CN118130400A - 一种基于解广义逆矩阵的doas系统气体浓度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱技术领域，提供一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，包括：(1)获取背景光谱数据和标称浓度光谱数据；(2)利用DOAS数学模型获取待测气体向量和干扰气体向量；(3)利用光谱仪获取待测气体的光谱数据；(4)将待测气体的光谱数据与背景光谱数据比对进行漂移补偿；(5)利用待测气体向量和待测气体的光谱数据计算待测气体的浓度。本发明通过DOAS数学模型获取待测气体向量和干扰气体向量，直接利用气体向量和干扰补偿系数即可求得从而准确反演待测物中待测气体的浓度，本方法相对传统算法来说，步骤更简单，设计到的数据处理较少，更加适合系统的调试和批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，特别涉及一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度测量方法。
背景技术
DOAS系统包含一个光源发射器(氘灯或氙灯)，发出经过准直的光束，一个接收系统，收集被衰减的光束，一个光谱仪，一个单通道扫描或多通道扫描光探测系统和一台用于硬件控制、数据采集和处理的计算机。光源发出的光经发射器准直，通过被监测的烟气，被光程另一端的接收器接收，接收器接收到的光通过光纤送入分析仪器，分析仪器包括高品质的光谱仪、计算机以及联合控制系统。光谱仪利用光栅将接收到的光分成窄带光谱，带有狭缝的扫描装置对窄带光谱进行快速扫描。扫描后的光谱进入探测器，被转换为模拟信号，经A/D转换送入计算机进行处理。大量的扫描结果就形成了相应波段的光谱图。DOAS就是根据光谱图中包含的被监测光程中污染气体的吸收特性求解它们各自的浓度。
但气体浓度测量的步骤较多，数据处理复杂，在DOAS系统的调试和生产上耗时较多。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，包括：
(1)获取背景光谱数据和标称浓度光谱数据；
(2)利用DOAS数学模型获取待测气体向量和干扰气体向量；
(3)利用光谱仪获取待测气体的光谱数据；
(4)将待测气体的光谱数据与背景光谱数据比对进行漂移补偿；
(5)利用待测气体向量和待测气体的光谱数据计算待测气体的浓度。
进一步的，步骤(2)中获取向量的具体步骤为：
假设待测气体为两种，分别为气体E和气体F，干扰气体为气体G；
an为通入的标定浓度气体E的全光谱吸光度，bn为通入标定浓度气体F的全光谱吸光度，cn为通入标定浓度气体G的全光谱吸光度；
气体光谱联立方程组如下
转换为矩阵表示为：
由于气体E只有在特定波长有吸收，计算气体E转换公式时选取光谱的n～m点做计算，则式1、式2被替换为；
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Xn，即为气体F和G和对气体E的干扰补偿系数；matlab函数为pinv(E)，气体E的向量为/>同理p～q区间的气体F光谱，则有
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Yp，即为气体E和G和对气体F的干扰补偿系数；matlab函数为pinv(F)，气体F的向量为/>u～v区间的气体G光谱，则有
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Yu，即为气体E和F和对气体G的干扰补偿系数；
matlab函数为pinv(G)，气体G的向量为/>
进一步的，步骤(4)中漂移补偿是通过对待测气体的光谱的横向补偿，使待测气体的光谱的特征峰峰值与背景光谱的特征峰峰值重合。
进一步的，待测气体的浓度的计算式分别为：
Conc.E＝(an an+1… am)*Xn
Conc.F＝(bp bp+1… bq)*Yp。
进一步的，当测得的待测气体的浓度为非线性，则需要将待测气体的浓度与标称浓度进行非线性拟合。
进一步的，当测得的待测气体的浓度小于阈值N时，在该阈值N内的数据M按照M＝M*M/N进行处理。
进一步的，在进行步骤(5)前还需要对获取的背景光谱数据进行校验，具体通过计算零点浓度。
本发明具有以下有益效果：
本发明应用于在紫外至可见光波段(200nm到500nm)使用光谱技术测量气体浓度，通过测量氙灯通过待测物后的吸收光谱，通过DOAS数学模型获取待测气体向量和干扰气体向量，直接利用气体向量和干扰补偿系数即可求得从而准确反演待测物中待测气体的浓度，本方法相对传统算法来说，步骤更简单，设计到的数据处理较少，更加适合系统的调试和批量化生产。通过上述技术手段，可以快速检测多个气体组分的浓度的技术问题，实现了多组分气体的同时测量，有效提高了检测效率和检测准确率同时也降低了测量成本。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述，应当指出的是，实施例只是对发明的具体阐述，不应视为对发明的限定，实施例的目的是为了让本领域技术人员更好地理解和再现本发明的技术方案，本发明的保护范围仍应当以权利要求书所限定的范围为准。
如图1所示，本发明提供一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，包括：
S1，获取背景光谱数据和标称浓度光谱数据；
S2，利用DOAS数学模型获取待测气体向量和干扰气体向量；
假设确定待测气体为NO和NO2，干扰气体为SO2；
an为通入的标定浓度气体NO的全光谱吸光度，bn为通入标定浓度气体NO2的全光谱吸光度，cn为通入标定浓度气体SO2的全光谱吸光度；
气体光谱联立方程组如下
转换为矩阵表示为：
由于NO只有在特定波长有吸收，计算气体NO转换公式时选取光谱的n～m点做计算，则式1、式2被替换为；
