CN117740728A - 基于l-m非线性拟合的tdlas气体测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于L‑M非线性拟合的TDLAS气体测量方法及系统，属于气体检测技术领域。本发明使用Levenberg‑Marquardt非线性拟合算法提取二次谐波峰值强度，并对拟合误差进行校正，实现排除现场工况干扰，获得准确吸收数据的目的，具备相应迅速，能有效提取二次谐波信号的吸收峰特征值，有效克服背景噪声影响，排除吸收过强带来的测量非线性的优点。

Description

基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法及系统

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法及系统。

背景技术

在工业生产中，管道内各项气体浓度的监测对生产效率和生产安全都十分重要。TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术的出现，为快速、准确监测管道内气体浓度提供了一种有效的手段。

激光气体分析仪就是采用了TDLAS技术，采用波长可调谐半导体激光器，通过对激光器注入扫描和调制电流，对激光进行调制，并让激光扫过目标吸收峰，激光通过待测气体后，由光电探测器将激光转换为电信号，经过电路解调放大得到二次谐波信；根据比尔-朗伯定律及其相关推导，二次谐波的峰值强度与气体浓度呈正比，因而可以反演出气体浓度信息。

由于在工业现场中，仪器工作环境一般比较恶劣，存在很多干扰；待测气体的背景气体组成复杂多样，待测气体的浓度根据工况不同，有时极低，有时过大。因此获取得到的二次谐波波形往往信噪比较差，或存在较为明显的非线性。

由于该问题的存在，通常需要在前期施工时提前考察现场，根据实际情况选择测量点位，有时无法找到合适的安装点位，应用受限。为此，提出基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法及系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何克服现有技术中存在的背景噪声对测量结果的影响，提供了基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：光源由发射单元发出测量激光，穿过待测气体，进入到接收单元；

S2：通过接收单元将激光信号转换成电信号，并对电信号进行解调，得到二次谐波信号；

S3：基于L-M非线性拟合算法，利用发射单元的信号处理组件，对二次谐波信号进行拟合，得到拟合后的峰值强度；

S4：将已知浓度气体的标准二次谐波峰值强度和待测气体所测量得到的二次谐波信号拟合后的峰值强度进行比对处理，获得气体浓度。

更进一步地，在所述步骤S1中，光源由发射单元中激光器组件发出，激光器组件为半导体激光器。

更进一步地，在所述步骤S2中，激光信号通过接收单元中的光电探测器组件转换为电信号。

更进一步地，在所述步骤S2中，提取二次谐波信号的具体过程如下：

S21：接收单元通过电探测器组件将光信号转换成电信号；

S22：接收单元通过滤波电路，在步骤S21中获得的电信号中提取出携带吸收信号的调制信号；

S23：接收单元通过加法电路，对步骤S22中获得的调制信号进行解调，得到二次谐波信号。

更进一步地，在所述步骤S3中，L-M非线性拟合算法通过反复迭代使目标函数取得最小值，进而求出待求参数最优解，目标函数如下：

其中，F(x)为Lorentz函数二阶导数的拟合值，y是二次谐波信号的实测值，x为拟合参数，包括峰值高度、峰值宽度和峰值中心位置三个参量。

更进一步地，在所述步骤S3中，所述L-M非线性拟合算法的迭代表达式为：

x_j+1＝x_j-(H+μI)^-1J^Tf

其中，j为迭代次数，J为x的雅克比矩阵，H＝J^TJ为Hessian矩阵，u为阻尼因子，u的初值表示为：

u₀＝τ·max(diag[J^T(x₀)J(x₀)])

其中，τ为常数，x₀为拟合参数的初值；

迭代过程中u的增减由下式决定：

其中，h_lm＝(H+μI)^-1J^Tf为迭代步长；

当ρ>δ时，u＝u·max{1/3,1-(2ρ-1)³}，v＝v₀；当ρ≤δ时，u＝v·u，v＝k·v₀，其中δ、v₀、k为常数，v大于1；

迭代终止条件为F(x)<ε，ε为常数。

更进一步地，在所述步骤S3中，具体处理过程如下：

S31：从步骤S2中获得的二次谐波信号中，读取吸收峰的峰值高度、峰值宽度和峰值中心三个参量；

S32：将步骤S31中读取的三个参量，输入L-M非线性拟合算法目标函数中的函数F(x)，得到Lorentz函数二阶导数的拟合值；

S33：将步骤S32中得到的F(x)与所述步骤S2中获得的二次谐波信号，输入L-M非线性拟合算法的迭代表达式进行迭代计算，在迭代过程中更新步骤S31中的三个参量；

