CN103852444A - 免标定调制光谱测量*** - Google Patents

Abstract

本发明基于可调谐二极管激光吸收光谱，采用适应恶劣环境的波长调制技术，建立了一种免标定调制光谱测量的软件***，该测量***包含数字锁相信号解调模块、调制光谱仿真模块和测量参数提取模块，共14个子模块。其具体功能是，利用数字锁相算法对光电信号解调得到其谐波信号；通过准确的理论计算得到谐波信号的仿真数据库；结合谐波信号和仿真数据库提取流场速度、温度和组分浓度。

Description

免标定调制光谱测量***

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及信号处理与数值仿真等方法，提供针对气相分子的吸收光谱测量开发的通用、可靠测量***。

背景技术

光学测量技术在科研实验、环境监测和燃烧场诊断等领域获得了越来越广泛的应用。吸收光谱在理论上需要同时测量吸收前和吸收后的光强信息才能获得分子的吸收信息。在实际应用中，往往采用参考光束或函数拟合等方法确定吸收前的光强，即光谱基线。这些方法难以获得准确的光谱基线信息。此外，调制方法虽然能明显的提高测量信号的信噪比，但是调制光谱的信号强度与调制深度、谱线线型和强度调制等多方面的因素相关，因此调制光谱的定量测量也一直存在困难。

美国斯坦福大学K.H.Lyle，R.K.Hanson等人，曾利用调制光谱来增强航空发动机进气道氧气吸收光谱测量的信噪比。由于未在理论上解决调制光谱强度与线型函数间的定量对应关系，此处仅用光谱峰的中心位置来测量速度，浓度的测量则是通过直接吸收光谱实现的。此后，G.B.Rieker从理论上分析了波长调制光谱测量的原理，给出了谐波信号的表达式，着重分析了测量可能的误差来源。研究显示利用1f信号归一化2f信号之后，借助准确的理论仿真可实现任意压力、浓度和温度条件下的测量。验证了水分子和二氧化碳浓度和燃烧场温度的测量结果，显示波长调制光谱较之直接吸收光谱信噪比提高约4倍。该文献并未提出详细的实现方法，仅讨论了调制光谱测量的可行性。

南京理工大学李宁等人，采用仿真的方法得到谐波信号理论值，利用二次谐波峰谷比来消除初始光强和探测器增益对信号强度的影响。因为波峰和波谷在时间上不是同时出现的，当测量过程中初始光强波动时，波峰、波谷对应的初始光强不相同，不能消除其对信号的影响。另外，该方法必需扫描得到完整的谐波信号才能提取波峰和波谷信息，对于谱线加宽严重或者出现重叠时，往往难以实现。清华大学热能工程系车璐等人，研究了利用奇数次谐波信号重建吸收谱线型。通过对吸收线型进行傅里叶级数和泰勒级数分析，得到线型函数与奇数次谐波的关系，并在实验室条件下验证了氨气的浓度测量。该方法中，谐波信号的强度仍与初始光强相关。初始光强虽然可以预先测量，但是在干扰严重的环境下，诸多非吸收因素导致的衰减致使初始光强在测量过程中出现明显的变化，此时测量结果将出现严重的偏差。因此该方法并未真正实现免标定测量，只能在实验室条件下应用。

本发明基于可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorptionspectroscopy，TDLAS）技术，提供一种免标定调制光谱测量***，不仅利用了调制光谱的优势，而且从理论上解决了光谱基线提取的问题，可实现真正意义上的免标定测量。

发明内容

本发明提供了一种免标定调制光谱测量***，实现基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的真正意义上的免标定测量。其特征在于：

（1）数字锁相信号解调模块包括测量信号采集子模块、解调信号生成子模块、滤波参数输入子模块、数字混频计算子模块、低通滤波器生成子模块、低通滤波运算子模块；其中，测量信号采集子模块，通过数据采集设备读取探测光电信号、采样率f₁和数据长度L；解调信号生成子模块，根据调制频率f、采样率f₁和数据长度L，生成解调用的参考信号，包括一倍频正弦和余弦信号，以及二倍频正弦和余弦信号；滤波参数输入子模块，用于创建用户与程序的交互接口，通过键盘输入滤波器的低通截止频率和滤波阶次；数字混频计算子模块，将一倍频正弦、余弦信号和二倍频正弦、余弦信号分别与载波信号相乘，得到四路混频信号；低通滤波器生成子模块，根据采用频率f₁、低通截止频率和滤波阶次，创建低通滤波算法；低通滤波运算子模块，将得到的四路混频信号分别经过数字滤波器运算，得到一次谐波信号的X分量（X_1f）和Y分量（Y_1f），以及二次谐波的X分量（X_2f）和Y分量（Y_2f），并分别计算R量；

