免標(biāo)定調(diào)制光譜的實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜，采用適應(yīng)惡劣環(huán)境的波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，提供了一種免標(biāo)定調(diào)制光譜的實(shí)現(xiàn)方法，該方法包含數(shù)字鎖相信號(hào)解調(diào)步驟、調(diào)制光譜仿真步驟和測(cè)量參數(shù)提取步驟。其具體內(nèi)容是，利用數(shù)字鎖相算法對(duì)光電信號(hào)解調(diào)得到其諧波信號(hào)；通過準(zhǔn)確的理論計(jì)算得到諧波信號(hào)的仿真數(shù)據(jù)庫(kù)；結(jié)合諧波信號(hào)和仿真數(shù)據(jù)庫(kù)提取流場(chǎng)速度、溫度和組分濃度。
【專利說(shuō)明】免標(biāo)定調(diào)制光譜的實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及信號(hào)處理與數(shù)值仿真等方法，是針對(duì)氣相分子的吸收光譜測(cè)量開發(fā)的通用、可靠測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)測(cè)量技術(shù)在科研實(shí)驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和燃燒場(chǎng)診斷等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。吸收光譜在理論上需要同時(shí)測(cè)量吸收前和吸收后的光強(qiáng)信息才能獲得分子的吸收信息。在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用參考光束或函數(shù)擬合等方法確定吸收前的光強(qiáng)，即光譜基線。這些方法難以獲得準(zhǔn)確的光譜基線信息。此外，調(diào)制方法雖然能明顯的提高測(cè)量信號(hào)的信噪比，但是調(diào)制光譜的信號(hào)強(qiáng)度與調(diào)制深度、譜線線型和強(qiáng)度調(diào)制等多方面的因素相關(guān)，因此調(diào)制光譜的定量測(cè)量也一直存在困難。
[0003]美國(guó)斯坦福大學(xué)K.H.Lyle, R.K.Hanson等人，曾利用調(diào)制光譜來(lái)增強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道氧氣吸收光譜測(cè)量的信噪比。由于未在理論上解決調(diào)制光譜強(qiáng)度與線型函數(shù)間的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，此處僅用光譜峰的中心位置來(lái)測(cè)量速度，濃度的測(cè)量則是通過直接吸收光譜實(shí)現(xiàn)的。此后，G.B.Rieker從理論上分析了波長(zhǎng)調(diào)制光譜測(cè)量的原理，給出了諧波信號(hào)的表達(dá)式，著重分析了測(cè)量可能的誤差來(lái)源。研究顯示利用If信號(hào)歸一化2f信號(hào)之后，借助準(zhǔn)確的理論仿真可實(shí)現(xiàn)任意壓力、濃度和溫度條件下的測(cè)量。驗(yàn)證了水分子和二氧化碳濃度和燃燒場(chǎng)溫度的測(cè)量結(jié)果，顯示波長(zhǎng)調(diào)制光譜較之直接吸收光譜信噪比提高約4倍。該文獻(xiàn)并未提出詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方法，僅討論了調(diào)制光譜測(cè)量的可行性。
[0004]南京理工大學(xué)李寧等人，采用仿真的方法得到諧波信號(hào)理論值，利用二次諧波峰谷比來(lái)消除初始光強(qiáng)和探測(cè)器增益對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響。因?yàn)椴ǚ搴筒ü仍跁r(shí)間上不是同時(shí)出現(xiàn)的，當(dāng)測(cè)量過程中初始光強(qiáng)波動(dòng)時(shí)，波峰、波谷對(duì)應(yīng)的初始光強(qiáng)不相同，不能消除其對(duì)信號(hào)的影響。另外，該方法必需掃描得到完整的諧波信號(hào)才能提取波峰和波谷信息，對(duì)于譜線加寬嚴(yán)重或者出現(xiàn)重疊時(shí)，往往難以實(shí)現(xiàn)。清華大學(xué)熱能工程系車璐等人，研究了利用奇數(shù)次諧波信號(hào)重建吸收譜線型。通過對(duì)吸收線型進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)和泰勒級(jí)數(shù)分析，得到線型函數(shù)與奇數(shù)次諧波的關(guān)系，并在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證了氨氣的濃度測(cè)量。