本發(fā)明屬于氣體傳感和檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法，屬于激光吸收光譜領(lǐng)域，該方法可適用于一般的個人計算機和嵌入式系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，tdlas)技術(shù)具有高靈敏度、高選擇性和快速響應(yīng)等特點，可以實現(xiàn)對氣體的高靈敏度、高分辨率及快速測量。由于它上述優(yōu)點，tdlas技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測、燃燒診斷、等離子反應(yīng)監(jiān)測過程產(chǎn)物、煙道氣體檢測等。通常，tdlas技術(shù)結(jié)合波長調(diào)制技術(shù)和長光程池吸收，以提高探測精度與靈敏度。波長調(diào)制技術(shù)是指分布反饋式二極管激光器(distributedfeedbacklaser，dfb)在低頻掃描信號調(diào)制的基礎(chǔ)上疊加一個高頻正弦調(diào)制頻率，通過在高頻調(diào)制頻率及高頻調(diào)制頻率的高次諧波(如二次諧波處)提取諧波信號的幅值信息，該幅值信息與待測氣體的濃度、溫度有關(guān)，由此實現(xiàn)對氣體濃度、溫度等參數(shù)的測量。目前主流的濃度反演算法都是通過鎖相放大器提取諧波分量并用一次諧波對二次諧波進行歸一化后，根據(jù)歸一化后的諧波信號峰值來確定氣體的濃度參數(shù)。該方法的確定在于實際測量過程中諧波信號峰值點會存在漂移、隨機誤差等影響，故測量精度存在較大誤差。大量研究人員試圖改進目前現(xiàn)有的缺點，因此發(fā)明一種改善從歸一化后的諧波信號反演氣體參數(shù)的方法是非常必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的由歸一化后的諧波信號峰值來確定氣體的濃度參數(shù)時存在的漂移、隨機誤差等問題，本發(fā)明提供一種基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法。

本發(fā)明的另一目的是提供一種基于級數(shù)展開的氣體濃度檢測裝置。

技術(shù)方案：一種基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法，包括以下步驟：

(1)通過dfb二極管激光器溫度控制模塊設(shè)定dfb二極管激光器的工作溫度；

(2)通過dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊設(shè)定dfb二極管激光器工作的中心電流以確保dfb二極管激光器靜態(tài)工作點的原始入射光信號頻率在吸收譜線中心附近；

(3)計算機控制dac模塊產(chǎn)生初始信號，并將初始信號傳遞至dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換后形成注入電流注入二極管激光器，dfb二極管激光器受注入電流的調(diào)制發(fā)射激光；

(4)通過標(biāo)準(zhǔn)具，經(jīng)光電探測器和adc模塊獲得dfb二極管激光器發(fā)光頻率與時間的函數(shù)關(guān)系，記為υ(t)；

(5)在待測氣體未通入氣體吸收池的情況下，光電探測器采集原始入射光強信號；

(6)將待測氣體通入氣體吸收池中，光電探測器采集透射光強信號，并將透射光強信號輸入計算機，計算機對函數(shù)υ(t)、原始入射光強信號及透射光強信號進行處理得到待測氣體濃度。

一種基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法所用的檢測裝置，包括計算機、dac信號發(fā)生器、dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊、dfb激光二極管、dfb二極管激光器溫度控制模塊、氣體吸收池、光電探測器、帶通濾波放大器、adc采樣模塊、標(biāo)準(zhǔn)具，所述計算機用戶輸出調(diào)制波形給dac信號發(fā)生器；dac信號發(fā)生器用于產(chǎn)生調(diào)制電壓信號；dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊用于將調(diào)制電壓信號轉(zhuǎn)換成注入電流注入dfb激光二極管；dfb二極管激光器溫度控制模塊用于設(shè)定dfb二極管激光器的工作溫度；氣體吸收池用于存放待測氣體；光電探測器用于采集待測氣體的光強信號；帶通濾波放大器用于光強信號調(diào)理，adc采樣模塊用于對光強信號采樣并將采樣信號輸入計算機。

有益效果：本發(fā)明提供的一種基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法及其檢測裝置，在計算仿真歸一化二次諧波r2f/1f時，通過讀取預(yù)存在系統(tǒng)中的歸一化線型函數(shù)φ(υ(t))及其平方g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))各次諧波分量系數(shù)φn和gn可以直接將濃度代入計算即可，無需將濃度值代入比爾朗伯公式得到仿真信號再通過數(shù)字鎖相獲取各次諧波，可大大降低計算量；且利于嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，促進儀器的小型化，數(shù)字化；可以實現(xiàn)擬合法反演氣體參數(shù)，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確測量，具有方便、簡單的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是一種基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法的氣體檢測裝置圖；