S34：将步骤S33中迭代得到的三个参量，输入F(x)获得拟合后的Lorentz函数的二阶导数，并提取函数的峰值强度用于计算气体浓度。

本发明还提供了基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量系统，用于实现上述的TDLAS气体测量方法，包括：发射单元、接收单元；

发射单元包括发射端外壳、发射端外筒、信号处理组件、激光器组件、准直镜组件和楔形窗片组件，激光器组件、准直镜组件安装在发射端外筒内部，所述发射端外壳连接在发射端外筒的一端，楔形窗片组件连接在发射端外筒的另一端，信号处理组件与激光器组件通信连接；激光器组件发出一束调制的激光，经过准直镜组件、楔形窗片组件射出，穿过待测气体，L-M非线性拟合算法内置于信号处理组件中；

接收单元包括接收端外壳、接收端外筒、楔形窗片组件、聚焦镜组件、光电探测器组件、信号接收组件等，光电探测器组件与聚焦镜组件安装在接收端外筒内部，接收端外壳连接在接收端外筒的一端，楔形窗片组件连接在接收端外筒的另一端，光电探测器组件与信号接收组件通信连接；激光穿过待测气体后，经过楔形窗片组件、聚焦镜组件通过光电探测器组件探测；信号接收组件将激光信号转换成电信号，并对电信号进行解调，得到二次谐波信号。

本发明相比现有技术具有以下优点：该基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法及系统，使用Levenberg-Marquardt非线性拟合算法提取二次谐波峰值强度，并对拟合误差进行校正，实现排除现场工况干扰，获得准确吸收数据的目的，具备相应迅速，能有效提取二次谐波信号的吸收峰特征值，有效克服背景噪声影响，排除吸收过强带来的测量非线性的优点。

附图说明

图1是本发明基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法的流程示意图；

图2是本发明实施例二中实验装置的结构示意图；

图3是本发明实施例二中气体浓度为0％时测得的二次谐波信号图；

图4(a)是本发明实施例二中氧气浓度为1％时提取的二次谐波信号与进行非线性Levenberg–Marquardt拟合的结果对比图；

图4(b)是本发明实施例二中氧气浓度为10％时提取的二次谐波信号与进行非线性Levenberg–Marquardt拟合的结果对比图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供了一种基于L-M非线性拟合算法的TDLAS气体测量系统，适用于原位式/抽取式激光气体分析仪，原位式/抽取式激光气体分析仪包括发射单元、接收单元。

在本实施例中，发射单元包括：发射端外壳、发射端外筒、信号处理组件、激光器组件、准直镜组件和楔形窗片组件，激光器组件、准直镜组件安装在发射端外筒内部，激光器组件与准直镜保证一定的相对位置，且相对位置可调，所述发射端外壳连接在发射端外筒的一端，楔形窗片组件连接在发射端外筒的另一端，信号处理组件与激光器组件通信连接。

作为更具体的，激光器组件发出一束调制的激光，经过准直镜组件、楔形窗片组件射出，穿过待测气体。

作为更具体的，激光器组件为半导体激光器。

在本实施例中，接收单元包括：接收端外壳、接收端外筒、楔形窗片组件、聚焦镜组件、光电探测器组件、信号接收组件等，光电探测器组件与聚焦镜组件安装在接收端外筒内部，接收端外壳连接在接收端外筒的一端，楔形窗片组件连接在接收端外筒的另一端，光电探测器组件与信号接收组件通信连接。

