CN116879227A - 一种基于激光光谱的快速气体反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光光谱的快速气体反演方法，是以n个周期的光谱信号作为一个窗口，归一化减少基线噪声；然后利用快速封闭式近似迭代拟合，考虑归一化信号的峰值、谱线宽度、面积作为迭代结束的判断，在保证迭代的准确性的同时，提高迭代速度；接着，对积分吸光度的和来进一步处理，以消除仪器受到的外界干扰与随机噪声影响，从而能提高检测精度。本发明能有效的降低扰动，快速进行光谱信息浓度反演，既减少了气体浓度反演时间，又提高了检测精度。

Description

一种基于激光光谱的快速气体反演方法

技术领域

本发明涉及环境光学领域，具体的说是针对激光吸收光谱气体检测时，快速进行浓度反演，并减少波动，提出的一种基于激光光谱的快速气体反演方法。

背景技术

激光吸收光谱技术利用分子光谱的“指纹”特征，通过获取被测气体对特征吸收光谱的吸收信息，实现对气体浓度的定量分析，具有高光谱分辨率、高灵敏度和良好选择性等特点，已经成为痕量气体快速、在线分析的有效方法之一。

在进行激光吸收光谱气体浓度反演时，检测信号的波形容易受到外界干扰，直接进行气体浓度反演会影响检测系统的检测精度。传统的方法都是通过基线拟合的方法来消除干扰噪声和系统噪声的影响，再通过Levenberg-Marquardt算法、回归方程等方法进行线型拟合来计算检测信号的积分吸光度。然而这些方法都增加了检测系统的复杂性，使得气体浓度反演的过程更加繁琐，耗时较长，且对外界干扰噪声的减低效果不尽如人意。

发明内容

鉴于现有技术方法存在的不足，本发明提出一种基于激光光谱的快速气体反演方法，以期能有效的降低扰动，并能快速地进行光谱信息浓度反演，从而既能减少气体浓度反演时间，又能提高检测精度。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

本发明一种基于激光光谱的快速气体反演方法的特点在于，是按如下步骤进行：

步骤1.将激光器发出的光进行分束后，得到参考光路与探测光路；

将所述参考光路的信号序列记为{y^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}、所述探测光路的信号序列记为{T^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}，其中，y^k(m)表示第k个周期下第m位置的参考光路信号，T^k(m)表示第k个周期下第m位置的探测光路信号，n表示一个窗口周期总和，N表示数据点总和；

步骤2.选取所述探测光路的信号序列{T^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}中的无吸收区域的探测光路信号其中，/>表示第k个周期第m'位置下无吸收区域的探测光路信号；

利用式(1)对无吸收区域的探测光路信号进行拟合，得到探测光路基线信号/>

式(1)中，表示第k个周期第m位置下探测光路基线信号，/>为第k个周期下的4个拟合系数，ε^k为第k个周期下的残差平方和；

步骤3.利用式(2)进行归一化处理，得到探测光路的归一化信号{G^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}：

式(2)中，G^k(m)表示第k个周期第m位置下探测光路的归一化信号；

步骤4.利用式(3)对探测光路的归一化信号{G^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}进行快速封闭式近似迭代拟合，从而确定4个参数A^k并得到线型函数，其中，/>表示第k个周期下峰值处对应的频率，/>表示第k个周期下高斯线型的半高全宽，/>表示第k个周期下洛仑兹线型的半高全宽，A^k表示第k个周期下的积分吸光度；

式(3)中，g(m)为第m位置下的封闭式运算函数；f(·)为封闭式重构模型函数；

步骤5.利用线型函数，计算探测光路的积分吸光度{A′^k|k＝1,2,…,n}；其中，A′^k表示第k个周期下的探测光路的积分吸光度；

步骤6.利用式(4)得到一个窗口内探测光路的积分吸光度和s_T；

步骤7.按照步骤2-步骤6的过程，对参考光路的信号序列{y^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}进行处理，从而得到参考光路的积分吸光度和s_y；

步骤8.利用式(5)分别对探测光路的积分吸光度和s_T与参考光路的积分吸光度和s_y进行反演，从而得到气体浓度C：

式(5)中，L_y为参考光路光程，L_T为探测光路光程，C_y为参考池的已知浓度。

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快速气体反演方法的程序，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快速气体反演方法的步骤。

与现有的技术相比较，本发明的有益效果体现在：

1.本发明利用快速封闭式近似迭代拟合，在不追求拟合的相关性的条件下，考虑归一化信号的峰值、谱线宽度、面积作为迭代结束的判断，从而保证了迭代的准确性，保证了检测精度。

2.本发明对归一化信号进行快速封闭式近似迭代拟合，来确定A^k等参数，从而提高了迭代速度，减少了气体浓度反演时间。

3.本发明利用n个周期的光谱信号作为一个窗口，对积分吸光度的和来进一步处理，能够消除仪器受到的外界干扰与随机噪声影响，从而提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明实施案例中的基于激光光谱的气体检测系统示意图；

图2本发明的一种基于激光光谱的快速气体反演方法的流程图。

具体实施方式

本实施例中，参见图1，气体检测系统包括：信号发生器1、激光控制器2、激光器3、光纤分束器4、准直器5、收发望远镜6、角反射器7、准直器8、标准气室9、光电探测器10、信号处理与采集模块11、显示模块12；

