CN105388120B - 基于wmrf模型的免定标波长调制光谱气体检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于WMRF新模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。解决了目前用于气体浓度检测的免定标波长调制光谱技术存在的精度不高的技术问题。本发明采用了一个0.02cm‑1自由光谱区的标准具来分析调制信号引起的波长变化WMRF，观察到了幅度线性变化的一次谐波分量和幅度为常数的二次谐波分量，提出了一个描述WMRF的新模型。用此新模型，***可以得到更精确的拟合结果，较以往***，无需增加硬件模块以及人为操作，只需要在程序上进行改进，有利于开发应用。本发明技术方案简单，操作方便，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。

Description

基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法
技术领域
本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。
背景技术
空气污染的日益严重，使得公众对空气质量和环境监测的关注度越来越高，痕量气体的检测在人类的生产生活中也变得越来越重要。在高速发展的工业中，痕量气体的监测可以用于调节生产过程，以减少污染物的排放并且提高生产效率。同时，痕量气体的检测也可以应用到病理检测、农业耕种等方面。
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)，作为一种新型的痕量气体检测技术，具有实时在线、非侵入式和高灵敏度等特点，并且已经在过去20年内从实验室走向了成熟的实际应用。其中，直接吸收光谱(DAS)和波长调制光谱(WMS)是最主要的两种TDLAS技术。DAS简单直接，但是探测灵敏度低，其应用受到了限制。而WMS由于使用了调制技术，可以更好的抑制噪声，获得比DAS更低的探测极限，同时它的结构紧凑、装置简单，所以得到了广泛的应用。
但是WMS技术的一个不足之处就是需要进行浓度定标。传统的WMS使用参考信号cos(2ωt)和sin(2ωt)对吸收光强进行二次谐波解调得到两个正交的分量：
式中G表示光电转换增益，I0表示中心光强；i1,i2是光强调制幅度，ψ1,ψ2是光强调制与波长调制之间的相位差；H0,H1,H2,H3,H4是吸收有关项，正比于介质浓度和吸收线型方程。其中，G是一个不能直接测量得到的量，而I0会随着光束抖动、光散射等因素产生起伏，所以根据公式(1)只能获得目标气体相对的吸收大小，如果要得到绝对的浓度值，就需要知道某一确定浓度的标气对应的吸收量，再根据比例换算得到不同的解调信号对应的浓度值。这种方法要求标气和目标气体处于相同的测量环境：温度、压强、气体组分，会大大增加***的复杂程度，降低准确度。
为了解决WMS的这个不足之处，提出了一种称为免定标波长调制光谱技术(CF-WMS)的方法。对吸收光强信号进行二次谐波解调得到X2f和Y2f，进行一次谐波解调得到X1f和Y1f，并分别求绝对幅度值，可以得到：
其中，X1f和Y1f为：
从公式(2)和公式(3)中我们可以看出，R2f和R1f都与不确定因子G和I0成正比，那么R2f/R1f就可以消除不确定因子，得到的结果就只与光强调制和浓度有关了，从而达到免定标的目的。
在CF-WMS中，不仅需要知道吸收光强信号，还要知道无吸收光强信号以及波长变化v，这三个量的准确性就直接反应了***的准确与否。其中，v是随着三角波扫描和正弦波调制信号变化的，可以表示为：
v＝vpoly+F(cos(ωt)) (5)
公式中vpoly表示三角波扫描引起的波长变化部分，而F(cos(ωt))是波长响应调制函数WMRF，表示正弦波调制引起的波长变化。在以上提到的几个量中，吸收光强信号和无吸收光强信号都是通过测量直接获得的，vpoly是根据标准具的透射峰进行多项式拟合获得的，三个量都很准确，那么F(cos(ωt))的准确性就至关重要。传统的WMRF是使用一个调制幅度为常数的正弦波表示：
F(cos(ωt))＝acos(ωt) (6)