作为更具体的，激光穿过待测气体后，经过楔形窗片组件、聚焦镜组件通过光电探测器组件探测。

作为更具体的，信号接收组件将激光信号转换成电信号，并对信号进行解调，得到二次谐波信号。

在本实施例中，L-M非线性拟合算法搭载在信号处理组件中，可以做到对模拟信号进行高速实时采样、对信号进行数字滤波、根据特征值对二次谐波信号进行非线性拟合、根据拟合结果对数据进行校正。

在背景比较复杂的条件下，为了较准确地提取低浓度二次谐波信号的峰值，本实施例中采用Levenberg-Marquardt(L-M)算法，拟合信号的线形。

由于在常温、常压下，待测气体的吸收峰的峰形满足Lorentz线形，而Lorentz线形的二阶导数与系统检测的二次谐波线信号形一致，特别峰形的宽度完全一致，这对气体由于温度、压强引起的展宽补偿十分重要。

Levenberg-Marquart算法是一种迭代法，它是通过反复迭代使目标函数取得最小值，进而求出待求参数最优解，目标函数如下：

其中，x为待求参数(拟合参数)，算法的迭代表达式为：

x_j+1＝x_j-(H+μI)^-1J^Tf

其中，j为迭代次数，J为x的雅克比矩阵，H＝J^TJ为Hessian矩阵，u为阻尼因子，u的初值可表示为：

u₀＝τ·max(diag[J^T(x₀)J(x₀)])

其中，τ为常数，x₀为拟合参数的初值。迭代过程中，u的增减由下式决定：

其中，h_lm＝(H+μI)^-1J^Tf为迭代步长；

当ρ>δ时，u＝u·max{1/3,1-(2ρ-1)³}，v＝v₀；当ρ≤δ时，u＝v·u，v＝k·v₀，其中δ、v₀、k为常数，v一般大于1。

迭代终止条件为F(x)<ε，ε为常数。

对于目标函数公式，本实施例中F(x)指Lorentz函数二阶导数的拟合值，y是二次谐波信号的实测值，待拟合的x分别有峰值高度、峰值宽度和峰值中心位置三个参量，将迭代后得到的三个参量输入F(x)得到最接近二次谐波实测值的拟合值，从拟合值中提取峰值强度与实测值中获取的峰值强度进行比对处理，获得气体浓度。

实施例二

本实施例还提供了一种实验装置，用于对上述的系统的检测效果进行验证，装置整体结构如图2所示。

由于Levenberg–Marquardt非线性迭代拟合算法需要大量的计算。研制仪器采用了DSP的C28系列MCU作为主控、计算芯片，DSP芯片支持浮点库运算，有很强的数据处理能力，完全能够支持Levenberg–Marquardt非线性迭代拟合算法，每秒钟能完成数次迭代计算，能够满足工业现场实时监测的需求。

利用图2所示实验装置，先对二次谐波进行放大、提取，然后再对信号进行时间平均滤波和谱线平滑滤波处理，由于处理后的信号还受到光学干涉条纹、电路噪声影响，为了准确提取二次谐波信号，利用L-M非线性拟合算法获得峰值强度，再将已知浓度气体的标准二次谐波的峰值强度和待测气体所测量的二次谐波信号的峰值强度进行比对处理，获得气体浓度。

当气体浓度为0％时，所测得的二次谐波信号如图3所示，此时的信号代表基线噪声，在进行其它浓度的氧气测量时需要减去该噪声信号。由于是噪声信号，因此该信号无需利用非线性Levenberg–Marquardt拟合。

从图4(a)、图4(b)可以看出，拟合后的线形能够反映原信号整体趋势，有效滤除干扰信号，减少噪声，克服背景起伏对信号造成的影响。

综上所述，上述实施例的基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量系统，使用Levenberg-Marquardt非线性拟合算法提取二次谐波峰值强度，并对拟合误差进行校正，实现排除现场工况干扰，获得准确吸收数据的目的，具备相应迅速，能有效提取二次谐波信号的吸收峰特征值，有效克服背景噪声影响，排除吸收过强带来的测量非线性的优点。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：光源由发射单元发出测量激光，穿过待测气体，进入到接收单元；