圖2(a)是吸收線型φ(υ(t))傅里葉級數(shù)展開直流分量系數(shù)φ0波形圖；

圖2(b)是吸收線型φ(υ(t))傅里葉級數(shù)展開一次諧波系數(shù)φ1波形圖；

圖2(c)是吸收線型φ(υ(t))傅里葉級數(shù)展開二次諧波系數(shù)φ2波形圖；

圖2(d)是吸收線型φ(υ(t))傅里葉級數(shù)展開三次諧波系數(shù)φ3波形圖；

圖3(a)是g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))傅里葉級數(shù)展開直流分量系數(shù)g0波形圖；

圖3(b)是g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))傅里葉級數(shù)展開直流分量系數(shù)g1波形圖；

圖3(c)是g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))傅里葉級數(shù)展開直流分量系數(shù)g2波形圖；

圖3(d)是g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))傅里葉級數(shù)展開直流分量系數(shù)g3波形圖；

圖4是根據(jù)傅里葉級數(shù)展開系數(shù)φn和gn逼近扣除背景后的歸一化二次諧波信號的波形的擬合過程。

圖1中有計算機1，dac信號發(fā)生模塊2，dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊3，dfb激光二極管4，dfb二極管激光器溫度控制模塊5，氣體吸收池6，光電探測器7，帶通濾波放大電路8，adc采樣模塊9，標(biāo)準(zhǔn)具10。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法及其檢測裝置，根據(jù)高分辨率氣體分子吸收光譜(highresolutiontransmission，hitran)數(shù)據(jù)庫、二極管激光器的光強調(diào)制系數(shù)和頻率調(diào)制系數(shù)等參數(shù)快速擬合出某一濃度氣體的歸一化各次諧波信號，并與實測信號的扣除背景后歸一化各次諧波信號進行最小方差擬合。當(dāng)擬合方差小于設(shè)定閾值，則可認(rèn)為該擬合濃度即為實測氣體濃度，從而實現(xiàn)對氣體濃度的測量。本發(fā)明可大大降低計算量；且利于嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，促進儀器的小型化，數(shù)字化。

如圖1所示，一種基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法所用的檢測裝置，包括計算機、dac信號發(fā)生器、dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊、dfb激光二極管、dfb二極管激光器溫度控制模塊、氣體吸收池、光電探測器、帶通濾波放大器、adc采樣模塊、標(biāo)準(zhǔn)具，所述計算機用戶輸出調(diào)制波形給dac信號發(fā)生器；dac信號發(fā)生器用于產(chǎn)生調(diào)制電壓信號；dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊用于將調(diào)制電壓信號轉(zhuǎn)換成注入電流注入dfb激光二極管；dfb二極管激光器溫度控制模塊用于設(shè)定dfb二極管激光器的工作溫度；氣體吸收池用于存放待測氣體；光電探測器用于采集待測氣體的光強信號；帶通濾波放大器用于光強信號調(diào)理，adc采樣模塊用于對光強信號采樣并將采樣信號輸入計算機。

一種基于級數(shù)展開的氣體濃度測量方法，包括以下步驟：

(1)通過dfb二極管激光器溫度控制模塊設(shè)定dfb二極管激光器的工作溫度；

(2)通過dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊設(shè)定dfb二極管激光器工作的中心電流以確保dfb二極管激光器靜態(tài)工作點的原始入射光信號頻率在吸收譜線中心附近；

(3)計算機控制dac模塊產(chǎn)生初始信號，并將初始信號傳遞至dfb二極管激光器電流驅(qū)動模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換后形成注入電流注入二極管激光器，dfb二極管激光器受注入電流的調(diào)制發(fā)射激光；

所述步驟(3)中設(shè)所述初始信號為u＝uscos(ωst)+umcos(ωmt)，所述ωs、ωm、us、um分別為由計算機設(shè)定的掃描頻率、調(diào)制頻率、掃描電壓系數(shù)、調(diào)制電壓系數(shù)；轉(zhuǎn)換后形成的注入電流為i(t)＝iavg+cos(2πfmt)，所述iavg為瞬時平均電流，可以為低頻三角波、正弦波、鋸齒波等，fm為調(diào)制頻率。