使用该模型得到的CF-WMS拟合残差达到1％之多，得到的浓度结果准确性也差。所以，急需对WMRF进行测量分析，并且给出一个更加准确的WMRF表达式，提高CF-WMS的准确性。
发明内容
本发明为解决目前用于气体浓度检测的免定标波长调制光谱技术(CF-WMS)存在的精度不高的技术问题，提供一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，采用如下装置：函数发生器，与函数发生器的两个信号输出端相连接的加法器、与加法器信号输出端相连接的激光控制器以及由激光控制器控制的DFB激光器；DFB激光器的出射光路上设有分束器，分束器的一个出射端顺次设有第一准直镜、气体吸收池以及第一光电探测器；分束器的另一个出射端顺次设有第二准直镜、标准具以及第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器的信号输出端均连接有电脑；函数发生器的第三个信号输出端与电脑连接；所述气体探测方法包括如下步骤：(a)探测前采用下式：F(cos(ωt))＝(at+b)cos(ωt)+ccos(2wt+θ)拟合WMRF函数，式中a，b，c、θ均为待定常数，均与使用的DFB激光器有关；通过标准具探测得到DFB激光器的波长变化v以及三角波扫描引起的波长变化vpoly，二者之差得到F(cos(ωt))的值，结合该值并根据上式进行拟合，进而得到a，b，c、θ四个系数的数值，也即拟合得到WMRF函数；(b)测量待测气体吸收后的光强信号，对吸收光强信号进行一次谐波解调和二次谐波解调，进而得到R2f/R1f；同时利用通过标准具透射峰拟合得到的vpoly和步骤(a)中得到的WMRF函数可以得到波长随时间的变化v，结合波长随时间的变化v、无吸收光强信号以及不同的气体浓度值这三个量并利用比尔朗博定律可以模拟得到模拟吸收光强，模拟吸收光强经过一次谐波解调和二次谐波解调，就可以得到模拟吸收光强的一次谐波解调信号和二次谐波解调信号，进而得到关于模拟吸收光强一次谐波解调信号的绝对幅度值Rs 1f和二次谐波解调信号的绝对幅度值Rs 2f，从而有Rs 2f/Rs 1f；(c)电脑在相应软件(基于最小二乘法)的支持下判断Rs 2f/Rs 1f和R2f/R1f是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，重复拟合过程，直到得到拟合浓度值，该拟合浓度值就是待测气体的浓度值。
本发明所述的免定标波长调制光谱气体检测方法所用装置如图1所示。由函数发生器产生三角扫描信号和正弦调制信号经加法器相加送到激光控制器，从而扫描和调制分布式反馈(DFB)激光器的输出波长。被调制的激光波束经过分束器分为两部分：一部分经第一准直镜通过气体吸收池，和气体相互作用后被第一光电探测器探测，另一部分经第二准直镜进入标准具，之后被第二光电探测器探测，用作波长定标。探测器的探测信号送入电脑，使用函数发生器产生的参考信号对探测信号进行解调。
本发明可以通过拟合解调的测量信号R2f/R1f与模拟的Rs 2f/Rs 1f信号而获得气体的浓度，而一个准确的DFB激光器的波长调制响应函数(WMRF)对于CF-WMS的准确探测至关重要。传统的方法是使用一个调制幅度为常数的正弦波作为DFB激光器的WMRF，拟合结果产生较大误差，为了能准确的表达WMRF，本发明使用一个标准具来测量波长的变化，测量和分析结果如图2所示。在图2(a)中，黑色的点是激光波长随调制信号的变化，即WMRF。对WMRF的一次谐波分量进行了分段拟合，得到的结果如图2(b)所示，可以看到WMRF的一次谐波分量的幅度并不是一个常数，而随时间线性减小。这是由于随着DFB激光器电流的增加，有源区温度升高，从而改变有源区折射率，导致了激光波长的变化，而温度随电流的变化是一个非线性过程，会导致激光波长产生高次谐波，同时调制幅度也会产生高阶非线性项，同时，于是采用下式来拟合WMRF：
参数结果展示在表1中。
表1.(6)式的拟合结果
通过对表1中的数据进行分析，去除了值相对比较小，对结果影响有限的项，最终得到WMRF的表达式：
F(cos(ωt))＝(at+b)cos(ωt)+ccos(2wt+θ) (2)