（2）调制光谱仿真模块包括激光参数输入子模块、谱线参数输入子模块、线型函数计算子模块、谐波信号计算子模块、仿真数据库构建子模块；其中，激光参数输入子模块，通过键盘输入或读取数据文件，为谐波信号仿真计算提供激光参数；谱线参数输入子模块，通过键盘输入或读取数据文件，为谐波信号仿真计算提供谱线参数；线型函数计算子模块，对输入的谱线参数进行数值积分计算，得到线型函数；谐波信号计算子模块，利用输入的激光参数和计算得到的线型函数，计算谐波信号；仿真数据库构建子模块，通过计算不同的激光参数和谱线参数对应的谐波信号，得到仿真数据库；

（3）测量参数提取模块包括速度计算子模块、信号高度提取子模块、温度、浓度求解子模块；其中，速度计算子模块，用于提取谐波信号的多普勒频移量并计算流场速度；信号高度提取子模块，通过提取谐波信号的最大值来获得谐波信号的高度值；温度、浓度求解子模块，通过迭代算法用仿真谐波信号的高度值和实验谐波信号的高度值，求解流场的温度和浓度。

本发明利用独特的数据处理方法和准确的数值仿真，解决了调制光谱定量测量的问题。由于算法功能齐全，简化了测量硬件的需求，具有如下优点：

（1）数字锁相信号解调部分不仅替代了锁相放大器，而且拓展了其功能。数字锁相算法实现了载波与参考信号混频和低通滤波等锁相放大器的全部功能，还有硬件不能实现的功能。数字锁相算法不受调制频率的限制，原则上可以实现任意频率的信号解调；算法可以无限制的扩展通道数量，解调更高阶次的谐波信号。同时利用零相位数字滤波器算法解决了低通滤波带来的相位延迟问题。

（2）实现了波长调制光谱的免标定测量。调制光谱仿真部分，利用一次谐波归信号一化二次谐波信号，消除初始光强对谐波信号强度的影响，在原理上实现了免标定测量。该部分从吸收光谱的基本方程出发，通过准确的理论模型计算得到谐波信号，为实验测量提供对比值。

（3）创建了一种独特的算法，解决三维空间搜索解的问题。通过迭代来求解温度、浓度与谐波信号高度比之间的对应关系，降低了仿真计算量。

附图说明

图1为本发明的免标定调制光谱测量***的模块组成框图；

图2为本发明的线型函数和谐波信号仿真示意图；

图3为本发明的谐波信号及高度比与温度的关系示意图；

图4为本发明的谐波信号多普勒频移提取算法示意图；

图5为本发明的温度、浓度迭代求解算法流程图。

具体实施方案

结合附图和实施案例对本发明的免标定调制光谱测量***作进一步详细描述。图1给出了本发明的程序模块组成框图。

本发明的测量***总体分为三个模块，即数字锁相信号解调模块、调制光谱仿真模块和测量参数提取模块。每个模块具有相对独立的功能和兼容的输入输出接口，方便调用和移植。

本发明免标定调制光谱测量***，实施步骤如下：

步骤一、建立软件平台

所述测量***基于LabVIEW软件平台开发，实现信号采集、处理，仿真建模、图像处理等功能。第一步是在计算机上安装LabVIEW8.5以上的版本。

步骤二、任务模块分配

所述的测量方法包含三个模块，即数字锁相信号解调、调制光谱仿真和测量参数提取。共分为14个子模块：测量信号采集子模块（1），解调信号生成子模块（2），滤波参数输入子模块（3），数字混频计算子模块（4），低通滤波器生成子模块（5），低通滤波运算子模块（6），激光参数输入子模块（7），谱线参数输入子模块（8），线型函数计算子模块（9），谐波信号计算子模块（10），仿真数据库构建子模块（11），速度计算子模块（12），信号高度提取子模块（13），温度、浓度求解子模块（14）。将所有子模块按照其逻辑关系组合，即得到免标定调制光谱测量***。

