本發(fā)明涉及一種免基線的波長掃描直接吸收方法，用于氣體濃度測量，屬于激光吸收光譜技術領域。

背景技術：

以煤炭、石油為代表的碳氫燃料的燃燒是我們最廣為采用的能量轉換方式，燃燒參數的測量對揭示燃燒機理和調控燃燒過程具有重要意義。可調諧二極管激光器吸收光譜技術(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)因為可以實現諸如組分濃度、溫度、壓力及速度等多參數在線測量，并且具有高靈敏度、快時間響應及非接觸等特點，在燃燒診斷領域具有廣闊的應用前景。

與其他技術相比，傳統(tǒng)直接吸收方法具有系統(tǒng)實現與處理方法簡單等優(yōu)點，是TDLAS技術中應用最廣泛的方法。傳統(tǒng)直接吸收方法對基線擬合誤差特別敏感，特別是在高壓燃燒環(huán)境下，由于壓力展寬效應導致譜線混疊，使非吸收基線的擬合存在困難，甚至根本得不到基線，因此要獲得準確完整的吸收光譜對波長掃描范圍有一定要求，目前技術廣泛采用的通信用二極管激光器調制范圍一般在2cm^-1以內。在某些氣體組分狀態(tài)變化劇烈的情況下(如燃燒環(huán)境下氣體參數的測量)，為了保證良好的瞬態(tài)響應特性，需要使激光器在較高的調制頻率下工作。然而隨著調制頻率的提高，半導體激光器的調制范圍會進一步減小，為了獲得準確完整的吸收光譜，激光器的調制頻率一般限制在10KHz以下。因此傳統(tǒng)直接吸收方法在高壓燃燒環(huán)境的應用受到了限制，而且時間響應速率一般小于10KHz，這限制了傳統(tǒng)直接吸收方法的應用。

綜上，傳統(tǒng)的掃描波長直接吸收光譜只適用于吸光度適當(過大或過小都會降低測量靈敏度)、壓力相對較低、調制頻率不大，吸收線相對孤立的場合。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種適用于在惡劣的工業(yè)現場(如高壓燃燒環(huán)境)實現氣體參數的測量的免基線波長掃描直接吸收方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案為：

基于免基線波長掃描直接吸收光譜的氣體濃度測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)參數設置：定義t時刻的入射光強信號為I₀(t)、穿過待測氣體的透射光強信號為I_t(t)；設置迭代變量x，通過x在每一輪迭代中的更新逼近待測氣體真實值；

(2)初始化x＝x₀，根據x利用Beer-Lambert定律仿真透射光強信號，得到透射光強的仿真信號^SI_t(t)；

(3)分別為I_t(t)和^SI_t(t)加上Nuttall時窗，得到I_t(t)和^SI_t(t)加窗后的信號分別為I_t(t)_Window和^SI_t(t)_Window；

(4)對I_t(t)_Window和^SI_t(t)_Window分別進行數字帶通濾波，提取I_t(t)_Window和^SI_t(t)_window的n次諧波X分量，n≥M，M為窗函數的項數；對I_t(t)_Window和^SI_t(t)_Window分別進行數字低通濾波，提取I_t(t)_Window和^SI_t(t)_Window的常數項；

(5)利用I_t(t)_Window的常數項對I_t(t)_Window的n次諧波X分量進行歸一化處理，得到I_t(t)_Window的n次諧波X分量的歸一化幅值利用^SI_t(t)_Window的常數項對^SI_t(t)_Window的n次諧波X分量進行歸一化處理，得到^SI_t(t)_Window的n次諧波X分量的歸一化幅值

(6)判斷步驟(5)得到的和是否滿足以下收斂條件：

式中，ε為預先設定的收斂閾值；

若滿足，則令x₀＝x，并輸出x₀，輸出的x₀即為待測氣體的濃度測量值；若不滿足，則計算x＝x_new；返回步驟(2)。

進一步的，所述透射光強信號的表達式為：

I_t(t)＝I₀(t)exp(-S·P·x₀·Ｌ·φ[v(t)])