其中at+b是1f项(即i＝1时)的线性改变，c是2f(即i＝2时)的常数幅度,θ是1f和2f之间的相移。可以看出，WMRF除了存在幅度线性变化的一次谐波分量，还存在常数幅度的二次谐波分量。
使用公式(2)的新模型对浓度为406ppm乙炔产生的CF-WMS信号进行了拟合，并且与旧模型得到的结果进行了比较，比较结果如图3所示，图3(a)是使用旧WMRF模型得到的拟合结果，图3(b)是使用新模型得到的拟合结果。上图的点线表示测量结果，黑线是拟合结果，下图黑线为拟合残差，其中拟合得到的浓度结果也表示在图中。可以看出使用新模型得到的拟合残差是使用旧模型的10％，而且得到的浓度结果更佳接近实际情况。
步骤(a)中采用标准具测量得到的波长变换量v是离散的数据，并不能表示完整的频率变化；根据拟合得到的WMRF函数与vpoly就可以得到连续的波长变换量，才能够用于拟合过程。
所述的比尔朗博定律：模拟吸收光强＝无吸收光强*exp(吸收系数)；所述吸收系数可以根据福吉特吸收线型函数获得；所述的福吉特吸收线型函数为本领域公知的函数，具体形式为： 其中(波长变化)为福吉特函数，其值受温度影响，所以需要知道环境气压、温度、有效光程，这几个量都是可以预先测量得到的，初始浓度值是随意设置的，最后拟合时通过不断的变换气体浓度值，直到得到最佳的拟合值。
本发明技术与其它同类技术相比有以下优点：
1.本发明技术提出了可用于痕量气体检测领域的提高免定标波长调制光谱吸收测量准确性的一种新方法。
2.本发明采用了一个0.02cm-1自由光谱区(FSR)的标准具来分析调制信号引起的波长变化WMRF，观察到了幅度线性变化的一次谐波分量和幅度为常数的二次谐波分量，提出了一个描述WMRF的新模型。用此新模型，***可以得到更精确的拟合结果。
3.本发明较以往***，无需增加硬件模块以及人为操作，只需要在程序上进行改进，有利于开发应用。
4.本发明技术方案简单，操作方便，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。
附图说明
图1为本发明所述免定标波长调制光谱吸收测量装置图。1为函数发生器，2为加法器，3为激光控制器，4为DFB激光器，5为分束器，6为第一准直镜，7为第二准直镜，8为气体吸收池，9为标准具，10为第一光电探测器，11为第二光电探测器，12为电脑。
图2为使用标准具测量波长的变化和分析结果图。(a)中黑实线的是激光波长随调制信号的变化；(b)为对图(a)信号的一次谐波分量进行了分段拟合得到的结果。
图3为使用不同WMRF模型对同一组CF-WMS信号进行拟合得到的结果。图3(a)是使用旧WMRF模型得到的拟合结果，图3(b)是使用本申请所述的新模型得到的拟合结果。上图的点线表示测量结果，实线是拟合结果，下图实线为拟合残差，其中拟合得到的浓度结果也表示在图中。
图4为CF-WMS的拟合过程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术作进一步的说明。
如图1所示，由函数发生器1产生32Hz三角扫描信号和10KHz正弦调制信号经加法器2相加送到激光控制器3，用于扫描和调制DFB激光器4(NTT,NLK1L5EAAA)的输出波长。被调制的激光波束经过分束器5分为两部分：一部分经第一准直镜6进入气体吸收池8，和气体相互作用后被第一光电探测器10(PDs，Thorlabs,PDA10CS-EC)探测，另一部分经第二准直镜7进入标准具9(0.02cm-1FSR)，之后被第二光电探测器11探测，用于波长定标，分别得到波长随三角波信号以及调制信号的变化。其中三角波引起的波长变化vpoly使用多项式进行拟合，而调制信号引起的波长变化使用WMRF模型进行拟合，得到的拟合参数送入拟合程序，用于拟合测量信号。探测器的探测信号经一个10MHz、12位的数据采集卡(NI Corporation，PCI-6115)采集送入电脑12，使用函数发生器1产生的参考信号对吸收信号进行解调，使用得到的二次谐波信号与一次谐波信号之比R2f/R1f反演出气体浓度。