該方法中，諧波信號(hào)的強(qiáng)度仍與初始光強(qiáng)相關(guān)。初始光強(qiáng)雖然可以預(yù)先測(cè)量，但是在干擾嚴(yán)重的環(huán)境下，諸多非吸收因素導(dǎo)致的衰減致使初始光強(qiáng)在測(cè)量過程中出現(xiàn)明顯的變化，此時(shí)測(cè)量結(jié)果將出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差。因此該方法并未真正實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定測(cè)量，只能在實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(tunable diode laser absorptionspectroscopy, TDLAS)技術(shù)，提供一種免標(biāo)定調(diào)制光譜測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法，不僅利用了調(diào)制光譜的優(yōu)勢(shì)，而且從理論上解決了光譜基線提取的問題，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的免標(biāo)定測(cè)量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明提供了一種免標(biāo)定調(diào)制光譜的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的真正意義上的免標(biāo)定測(cè)量。包括:[0007]步驟一、數(shù)字鎖相信號(hào)解調(diào)步驟；
[0008]步驟二、調(diào)制光譜仿真步驟；
[0009]步驟三、測(cè)量參數(shù)提取步驟；
[0010]其特征在于:
[0011]步驟一的數(shù)字鎖相信號(hào)解調(diào)步驟包括:(1)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀取探測(cè)光電信號(hào)、采樣率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L ; (2)根據(jù)調(diào)制頻率f、采樣率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L，生成解調(diào)用的參考信號(hào)，包括一倍頻正弦和余弦信號(hào)，以及二倍頻正弦和余弦信號(hào)；(3)將一倍頻正弦、余弦信號(hào)和二倍頻正弦、余弦信號(hào)分別與載波信號(hào)相乘，得到四路混頻信號(hào)；(4)根據(jù)采樣頻率、低通截止頻率和濾波階次，創(chuàng)建低通濾波算法；(5)將得到的四路混頻信號(hào)分別經(jīng)過數(shù)字濾波器運(yùn)算，得到一次諧波信號(hào)的X分量(Xlf)和Y分量(Ylf)，以及二次諧波的X分量(X2f)和Y分量(Y2f)，并分別計(jì)算R量；
[0012]步驟二的調(diào)制光譜仿真步驟包括:(I)根據(jù)一定條件下的譜線參數(shù)進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算，得到線型函數(shù)；(2)根據(jù)實(shí)測(cè)條件下的激光參數(shù)和計(jì)算得到的線型函數(shù)，計(jì)算諧波信號(hào)；(3)通過計(jì)算不同譜線參數(shù)對(duì)應(yīng)的諧波信號(hào)，得到仿真數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0013]步驟三的測(cè)量參數(shù)提取步驟包括:(1)提取諧波信號(hào)的多普勒頻移量，并計(jì)算流場(chǎng)速度；(2)通過提取諧波信號(hào)的最大值來(lái)獲得諧波信號(hào)的高度值；(3)通過迭代算法，對(duì)比仿真諧波信號(hào)的高度值和實(shí)驗(yàn)諧波信號(hào)的高度值，求解流場(chǎng)的溫度和組分濃度。
[0014]本發(fā)明利用獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理方法和準(zhǔn)確的數(shù)值仿真，解決了調(diào)制光譜定量測(cè)量的問題。由于算法功能齊全，簡(jiǎn)化了測(cè)量硬件的需求，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0015](I)數(shù)字鎖相信號(hào)解調(diào)部分不僅替代了鎖相放大器，而且拓展了其功能。數(shù)字鎖相算法實(shí)現(xiàn)了載波與參考信號(hào)混頻和低通濾波等鎖相放大器的全部功能，還有硬件不能實(shí)現(xiàn)的功能。數(shù)字鎖相算法不受調(diào)制頻率的限制，原則上可以實(shí)現(xiàn)任意頻率的信號(hào)解調(diào)；算法可以無(wú)限制的擴(kuò)展通道數(shù)量，解調(diào)更高階次的諧波信號(hào)。同時(shí)利用零相位數(shù)字濾波器算法解決了低通濾波帶來(lái)的相位延遲問題。