步骤三、各子模块开发

对免标定调制光谱测量***的各子模块独立开发，逻辑上相连的模块采用统一的数据输入输出格式，各模块实施方案如下：

①、测量信号采集（1）

测量信号采集子模块，由数据采集设备（如数据采集卡）读取探测光电信号、采样率f₁和数据长度L。探测光电信号是经过调制的高频载波信号，包含了被测流场的信息。采样率f₁和数据长度L传递至解调信号生成子模块（2）。为了节省数据流量和存储空间，原始载波信号可根据采集卡的模拟数字转换（ADC）位数采用整形格式。例如，数据采集卡采用NI-PCI6115，ADC为12位，满量程设定为±1V。数据可采用12或16（16位较为通用）位带符号整形格式，数据中整数+2047（2¹¹-1）代表信号为1V。软件默认实数为64为双精度格式，采用16为整形格式可节省3/4的存储空间。该模块的数据输入包括采样率f₁和数据长度L，数据输出包括采样率f₁、数据长度L和载波信号。

②、解调信号生成（2）

该子模块根据调制频率f、采样率f₁和数据长度L，生成解调用的参考信号，包括一倍频正弦和余弦信号，以及二倍频正弦和余弦信号。参考信号的采样率和数据长度与探测信号相同，信号频率等于调制频率。该模块的数据输入包括采样率f₁、数据长度L和调制频率f，数据输出包括四个一维数组。

③、滤波参数输入（3）

该模块的功能在于创建用户与程序的交互接口，通过键盘输入滤波器的低通截止频率和滤波阶次。将该模块与低通滤波器生成模块分开，是为了方便后者的移植。

④、数字混频计算（4）

数字混频计算子模块，相当于锁相放大器中的混频器，即将载波信号与参考信号相乘。为了求解一次谐波信号的X分量（X_1f）和Y分量（Y_1f），以及二次谐波的X分量（X_2f）和Y分量（Y_2f），需要将一倍频正弦、余弦信号和二倍频正弦、余弦信号分别与载波信号相乘，得到四路混频信号。由于参考信号和载波信号具有相同的采样率和长度，故将载波信号数组与参考信号数组分别点对点相乘即可。

⑤、低通滤波器生成（5）

根据采用频率f₁、低通截止频率和滤波阶次，创建低通滤波算法，即低通滤波器。本方法采用巴特沃斯（Butterworth）滤波器，因为其幅度响应曲线在通带内具有最平坦的特性，且在通带和阻带内幅度响应曲线是单调变化的。

⑥、低通滤波运算（6）

将得到的四路混频信号分别经过数字滤波器运算，得到一次谐波信号的X分量（X_1f）和Y分量（Y_1f），以及二次谐波的X分量（X_2f）和Y分量（Y_2f）。并分别计算R量。引入采用零相位数字滤波算法，将消除谐波信号引滤波而产生的相位延迟，具体做法是将混频信号滤波运算、反向、再次滤波运算、再次反向。

⑦、激光参数输入（7）

该子模块的功能是为谐波信号仿真计算提供激光参数，激光参数可以通过键盘输入或读取数据文件。输入参数包括：归一化强度调制幅度i₀、激光频率调制深度a，以及强度调制和频率调制间的相位延迟Ψ。这些参数由实验预先测量得到。

⑧、谱线参数输入（8）

该子模块的功能是为谐波信号仿真计算提供谱线参数，谱线参数可以通过键盘输入或读取数据文件。输入参数包括：室温谱线强度、低态能及、谱线空气碰撞加宽和自碰撞加宽系数和温度指数。

⑨、线型函数计算（9）

气相分子的吸收光谱线型函数通常以Voigt线型函数描述，Voigt线型函数是Gauss线型函数和Lorentz线型函数的卷积，没有解析解，只能通过数值积分计算。

⑩、谐波信号计算（10）

谐波信号计算子模块是数值仿真部分的核心，其目的是根据理论计算特定压力、浓度、温度条件下，某一谱线的谐波信号。谐波信号不仅与被测环境有关，还与谱线参数和激光参数有关，建立准确的理论模型，是温度与浓度测量的基础。

激光穿过距离为L的均匀介质时，光强随传播距离呈指数衰减，可由Beer-Lambert定律表示：

$\ln \left(\frac{I_t}{I_0}\right)={-k}_{v}L={-\mathrm{PS}}_{\mathrm{vi}}\left(T\right)\mathrm{\Φ}\left(v\right)\mathrm{\χL}---\left(1\right)$

