenberg-Marquardt算法并结合Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)，对yref(i)进行最小二乘非线性拟合，得到参考通道拟合后的四个参数的最佳拟合值(γL-fit,γG-fit,v0-fit,mfit)ref；其中，γL-fit表示拟合后的洛伦兹展宽全高半宽，γG-fit表示拟合后的碰撞展宽全高半宽，v0-fit表示拟合后的吸收中心位置，mfit表示拟合后的调制系数；
步骤4：对ygas(i)进行拟合：
初始化Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)对测量通道的四个参数，包括：初始化γL为ygas(i)的半高全宽值的Δ倍；Δ∈(0.5,1)；初始化γG＝γL；初始化v0为ygas(i)的最大值对应的序列位置；初始化m为ygas(i)的波峰与波谷的比值；
采用Levenberg-Marquardt算法并结合Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)，对ygas(i)进行最小二乘非线性拟合，得到测量通道拟合后的四个参数的最佳拟合值(γ′L-fit,γ′G-fit,v′0-fit,m′fit)gas；其中，γ′L-fit表示拟合后的洛伦兹展宽全高半宽，γ′G-fit表示拟合后的碰撞展宽全高半宽，v′0-fit表示拟合后的吸收中心位置，m′fit表示拟合后的调制系数；
步骤4：分别将参考通道和测量通道拟合后的四个参数的最佳拟合参数(γL-fit,γG-fit,v0-fit,mfit)ref与(γ′L-fit,γ′G-fit,v′0-fit,m′fit)gas带入式(3)中，相应得到参考通道的二次谐波最大值Sref和测量通道的二次谐波最大值Sgas；
步骤5：计算探测通道的气体浓度
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述气体浓度检测方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述气体浓度检测方法的步骤。
与现有的技术相比较，本发明的有益效果体现在：
1.本发明中通过构建二次谐波信号的Voigt线型函数模型，实现了对实测二次谐波信号的非线性拟合，得到标准的二次谐波信号，消除了信号漂移和变形对浓度测量准确性的影响，提高了气体检测系统工作的长期稳定性。
2.本发明中通过二次谐波信号的线型拟合得到最佳拟合参数，进而得到气体浓度，无需预先测量标准谱线，且拟合后可直接得到浓度，无需标定，方法简单准确。
附图说明
图1为本发明实施案例中的二次谐波信号拟合气体检测系统流程图；
图2为本发明所述的一种二次谐波信号进行Voigt线型非线性拟合方法流程图；
图3为拟合前后的二次谐波信号；
图4为本发明实施案例中浓度修正前后图。
具体实施方式
本实施例中，参见图1，二次谐波拟合气体检测系统包括：激光光源1，温度与电流控制器2，调制信号发生器3，参考通道4，光电探测器5，锁相放大器6，测量通道7，光电探测器8，锁相放大器9，嵌入式处理器10。
激光光源1由激光光源的温度与电流控制器2驱动，调制信号发生器3产生调制信号输入至激光光源1进行波长调制，激光光源1输出光束分为两路，第一路经过参考通道4后到达光电探测器5，参考通道内通入已知浓度为Nref的气体，光电探测器5输出光电信号至锁相放大器6从而产生参考通道在第i个采样位置下的二次谐波信号yref(i)，第二路经过测量通道后到达光电探测器8，光电探测器8输出光电信号至锁相放大器9，从而产生测量通道在第i个采样位置下的的二次谐波信号ygas(i)，yref(i)与ygas(i)传输给所述嵌入式处理器10。
参见图2，一种二次谐波信号的非线性拟合的气体浓度检测方法，是应用于上述气体检测系统中，该二次谐波非线性拟合方法是按以下步骤进行：
步骤1：根据洛伦兹线型，利用式(1)构造二次谐波信号的洛伦兹函数模型yL(γL,v0,m,v)：
式(1)中，γL为洛伦兹展宽全高半宽，v0为二次谐波信号的最大值所对应的吸收中心位置，m为调制系数，v为二次谐波信号的频率序列，为洛伦兹展宽归一化调制系数，/>为洛伦兹展宽归一化频率；M为频率因子1，且/>R为频率因子2，且
利用式(2)构造二次谐波信号的Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)：
式(2)中，*表示卷积，γG为碰撞展宽全高半宽。
利用式(3)得到二次谐波信号的函数表达式y2f(v)：
y2f(v)＝NS(T)PLyV (3)
式(3)中，N为气体浓度，T表示温度，S(T)为吸收线强，P为测量压力，L为有效光程；
步骤3：对yref(i)进行拟合，初始化Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)中的四个参数，包括：初始化γL为yref(i)的半高全宽值的Δ倍；Δ∈(0.5,1)；初始化γG＝γL；初始化v0为yref(i)的最大值对应的序列位置；初始化m为yref(i)的波峰与波谷的比值；
采用Levenberg-Marquardt算法并结合Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)，对yref(i)进行最小二乘非线性拟合，得到参考通道拟合后的四个参数的最佳拟合值(γL-fit,γG-fit,v0-fit,mfit)ref；其中，γL-fit表示拟合后的γL，γG-fit表示拟合后的γG，v0-fit表示拟合后的v0，mfit表示拟合后的m；
步骤4：对ygas(i)进行拟合，初始化Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)中的四个参数，包括：初始化γL为ygas(i)的半高全宽值的Δ倍；Δ∈(0.5,1)；初始化γG＝γL；初始化v0为ygas(i)的最大值对应的序列位置；初始化m为ygas(i)的波峰与波谷的比值；
采用Levenberg-Marquardt算法并结合Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)，对ygas(i)进行最小二乘非线性拟合，得到测量通道拟合后的四个参数的最佳拟合值(γ′L-fit,γ′G-fit,v′0-fit,m′fit)gas；其中，γ′L-fit表示拟合后的γL，γ′G-fit表示拟合后的γG，v′0-fit表示拟合后的v0，m′fit表示拟合后的m；