[0016](2)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)調(diào)制光譜的免標(biāo)定測(cè)量。調(diào)制光譜仿真部分，利用一次諧波歸信號(hào)一化二次諧波信號(hào)，消除初始光強(qiáng)對(duì)諧波信號(hào)強(qiáng)度的影響，在原理上實(shí)現(xiàn)了免標(biāo)定測(cè)量。該部分從吸收光譜的基本方程出發(fā)，通過準(zhǔn)確的理論模型計(jì)算得到諧波信號(hào)，為實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供對(duì)比值。
[0017](3)創(chuàng)建了一種獨(dú)特的算法，解決三維空間搜索解的問題。通過迭代來(lái)求解溫度、濃度與諧波信號(hào)高度比之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，降低了仿真計(jì)算量。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的免標(biāo)定調(diào)制光譜的實(shí)現(xiàn)方法的流程圖；
[0019]圖2為本發(fā)明的線型函數(shù)和諧波信號(hào)仿真示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明的仿真諧波信號(hào)及高度比與溫度的關(guān)系示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明的諧波信號(hào)多普勒頻移提取算法示意圖；
[0022]圖5為本發(fā)明的溫度、濃度迭代求解算法流程圖。
具體實(shí)施方案[0023]結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明的免標(biāo)定調(diào)制光譜的實(shí)現(xiàn)方法作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖1給出了本發(fā)明的流程圖。
[0024]本發(fā)明免標(biāo)定調(diào)制光譜的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)施步驟如下:
[0025]步驟一、數(shù)字鎖相信號(hào)解調(diào)
[0026]免標(biāo)定調(diào)制光譜的實(shí)現(xiàn)方法的第一步，是利用數(shù)字鎖相算法處理探測(cè)信號(hào)，共分為5個(gè)任務(wù)，實(shí)施方案如下:
[0027]①、采集測(cè)量信號(hào)
[0028]測(cè)量信號(hào)采集，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備(如數(shù)據(jù)采集卡)讀取探測(cè)光電信號(hào)、采樣率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L。探測(cè)光電信號(hào)是經(jīng)過調(diào)制的高頻載波信號(hào)，包含了被測(cè)流場(chǎng)的信息。
[0029]②、生成解調(diào)信號(hào)
[0030]該任務(wù)根據(jù)調(diào)制頻率f、采樣率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L，生成解調(diào)用的參考信號(hào)，包括一倍頻正弦和余弦信號(hào)，以及二倍頻正弦和余弦信號(hào)。參考信號(hào)的采樣率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與探測(cè)信號(hào)相同，信號(hào)頻率等于調(diào)制頻率。
[0031]③、計(jì)算混頻信號(hào)
[0032]數(shù)字混頻計(jì)算，相當(dāng)于鎖相放大器中的混頻過程，即將載波信號(hào)與參考信號(hào)相乘。為了求解一次諧波信號(hào)的X分量(Xlf)和Y分量(Ylf)，以及二次諧波的X分量(X2f)和Y分量(Y2f)，需要將一倍頻正弦、余弦信號(hào)和二倍頻正弦、余弦信號(hào)分別與載波信號(hào)相乘，得到四路混頻信號(hào)。
[0033]④、生成低通濾波器
[0034]根據(jù)采用頻率、低通截止頻率和濾波階次，創(chuàng)建低通濾波算法，即低通濾波器。本方法采用巴特沃斯(Butterworth)濾波器，因?yàn)槠浞软憫?yīng)曲線在通帶內(nèi)具有最平坦的特性，且在通帶和阻帶內(nèi)幅度響應(yīng)曲線是單調(diào)變化的。
[0035]⑤、計(jì)算諧波信號(hào)