S2：通过接收单元将激光信号转换成电信号，并对电信号进行解调，得到二次谐波信号；

S3：基于L-M非线性拟合算法，利用发射单元的信号处理组件，对二次谐波信号进行拟合，得到拟合后的峰值强度；

S4：将已知浓度气体的标准二次谐波峰值强度和待测气体所测量得到的二次谐波信号拟合后的峰值强度进行比对处理，获得气体浓度。

2.根据权利要求1所述的基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中，光源由发射单元中激光器组件发出，激光器组件为半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，激光信号通过接收单元中的光电探测器组件转换为电信号。

4.根据权利要求1所述的基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，提取二次谐波信号的具体过程如下：

S21：接收单元通过电探测器组件将光信号转换成电信号；

S22：接收单元通过滤波电路，在步骤S21中获得的电信号中提取出携带吸收信号的调制信号；

S23：接收单元通过加法电路，对步骤S22中获得的调制信号进行解调，得到二次谐波信号。

5.根据权利要求4所述的基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法，其特征在于，在所述步骤S3中，L-M非线性拟合算法通过反复迭代使目标函数取得最小值，进而求出待求参数最优解，目标函数如下：

其中，F(x)为Lorentz函数二阶导数的拟合值，y是二次谐波信号的实测值，x为拟合参数，包括峰值高度、峰值宽度和峰值中心位置三个参量。

6.根据权利要求5所述的基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述L-M非线性拟合算法的迭代表达式为：

x_j+1＝x_j-(H+μI)^-1J^Tf

其中，j为迭代次数，J为x的雅克比矩阵，H＝J^TJ为Hessian矩阵，u为阻尼因子，u的初值表示为：

u₀＝τ·max(diag[J^T(x₀)J(x₀)])

其中，τ为常数，x₀为拟合参数的初值；

迭代过程中u的增减由下式决定：

其中，h_lm＝(H+μI)^-1J^Tf为迭代步长；

当ρ>δ时，u＝u·max{1/3,1-(2ρ-1)³}，v＝v₀；当ρ≤δ时，u＝v·u，v＝k·v₀，其中δ、v₀、k为常数，v大于1；

迭代终止条件为F(x)<ε，ε为常数。

7.根据权利要求6所述的基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量方法，其特征在于，在所述步骤S3中，具体处理过程如下：

S31：从步骤S2中获得的二次谐波信号中，读取吸收峰的峰值高度、峰值宽度和峰值中心三个参量；

S32：将步骤S31中读取的三个参量，输入L-M非线性拟合算法目标函数中的函数F(x)，得到Lorentz函数二阶导数的拟合值；

S33：将步骤S32中得到的F(x)与所述步骤S2中获得的二次谐波信号，输入L-M非线性拟合算法的迭代表达式进行迭代计算，在迭代过程中更新步骤S31中的三个参量；

S34：将步骤S33中迭代得到的三个参量，输入F(x)获得拟合后的Lorentz函数的二阶导数，并提取函数的峰峰值用于计算气体浓度。

8.基于L-M非线性拟合的TDLAS气体测量系统，其特征在于，用于实现如权利要求7所述的TDLAS气体测量方法，包括：发射单元、接收单元；

发射单元包括发射端外壳、发射端外筒、信号处理组件、激光器组件、准直镜组件和楔形窗片组件，激光器组件、准直镜组件安装在发射端外筒内部，所述发射端外壳连接在发射端外筒的一端，楔形窗片组件连接在发射端外筒的另一端，信号处理组件与激光器组件通信连接；激光器组件发出一束调制的激光，经过准直镜组件、楔形窗片组件射出，穿过待测气体，L-M非线性拟合算法内置于信号处理组件中；

接收单元包括接收端外壳、接收端外筒、楔形窗片组件、聚焦镜组件、光电探测器组件、信号接收组件等，光电探测器组件与聚焦镜组件安装在接收端外筒内部，接收端外壳连接在接收端外筒的一端，楔形窗片组件连接在接收端外筒的另一端，光电探测器组件与信号接收组件通信连接；激光穿过待测气体后，经过楔形窗片组件、聚焦镜组件通过光电探测器组件探测；信号接收组件将激光信号转换成电信号，并对电信号进行解调，得到二次谐波信号。