步骤4：分别将参考通道和测量通道拟合后的四个参数的最佳拟合参数(γL-fit,γG-fit,v0-fit,mfit)ref与(γ′L-fit,γ′G-fit,v′0-fit,m′fit)gas带入式(3)中，相应得到参考通道的标准二次谐波信号以及参考通道信号最大值Sref和测量通道的标准二次谐波信号，以及测量通道信号最大值Sgas；
步骤5：计算探测通道的气体浓度
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行上述方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
为了验证本发明所述方法的效果，本例利用所建立的二次谐波拟合气体检测系统进行实验，本发明的设置调制信号发生器输出调制频率为20KHz，嵌入式处理器采集频率为800KHz，测量通路路采用10m的多次反射池，在反射池内密封浓度约为200ppm的二氧化碳进行测量。利用本发明所述方法拟合前后结果图如图3所示，拟合后消除了基线漂移和波形形变，得到标准的二次谐波信号。为进一步验证本发明所述方法对浓度反演计算中的准确性影响，对固定浓度200ppm的二氧化碳进行连续测量。测量结果如图4示，展宽修正后标准差为0.0455，未考虑展宽影响的标准差为0.0104，实验结果证明了本发明提供的方法能在有效消除二次谐波信号基线漂移和波形变形，有效提高气体浓度测量的准确性，提高了系统的稳定性。
Claims (3)
1.一种二次谐波信号的非线性拟合的气体浓度检测方法，其特征在于，是应用于由激光光源、温度与电流控制器、调制信号发生器、参考通道、测量通道、光电探测器、锁相放大器，嵌入式处理器所构成的气体检测系统中；其中，参考通道内通入已知浓度为Nref的气体；
所述调制信号发生器产生调制信号对所述激光光源进行波长调制，同时激光光源在所述温度与电流控制器驱动下，激发出调制后的激光光束并分为两路，第一路经过所述参考通道后到达所述光电探测器，所述光电探测器输出第一路光电信号至所述锁相放大器，并产生参考通道在第i个采样位置下的二次谐波信号yref(i)；
第二路经过所述测量通道后到所述达光电探测器，所述光电探测器输出第二路光电信号至所述锁相放大器，并产生测量通道在第i个采样位置下的二次谐波信号ygas(i)；所述嵌入式处理器按如下过程对yref(i)与ygas(i)进行非线性拟合：
步骤1：根据洛伦兹线型，利用式(1)构造二次谐波信号的洛伦兹函数模型yL(γL,v0,m,v)：
式(1)中，γL为洛伦兹展宽全高半宽，v0为二次谐波信号的最大值所对应的吸收中心位置，m为调制系数，v为二次谐波信号的频率序列，为洛伦兹展宽归一化调制系数，/>为洛伦兹展宽归一化频率；M为第一调制频率因数，且/>R为第二调制频率因子，且/>
利用式(2)构造二次谐波信号的Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)：
式(2)中，*表示卷积，γG为碰撞展宽全高半宽；
利用式(3)得到二次谐波信号的函数表达式y2f(v)：
y2f(v)＝NS(T)PLyV (3)
式(3)中，N为气体浓度，T表示温度，S(T)为吸收线强，P为测量压力，L为有效光程；
步骤3：对yref(i)进行拟合：
初始化Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)对参考通道的四个参数，包括：初始化γL为yref(i)的半高全宽值的Δ倍；Δ∈(0.5,1)；初始化γG＝γL；初始化v0为yref(i)的最大值对应的序列位置；初始化m为yref(i)的波峰与波谷的比值；
采用Levenberg-Marquardt算法并结合Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)，对yref(i)进行最小二乘非线性拟合，得到参考通道拟合后的四个参数的最佳拟合值(γL-fit,γG-fit,v0-fit,mfit)ref；其中，γL-fit表示拟合后的洛伦兹展宽全高半宽，γG-fit表示拟合后的碰撞展宽全高半宽，v0-fit表示拟合后的吸收中心位置，mfit表示拟合后的调制系数；
步骤4：对ygas(i)进行拟合：
初始化Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)对测量通道的四个参数，包括：初始化γL为ygas(i)的半高全宽值的Δ倍；Δ∈(0.5,1)；初始化γG＝γL；初始化v0为ygas(i)的最大值对应的序列位置；初始化m为ygas(i)的波峰与波谷的比值；
采用Levenberg-Marquardt算法并结合Voigt函数模型yV(γL,γG,v0,m,v)，对ygas(i)进行最小二乘非线性拟合，得到测量通道拟合后的四个参数的最佳拟合值(γ′L-fit,γ′G-fit,v′0-fit,m′fit)gas；其中，γ′L-fit表示拟合后的洛伦兹展宽全高半宽，γ′G-fit表示拟合后的碰撞展宽全高半宽，v′0-fit表示拟合后的吸收中心位置，m′fit表示拟合后的调制系数；
步骤4：分别将参考通道和测量通道拟合后的四个参数的最佳拟合参数(γL-fit,γG-fit,v0-fit,mfit)ref与(γ′L-fit,γ′G-fit,v′0-fit,m′fit)gas带入式(3)中，相应得到参考通道的二次谐波最大值Sref和测量通道的二次谐波最大值Sgas；
步骤5：计算探测通道的气体浓度
2.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1所述气体浓度检测方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
3.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1所述气体浓度检测方法的步骤。
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