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Xn，即为NO2和SO2和对NO的干扰补偿系数；
matlab函数为pinv(E)，NO的向量为/>
同理p～q区间的NO2光谱，则有
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Yp，即为气体NO和SO2和对NO2的干扰补偿系数；
matlab函数为pinv(F)，NO2的向量为/>
u～v区间的SO2光谱，则有
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Yu，即为气体NO和NO2和对气体SO2的干扰补偿系数；
matlab函数为pinv(G)，SO2的向量为/>
S3，利用光谱仪获取待测气体的光谱数据；
S4，将待测气体的光谱数据与背景光谱数据比对进行漂移补偿，漂移补偿是通过对待测气体的光谱的横向补偿，使待测气体的光谱的特征峰峰值与背景光谱的特征峰峰值重合。
在一些优选方案中，在进行步骤S5前还需要对获取的背景光谱数据进行校验，具体通过计算零点浓度，假设通过NO进行校验，则利用NO的零点的吸光度乘以(an an+1… am)，得到的零点浓度与已知的标准的浓度是否一致。
其计算式为：零点的吸光度乘向量。
S5，利用待测气体向量和待测气体的光谱数据计算待测气体的浓度，计算式分别为：
Conc.E＝(an an+1… am)*Xn
Conc.F＝(bp bp+1… bq)*Yp。
在一些优选方案中，当测得的待测气体的浓度为非线性，则需要将待测气体的浓度与标称浓度进行非线性拟合。
在一些优选方案中，当测得的待测气体的浓度小于阈值N时，在该阈值N内的数据M按照M＝M*M/N进行处理，其中N是一个很小的值，例如为1或2。
本发明仅需要通过DOAS数学模型获取待测气体向量和干扰气体向量，直接利用气体向量和干扰补偿系数即可求得从而准确反演待测物中NO和NO2的浓度，本方法相对传统算法来说，步骤更简单，设计到的数据处理较少，更加适合系统的调试和批量化生产。同时可以快速检测多个气体组分的浓度的技术问题，实现了多组分气体的同时测量，有效提高了检测效率和检测准确率同时也降低了测量成本。
需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过任一现有技术实现。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
Claims (7)
1.一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，其特征在于，包括：
(1)获取背景光谱数据和标称浓度光谱数据；
(2)利用DOAS数学模型获取待测气体向量和干扰气体向量；
(3)利用光谱仪获取待测气体的光谱数据；
(4)将待测气体的光谱数据与背景光谱数据比对进行漂移补偿；
(5)利用待测气体向量和待测气体的光谱数据计算待测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，其特征在于，步骤(2)中获取向量的具体步骤为：
假设待测气体为两种，分别为气体E和气体F，干扰气体为气体G；
an为通入的标定浓度气体E的全光谱吸光度，bn为通入标定浓度气体F的全光谱吸光度，cn为通入标定浓度气体G的全光谱吸光度；
气体光谱联立方程组如下
转换为矩阵表示为：
由于气体E只有在特定波长有吸收，计算气体E转换公式时选取光谱的n～m点做计算，则式1、式2被替换为；
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Xn，即为气体F和G和对气体E的干扰补偿系数；matlab函数为pinv(E)，气体E的向量为/>
同理p～q区间的气体F光谱，则有
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Yp，即为气体E和G和对气体F的干扰补偿系数；matlab函数为pinv(F)，气体F的向量为/>
u～v区间的气体G光谱，则有
两边除以标定浓度：令
使用最小二乘法求最优解Yu，即为气体E和F和对气体G的干扰补偿系数；
matlab函数为pinv(G)，气体G的向量为/>
3.根据权利要求1所述的一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，其特征在于，步骤(4)中漂移补偿是通过对待测气体的光谱的横向补偿，使待测气体的光谱的特征峰峰值与背景光谱的特征峰峰值重合。
4.根据权利要求1所述的一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，其特征在于，待测气体的浓度的计算式分别为：
Conc.E＝(an an+1…am)*Xn
Conc.F＝(bp bp+1…bq)*Yp。
5.根据权利要求1所述的一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，其特征在于，当测得的待测气体的浓度为非线性，则需要将待测气体的浓度与标称浓度进行非线性拟合。
6.根据权利要求1所述的一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，其特征在于，当测得的待测气体的浓度小于阈值N时，在该阈值N内的数据M按照M＝M*M/N进行处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于解广义逆矩阵的DOAS系统气体浓度的反演方法，其特征在于，在进行步骤(5)前还需要对获取的背景光谱数据进行校验。
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