(4)通過標(biāo)準(zhǔn)具，經(jīng)光電探測器和adc模塊獲得dfb二極管激光器發(fā)光頻率與時間的函數(shù)關(guān)系，記為υ(t)；υ(t)＝υavg+kvcos(2πfmt)，所述υavg為瞬時平均電壓，kv為光強調(diào)制系數(shù)。

(5)在待測氣體未通入氣體吸收池的情況下，光電探測器采集原始入射光強信號；

(6)將待測氣體通入氣體吸收池中，光電探測器采集透射光強信號，并將透射光強信號輸入計算機，計算機對函數(shù)υ(t)、原始入射光強信號及透射光強信號進行處理得到待測氣體濃度。

根據(jù)高分辨率氣體分子吸收光譜(highresolutiontransmission，hitran)數(shù)據(jù)庫、二極管激光器的光強調(diào)制系數(shù)和頻率調(diào)制系數(shù)等參數(shù)快速擬合出某一濃度氣體的歸一化各次諧波信號，并與實測信號的扣除背景后歸一化各次諧波信號進行最小方差擬合。當(dāng)擬合方差小于設(shè)定閾值，則可認(rèn)為該擬合濃度即為實測氣體濃度，從而實現(xiàn)對氣體濃度的測量，根據(jù)傅里葉級數(shù)展開系數(shù)φn和gn逼近扣除背景后的歸一化二次諧波信號的波形的擬合過程見圖4。具體處理過程包括以下步驟：

(61)通過對υ(t)進行級數(shù)展開與傅里葉分解推導(dǎo)從而得到歸一化線型函數(shù)φ(υ(t))各次諧波分量系數(shù)φn以及φ(υ(t))的平方g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))各次諧波分量系數(shù)gn；展開系數(shù)的波形圖如圖2和3所示。

(62)通過對原始入射光強擬合，確定原始入射光強信號以及頻率隨時間變化的傅里葉級數(shù)展開；

(63)采集透射光強信號，獲取透射光強信號和扣除背景后的歸一化二次諧波s2f/1f；對采集的透射光強信號進行平均濾波，經(jīng)過數(shù)字鎖相分別提取一次諧波分量和二次諧波分量，并進行扣除背景后歸一化得到s2f/1f信號。

步驟(63)中將υ(t)代入到歸一化線型函數(shù)(如lorentz、gauss或voigt函數(shù))中得到φ(υ(t))；由于歸一化線型函數(shù)為偶函數(shù)，故將φ(υ(t))展開成傅里葉級數(shù)：

式中分別為n次諧波的分量系數(shù)，分別通過相敏解調(diào)求解：

φn＝(2-δn0)conv(φ(υ(t))*cos(2πnfmt),lps_coefficient)

式中conv表示卷積運算；lps_coefficient為低通濾波器；n＝0時，δn0為1；n>0時，δn0為1；

由于φ(υ(t))為fm周期函數(shù)，設(shè)g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))也為fm周期函數(shù)，將g(υ(t))展開成傅里葉級數(shù)如下：

其中展開系數(shù)gn為：

式

(64)設(shè)原始入射光強信號為i0(t)＝iavg+kicos(2πfmt)，則由比爾-朗伯定律得到透射光強信號為：

it(t)＝i0exp(-pxls(t)φ(υ))

式中p為氣體總壓，x為待測氣體濃度，l為有效光程長，s(t)為線強，所述線強可通過查找hitran數(shù)據(jù)庫獲??；設(shè)a＝pls(t)；可以將it展開成冪級數(shù)：

當(dāng)pxls(t)φ(υ)小于0.1時，

綜上所述，

又因為i0(t)＝iavg+kicos(2πfmt)，故it＝i0exp(-pxls(t)φ(υ))各次諧波系數(shù)分別為

式中除濃度x為未知數(shù)，其他參量均可在測量之前測得，歸一化二次諧波信號r2f/1f為：

設(shè)定初始迭代濃度參數(shù)為x0，x0與φn和gn運算即可得到仿真歸一化二次諧波r2f/1f；設(shè)定一個閾值，采用交替迭代法改變迭代值xn，使得s2f/1f與r2f/1f的方差小于所述閾值，此時的xn即為待測氣體濃度。