式中，S表示吸收譜線的線強，P表示待測氣體的氣壓，x₀表示待測氣體的濃度，L表示入射光在待測氣體中傳播的光程，v(t)為t時刻入射光出光的頻率，φ[v(t)]表示線型函數。

進一步的，所述Nuttall時窗的時域表達式為：

式中，f₀表示激光掃描頻率，b_m為第m個最小旁瓣系數，b_m滿足約束條件：

且

進一步的，M＝4，所述步驟(4)中提取I_t(t)_window和^SI_t(t)_Window的n次諧波X分量以及常數項的方法為：

計算I_t(t)_Window和^SI_t(t)_Window的傅里葉展開式，從I_t(t)_Window和^SI_t(t)_Window的傅里葉展開式中分別提取出頻率大于等于Mf₀的高頻諧波分量和常數項；其中，I_t(t)_Window的傅里葉展開式為：

提取出的I_t(t)_window的n次諧波X分量為：

提取出的I_t(t)_Window的n次諧波X方向的幅值為：

提取出的I_t(t)_Window的常數項為：

式中：H_k為k階傅里葉系數，表示入射光的中心光強，b表示激光光強調諧速率。

進一步的，采用I_t(t)_Window的常數項對I_t(t)_Window的n次諧波X方向幅值進行歸一化處理，得到的I_t(t)_Windown次諧波X方向歸一化幅值為：

式中，δ_m0為狄拉克函數，m＝0時，δ_m0＝1；m≠0時，δ_m0＝0。

進一步的，所述步驟(2)中得到透射光強的仿真信號^SI_t(t)的方法為：

使用多項式^SI₀(t)＝c₀+c₁t+c₂t²+...對透射光強信號兩端無吸收區(qū)域進行擬合獲得入射光強的仿真信號，即^SI₀(t)；根據入射光強的仿真信號計算得到透射光強的仿真信號為：

^SI_t(t)＝^SI₀(t)^Sτ(t)＝^SI₀(t)exp(-S·P·x·L·φ[v(t)])

式中，^Sτ(t)為入射光強的仿真信號在t時刻的透過率。

有益效果：相對于傳統(tǒng)直接吸收方法，本發(fā)明提出的免基線波長掃描直接吸收方法通過對透射光強信號加窗，既保留了吸收信息，又有效的抑制了由于擬合基線的斜率的不準確帶來的誤差，而由基線中平均幅值帶來的偏差可以通過歸一化去除，克服了傳統(tǒng)的掃描直接吸收法對基線擬合誤差敏感的缺點；可以很好地適應高溫高壓、氣體組分狀態(tài)變化劇烈的場合，拓寬了傳統(tǒng)直接吸收方法的應用范圍。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測量方法的流程圖。

圖2是傳統(tǒng)直接吸收方法實驗得到的光譜吸收率擬合結果。

圖3是本發(fā)明測量方法實驗得到的光譜吸收率擬合結果。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

圖1所示為本發(fā)明的流程圖，包括以下步驟：

步驟一：本實施例做以下四個假設：(1)吸收中心位于掃描信號的中心；(2)激光的光強信號與波數時間對應關系都是關于時間的一次函數；(3)線型函數采用洛倫茲線型；(4)只存在單一吸收峰?？紤]到信號的周期性，只需對一個掃描周期-T/2≤t≤T/2內的透射光強信號進行分析：

τ(t)＝exp(-S·P·x₀·Ｌ·φ[v(t)]) (4)

I_t(t)＝I₀(t)exp(-S·P·x₀·Ｌ·φ[v(t)]) (5)

其中，f₀為掃描頻率；T為掃描周期；v(t)為t時刻激光輸出頻率；v₀為激光中心頻率；τ(t)為t時刻的透過率；S表示吸收譜線的線強；P表示待測氣體的氣壓；x₀表示待測氣體的濃度；L表示入射光在待測氣體中傳播的光程；φ[v(t)]為線型函數；I₀(t)、I_t(t)分別為t時刻的激光入射光強及其透射光強；表示入射光的中心光強；a表示激光波長調諧速率；b表示激光光強調諧速率；