其中I_t和I₀分别是激光入射和透射光强，k_ν是光谱吸收系数，P是气体总压，χ是待测气体组分浓度，Φ是线型函数，ν是激光频率，S_νi(T)是所用谱线ν_i在温度T时的谱线强度。通常通过调制DFB激光器注入电流以改变激光的频率，同时激光器发射光强也随之改变，即方程（1）中的I₀为非定值。

在扫描谱线的同时以高频信号调制激光波长，测量其谐波信号完成，即波长调制光谱。激光器的注入电流受到正弦调制，激光频率可以写成：

$v\left(t\right)=\stackrel{\‾}{v}+a\cos (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_1)---\left(2\right)$

其中

是激光器中心频率，a是调制深度。Beer-Lambert定律改写成：

$I_t\left(t\right)\stackrel{\‾}{I_0}\left(t\right)(1+i_0\cos (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_2))e^{-\mathrm{\α}(\stackrel{\‾}{v}\left(t\right)+a\cos (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_1))}---\left(3\right)$

其中

是激光平均功率，i₀是归一化光强调制幅度，ψ是频率调制和强度调制的相位差。方程（3）指数部分反映了分子吸收信息，将其进行Fourier展开，可以表示为：

$\begin{array}{c}\exp [-\mathrm{\α}(\stackrel{\‾}{v}+a\cos \left(2\mathrm{\πft}\right))]=\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k(\stackrel{\‾}{v},a)\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)\\ H_0(\stackrel{\‾}{v},a)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\exp \left[{-P}_{i}L\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{\mathrm{\φ}}_j(\stackrel{\‾}{v}+a\cos \left(\mathrm{\ξ}\right))\right]\mathrm{d\ξ}\\ H_k(\stackrel{\‾}{v},a)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\mathrm{ecp}\left[{-P}_{i}L\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{\mathrm{\φ}}_j(\stackrel{\‾}{v}+a\cos \left(\mathrm{\ξ}\right))\right]\cos \left(\mathrm{k\ξ}\right)\mathrm{d\ξ}\end{array}---\left(4\right)$

透射光强受到调制和分子吸收共同作用，一次谐波（R_1f）、二次谐波（R_2f）信号表示为：

$\begin{array}{c}{R}_{1f}=\sqrt{X_{1f}^2+Y_{1f}^2}\\ X_{1f}=\frac{G\stackrel{\‾}{I_0}}{2}[H_1+i_0(H_0+\frac{H_2}{2})\cos \mathrm{\Ψ}]\\ Y_{1f}=-\frac{G\stackrel{\‾}{I_0}}{2}\left[i_0(H_0-\frac{H_2}{2})\sin \mathrm{\Ψ}\right]\end{array}---\left(5\right)$

$\begin{array}{c}{R}_{2f}=\sqrt{X_{2f}^2+Y_{=2f}^2}\\ X_{2f}=\frac{G\stackrel{\‾}{I_0}}{2}[H_2+\frac{i_0}{2}(H_1+H_3)\cos \mathrm{\Ψ}]\\ Y_{2f}=-\frac{G\stackrel{\‾}{I_0}}{2}\left[\frac{i_0}{2}(H_1-H_3)\sin \mathrm{\Ψ}\right]\end{array}---\left(6\right)$

某条件下的线型函数和2f/1f信号如图2所示。

、仿真数据库构建（11）

在激光参数和谱线参数确定的条件下，谐波信号是温度和浓度的函数。在调制光谱中，温度是通过两条谱线谐波信号的强度之比来确定的，浓度则由已知温度条的谐波信号强度确定。仿真数据库正是谐波信号强度比与温度和浓度对应关系的数据集，如图3所示。由于完整的数据库是三维的（谐波信号高度比、温度和浓度），为了降低数据库的数据量和提供求解精度，每次仿真得到谐波信号高度比、温度，通过迭代仿真得到最终准确的温度和浓度。

、速度计算（12）

速度计算子模块的任务是通过时间-频率对应关系将谐波信号的时间轴变换成频率轴，然后提取多普勒频移，最后根据光线交叉角度计算气流速度。为了准确获取谐波信号间的频率差，先将谐波信号按照最大值和两侧极小值在0～1之间做规范化处理；对半高以上的信号进行等高插值，获得信号强度相同点的频率值；将上升沿和下降沿的等高点的频率差求平均，即是整个谐波信号的多普勒频移。多普勒频移提取过程见图4。