在公式(2)和(3)中，H0～H4都与浓度有关，那么使用不同的浓度代入公式可以模拟得到相对应的Rs 2f/Rs 1f，通过与测量得到的R2f/R1f比较，形状和幅度最接近的Rs 2f/Rs 1f对应的浓度就作为浓度结果。CF-WMS拟合过程如图4所示，通过标准具透射峰拟合得到的vpoly和F(cos(ωt))可以得到波长随时间的变化v，和无吸收光强信号以及不同的浓度根据比尔朗博定律可以模拟得到吸收光强，模拟吸收光强经过电脑内设的数字锁相放大器程序，就可以得到模拟的Rs 2f/Rs 1f信号。同时***会测量经过气体吸收池的吸收光强，吸收光强通过数字锁相放大器解调得到测量的R2f/R1f信号，拟合程序会判断模拟信号和测量信号是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合浓度值，如果不是，带入另一个浓度值，重复拟合过程。
图3为使用不同WMRF拟合同一组R2f/R1f信号的结果，使用的目标气体是浓度为406ppm的乙炔气体，上层为拟合的结果，下层为残差。(a)是用新WMRF模型拟合得到结果，(b)是用常数调制幅度的WMRF拟合的结果。可以看到新模型相比于传统模型，可以得到更小的拟合残差，并且得到的浓度结果也更加准确。

Claims (4)

1.一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，采用如下装置：函数发生器(1)，与函数发生器(1)的两个信号输出端相连接的加法器(2)、与加法器(2)信号输出端相连接的激光控制器(3)以及由激光控制器(3)控制的DFB激光器(4)；DFB激光器(4)的出射光路上设有分束器(5)，分束器(5)的一个出射端顺次设有第一准直镜(6)、气体吸收池(8)以及第一光电探测器(10)；分束器(5)的另一个出射端顺次设有第二准直镜(7)、标准具(9)以及第二光电探测器(11)；所述第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的信号输出端均连接有电脑(12)；函数发生器(1)的第三个信号输出端与电脑(12)连接；其特征在于，所述气体探测方法包括如下步骤：(a)探测前采用下式：
F(cos(ωt))＝(at+b)cos(ωt)+ccos(2wt+θ)拟合WMRF函数，式中a，b，c、θ均为待定常数，均与使用的DFB激光器(4)有关；通过标准具(9)探测得到DFB激光器(4)的波长变化v以及三角波扫描引起的波长变化vpoly，二者之差得到F(cos(ωt))的值，结合该值并根据上式进行拟合，进而得到a，b，c、θ四个系数的数值，也即拟合得到WMRF函数；(b)测量待测气体吸收后的光强信号，对吸收光强信号进行一次谐波解调和二次谐波解调，进而得到R2f/R1f；同时利用通过标准具透射峰拟合得到的vpoly和步骤(a)中得到的WMRF函数可以得到波长随时间的变化v，结合波长随时间的变化v、无吸收光强信号以及不同的气体浓度值这三个量并利用比尔朗博定律可以模拟得到模拟吸收光强，模拟吸收光强经过一次谐波解调和二次谐波解调，就可以得到模拟吸收光强的一次谐波解调信号和二次谐波解调信号，进而得到关于模拟吸收光强一次谐波解调信号的绝对幅度值Rs 1f和二次谐波解调信号的绝对幅度值Rs 2f，从而有Rs 2f/Rs 1f；(c)电脑(12)在相应软件的支持下判断Rs 2f/Rs 1f和R2f/R1f是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，重复拟合过程，直到得到拟合浓度值，该拟合浓度值就是待测气体的浓度值。
2.如权利要求1所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，所述标准具(9)为0.02cm-1自由光谱区的标准具。
3.如权利要求1或2所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，步骤(a)中拟合a，b，c、θ四个系数时采用的是最小二乘法。
4.如权利要求1或2所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，所述的一次谐波解调和二次谐波解调均通过电脑(12)内设的数字锁相放大器程序完成。
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