步驟二、根據上述分析結果，計算透射光強和背景光強的傅里葉表達：

入射光強I₀(t)是以T為周期的奇函數，對其進行傅里葉級數展開有：

透過率τ(t)是以T為周期的偶函數，因此τ(t)可以展開成下面形式的傅里葉級數：

其中H_k是k階傅里葉系數，定義如下：

式中，δ_m0為狄拉克函數；m＝0時，δ_m0＝1；m≠0時，δ_m0＝0；

將式(6)與式(7)相乘，整理得到透射光強信號的傅里葉級數展開式：

其中，

步驟三、對透射光強信號進行加窗處理：

Nuttall時窗是一種余弦組合窗，其時域表達式是：

式中M為窗函數的項數；b_m應滿足約束條件：

此處采用4項(即M＝4)最小旁瓣Nuttall時窗對輸入信號進行處理，Nuttall時窗函數的各項參數如表1所示：

表1 Nuttall時窗函數

對加窗后的吸收信號進行傅里葉展開有：

步驟四、對加窗后的透射光強信號進行數字濾波處理：

使用數字帶通濾波處理式(15)，可以得到n≥M時，I_t(t)_Window的高頻成分：

那么加窗后透射光強信號的nf₀諧波X方向的幅值為：

同時低通濾波提取(15)里面的常數項可得，

步驟五、用(18)對(17)進行歸一化，得到與無關的透射光強信號的nf₀諧波X分量的歸一化幅值為：

步驟六、使用式(20)對透射光強兩端無吸收區(qū)域進行擬合獲得基線(仿真入射光強)，這樣做可以把基線的斜率誤差減到最小，進一步減小測量誤差。

^SI₀(t)＝c₀+c₁t+c₂t²+... (20)

式中，^SI₀(t)表示入射光強仿真值；使用^SI₀(t)和變量濃度x，得到仿真的透射光強為：

^SI_t(t)＝^SI₀(t)^Sτ(t)＝^SI₀(t)exp(-S·P·x·L·φ[v(t)]) (21)

式中，^Sτ(t)為透射光強的仿真信號^SI₀(t)在t時刻的透過率。

對^SI_t(t)進行加Nuttall時窗處理，得到加窗后的信號^SI_t(t)_Window；對^SI_t(t)_Window分別進行帶通濾波和低通濾波，獲得^SI_t(t)_Window的n次諧波X分量和常數項，n≥M；再采用^SI_t(t)_Window的常數項對它的n次諧波X分量進行歸一化處理，得到^SI_t(t)_Window對應的頻率為nf₀諧波X分量的歸一化幅值

步驟七、判斷得到的和是否滿足以下收斂條件：

式中，ε為預先設定的收斂閾值；

若滿足，則令x₀＝x，并輸出x₀，輸出的x₀即為待測氣體的濃度測量值；若不滿足，則令x＝x_new，返回步驟(2)；其中，x_new是所采用的優(yōu)化算法產生的新值，優(yōu)化算法可從matlab中各算法函數中隨機選取，選出的函數會產生一個隨機的新值。

以下以常用于燃燒診斷應用的H₂O分子7185.6cm^-1譜線進行H₂O摩爾濃度的測量。傳統(tǒng)直接吸收方法得到的光譜吸收率擬合結果如圖2所示，使用本發(fā)明提出的方法得到的歸一化X分量擬合結果如圖3所示。同時使用溫濕度測量儀(型號：HMT333)測量環(huán)境中H₂O摩爾濃度。以上三種方法對空氣中H₂O濃度的測量結果如表2所示：

表2

可以看出，使用本發(fā)明提出的方法能夠實現更好的擬合效果，測量結果更精確，同時考慮到溫濕度計的精度，本發(fā)明提出方法的計算結果更可信。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。