、信号高度提取（13）

调制光谱中，温度和浓度信息和谐波信号的高度相关，求解温度和浓度之前需要通过合适的算法准确提取谐波信号的高度。由于经过了低通滤波，谐波信号较光滑，谐波信号高度取最大值即可。

、温度、浓度求解（14）

在激光参数和谱线参数确定的条件下，谐波信号是温度和浓度的函数。在调制光谱中，温度是通过两条谱线谐波信号的强度之比来确定的，浓度则由已知温度条的谐波信号强度确定。如果建立谐波信号高度比关于温度和浓度的三维数据库，则由测量信号可在数据库中查找温度和浓度值。但是这样导致数据库数据量的剧增，因为准确求解需要温度和浓度的递增量远小于实验误差。求解的算法是，设定初始浓度，建立谐波信号高度比和温度的对应关系，查询高度比得到温度；由温度谐波信号高度求浓度，并修正初始浓度，迭代该过程直至浓度和温度收敛。温度和浓度求解流程见图5。

步骤四、对调制光谱的谐波信号和数据库进行数值仿真

在各模块联用调试之后，为程序输入必要的参数，包括低通滤波参数、激光参数、谱线参数和激光频率-时间校准曲线。激光参数包括：归一化强度调制幅度i₀、激光频率调制深度a和相位延迟Ψ。谱线参数包括：室温谱线强度、低态能及、谱线空气碰撞加宽和自碰撞加宽系数和温度指数。一条谱线线型函数和对应的谐波信号（R_2f/1f）的仿真结果见图2，两条谱线谐波信号和它们高度比的仿真结果见图3。

步骤五、免标定调制光谱测量***的工作模式选择

根据测量需要设定***工作模式，即实时测量或离线数据处理。实时测量针对10Hz以下的测量，即数据处理需0.1s。实时测量设定数据采集和处理部分并行工作，利用采集时间完成上一次数据的处理。离线数据处理模式，设定数据采集和存储模块并行工作。

Claims (1)

1.一种免标定调制光谱测量***，包括数字锁相信号解调模块、调制光谱仿真模块和测量参数提取模块，其特征在于：

（1）数字锁相信号解调模块包括测量信号采集子模块、解调信号生成子模块、滤波参数输入子模块、数字混频计算子模块、低通滤波器生成子模块、低通滤波运算子模块。其中，

测量信号采集子模块，通过数据采集设备读取探测光电信号、采样率f₁和数据长度L；

解调信号生成子模块，根据调制频率f、采样率f₁和数据长度L，生成解调用的参考信号，包括一倍频正弦和余弦信号，以及二倍频正弦和余弦信号；

滤波参数输入子模块，用于创建用户与程序的交互接口，通过键盘输入滤波器的低通截止频率和滤波阶次；

数字混频计算子模块，将一倍频正弦、余弦信号和二倍频正弦、余弦信号分别与载波信号相乘；

低通滤波器生成子模块，根据采样频率f₁、低通截止频率和滤波阶次，创建低通滤波算法；

低通滤波运算子模块，将得到的四路混频信号分别经过数字滤波器运算，得到一次谐波信号的X分量（X_1f）和Y分量（Y_1f），以及二次谐波的X分量（X_2f）和Y分量（Y_2f），并分别计算R量；

（2）调制光谱仿真模块包括激光参数输入子模块、谱线参数输入子模块、线型函数计算子模块、谐波信号计算子模块、仿真数据库构建子模块。其中，

激光参数输入子模块，通过键盘输入或读取数据文件，为谐波信号仿真计算提供激光参数；

谱线参数输入子模块，通过键盘输入或读取数据文件，为谐波信号仿真计算提供谱线参数；

线型函数计算子模块，对输入的谱线参数进行数值积分计算，得到线型函数；

谐波信号计算子模块，利用输入的激光参数和计算得到的线型函数，计算谐波信号；

仿真数据库构建子模块，通过计算不同的激光参数和谱线参数对应的谐波信号，得到仿真数据库；

（3）测量参数提取模块包括速度计算子模块、信号高度提取子模块、温度、浓度求解子模块。其中，

速度计算子模块，用于提取谐波信号的多普勒频移量并计算流场速度；

信号高度提取子模块，通过提取谐波信号的最大值来获得谐波信号的高度值；

温度、浓度求解子模块，通过迭代算法用仿真谐波信号的高度值和实验谐波信号的高度值，求解流场的温度和浓度。

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