[0036]將得到的四路混頻信號(hào)分別經(jīng)過數(shù)字濾波器運(yùn)算，得到一次諧波信號(hào)的X分量(Xlf)和Y分量(Ylf)，以及二次諧波的X分量(X2f)和Y分量(Y2f)。并分別計(jì)算R量。引入采用零相位數(shù)字濾波算法，將消除諧波信號(hào)引濾波而產(chǎn)生的相位延遲，具體做法是將混頻信號(hào)濾波運(yùn)算、反向、再次濾波運(yùn)算、再次反向。
[0037]步驟二、調(diào)制光譜仿真
[0038]①、計(jì)算線型函數(shù)
[0039]氣相分子的吸收光譜線型函數(shù)通常以Voigt線型函數(shù)描述，Voigt線型函數(shù)是Gauss線型函數(shù)和Lorentz線型函數(shù)的卷積,沒有解析解,只能通過數(shù)值積分計(jì)算。
[0040]②、仿真諧波信號(hào)
[0041]諧波信號(hào)仿真是數(shù)值仿真部分的核心，其目的是根據(jù)理論計(jì)算特定壓力、濃度、溫度條件下，某一譜線的諧波信號(hào)。諧波信號(hào)不僅與被測(cè)環(huán)境有關(guān)，還與譜線參數(shù)和激光參數(shù)有關(guān)，建立準(zhǔn)確的理論模型，是溫度與濃度測(cè)量的基礎(chǔ)。
[0042]激光穿過距離為L(zhǎng)的均勻介質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)隨傳播距離呈指數(shù)衰減，可由Beer-Lambert 定律表不:
[0043]In —] = -KL = -PSu(Tmv)ZL( I )[0044]其中It和Ici分別是激光入射和透射光強(qiáng)，kv是光譜吸收系數(shù)，P是氣體總壓，X是待測(cè)氣體組分濃度，Φ是線型函數(shù)，V是激光頻率，Svi(T)是所用譜線Vi在溫度T時(shí)的譜線強(qiáng)度。通常通過調(diào)制DFB激光器注入電流以改變激光的頻率，同時(shí)激光器發(fā)射光強(qiáng)也隨之改變，即方程(I)中的Itl為非定值。
[0045]在掃描譜線的同時(shí)以高頻信號(hào)調(diào)制激光波長(zhǎng)，測(cè)量其諧波信號(hào)，即波長(zhǎng)調(diào)制光譜。激光器的注入電流受到正弦調(diào)制，激光頻率可以寫成:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種免標(biāo)定調(diào)制光譜的實(shí)現(xiàn)方法，包括: 步驟一、數(shù)字鎖相信號(hào)解調(diào)步驟； 步驟二、調(diào)制光譜仿真步驟； 步驟三、測(cè)量參數(shù)提取步驟； 其特征在于: 步驟一的數(shù)字鎖相信號(hào)解調(diào)步驟包括: (1)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀取探測(cè)光電信號(hào)、采樣率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L； (2)根據(jù)調(diào)制頻率f、采樣率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L，生成解調(diào)用的參考信號(hào)，包括一倍頻正弦和余弦信號(hào)，以及二倍頻正弦和余弦信號(hào)； (3)將一倍頻正弦、余弦信號(hào)和二倍頻正弦、余弦信號(hào)分別與載波信號(hào)相乘，得到四路混頻信號(hào)； (4)根據(jù)采樣頻率、低通截止頻率和濾波階次，創(chuàng)建低通濾波算法； (5)將得到的四路混頻信號(hào)分別經(jīng)過數(shù)字濾波器運(yùn)算，得到一次諧波信號(hào)的X分量(Xlf)和Y分量(Ylf)，以及二次諧波的X分量(X2f)和Y分量(Y2f)，并分別計(jì)算R量； 步驟二的調(diào)制光譜仿真步驟包括: (1)根據(jù)一定條件下的譜線參數(shù)進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算，得到線型函數(shù)； (2)根據(jù)實(shí)測(cè)條件下的激光參數(shù)和計(jì)算得到的線型函數(shù)，計(jì)算諧波信號(hào)； (3)通過計(jì)算不同譜線參數(shù)對(duì)應(yīng)的諧波信號(hào)，得到仿真數(shù)據(jù)庫(kù)； 步驟三的測(cè)量參數(shù)提取步驟包括: (1)提取諧波信號(hào)的多普勒頻移量，并計(jì)算流場(chǎng)速度； (2)通過提取諧波信號(hào)的最大值來(lái)獲得諧波信號(hào)的高度值； (3)通過迭代算法，對(duì)比仿真諧波信號(hào)的高度值和實(shí)驗(yàn)諧波信號(hào)的高度值，求解流場(chǎng)的溫度和組分濃度。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK103852443SQ201410101717
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】洪延姬, 王廣宇, 潘虎, 趙文濤 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍裝備學(xué)院