其中的激光控制器2控制激光器3的温度和电流，信号发生器1的输入信号调制激光器3的输出波长；

利用分束器4对激光器3发出的光进行分束，分别为参考光路与探测光路；

其中参考光路光束准直器8准直后，发送到标准气室9后聚焦到光电探测器10上；探测光路光束准直器5准直后通过收发望远镜6出射，经遥测大气被角反射器7按照同样路径返回后聚焦到收发望远镜6内的光电探测器上；

两路信号被发送到信号处理与采集模块11后进行分析和反演，最后在显示模块12上显示。

参见图2，本实施例中，一种基于激光光谱的快速气体反演方法，是按如下步骤进行：

步骤1.将激光器发出的光进行分束后，得到参考光路与探测光路；

将参考光路的信号序列记为{y^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}、探测光路的信号序列记为{T^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}，其中，y^k(m)表示第k个周期第m位置下的参考光路信号，T^k(m)表示第k个周期第m位置下的探测光路信号，n表示一个窗口周期总和，N表示数据点总和，m表示信号序列位置；

步骤2.选取探测光路的信号序列{T^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}中的无吸收区域的探测光路信号其中，/>表示第k个周期第m'位置下无吸收区域的探测光路信号；

利用式(1)对无吸收区域的探测光路信号进行拟合，得到探测光路基线信号/>

式(1)中，表示第k个周期第m位置下探测光路基线信号，/>为第k个周期下的4个拟合系数，ε^k为第k个周期下的残差平方和；

步骤3.利用式(2)进行归一化处理，得到探测光路的归一化信号{G^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}：

式(2)中，G^k(m)表示第k个周期第m位置下探测光路的归一化信号；

步骤4.利用式(3)对探测光路的归一化信号{G^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}进行快速封闭式近似迭代拟合，从而确定A^k参数，并得到线型函数，其中，/>表示第k个周期下峰值处对应的频率，/>表示第k个周期下高斯线型的半高全宽，/>表示第k个周期下洛仑兹线型的半高全宽，A^k表示第k个周期下的积分吸光度；

式(3)中，g(m)为第m位置下封闭式运算函数，m表示序列位置；为封闭式重构模型函数；

步骤5.利用线型函数，计算探测光路的积分吸光度{A′^k|k＝1,2,…,n}；其中，A′^k表示第k个周期下的探测光路的积分吸光度；

步骤6.利用式(4)得到一个窗口内探测光路的积分吸光度和s_T；

步骤7.按照步骤2-步骤6的过程，对参考光路的信号序列{y^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}进行处理，从而得到参考光路的积分吸光度和s_y；

步骤8.利用式(5)分别对探测光路的积分吸光度和s_T与参考光路的积分吸光度和s_y进行反演，从而得到气体浓度C：

式(5)中，L_y为参考光路光程，L_T为探测光路光程，C_y为参考池的已知浓度。

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。

Claims (3)

1.一种基于激光光谱的快速气体反演方法，其特征在于，是按如下步骤进行：

步骤1.将激光器发出的光进行分束后，得到参考光路与探测光路；

将所述参考光路的信号序列记为{y^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}、所述探测光路的信号序列记为{T^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}，其中，y^k(m)表示第k个周期下第m位置的参考光路信号，T^k(m)表示第k个周期下第m位置的探测光路信号，n表示一个窗口周期总和，N表示数据点总和；

步骤2.选取所述探测光路的信号序列{T^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}中的无吸收区域的探测光路信号其中，/>表示第k个周期第m'位置下无吸收区域的探测光路信号；

利用式(1)对无吸收区域的探测光路信号进行拟合，得到探测光路基线信号/>

式(1)中，T₀ ^k(m)表示第k个周期第m位置下探测光路基线信号，为第k个周期下的4个拟合系数，ε^k为第k个周期下的残差平方和；

步骤3.利用式(2)进行归一化处理，得到探测光路的归一化信号{G^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}：

式(2)中，G^k(m)表示第k个周期第m位置下探测光路的归一化信号；

步骤4.利用式(3)对探测光路的归一化信号{G^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}进行快速封闭式近似迭代拟合，从而确定4个参数并得到线型函数，其中，/>表示第k个周期下峰值处对应的频率，/>表示第k个周期下高斯线型的半高全宽，/>表示第k个周期下洛仑兹线型的半高全宽，A^k表示第k个周期下的积分吸光度；

式(3)中，g(m)为第m位置下的封闭式运算函数；f(·)为封闭式重构模型函数；

步骤5.利用线型函数，计算探测光路的积分吸光度{A′^k|k＝1,2,…,n}；其中，A′^k表示第k个周期下的探测光路的积分吸光度；

步骤6.利用式(4)得到一个窗口内探测光路的积分吸光度和s_T；

步骤7.按照步骤2-步骤6的过程，对参考光路的信号序列{y^k(m)|m＝1,2,…,N；k＝1,2,…,n}进行处理，从而得到参考光路的积分吸光度和s_y；

步骤8.利用式(5)分别对探测光路的积分吸光度和s_T与参考光路的积分吸光度和s_y进行反演，从而得到气体浓度C：

式(5)中，L_y为参考光路光程，L_T为探测光路光程，C_y为参考池的已知浓度。

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所述快速气体反演方法的程序，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所述快速气体反演方法的步骤。