CN109085133B - 一种基于实时反射率修正的离轴积分腔大气ch4浓度的测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量装置，本发明还公开了上述基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度测量装置的测量方法。本发明采用了基于实时反射率修正的离轴积分腔输出光谱方法进行大气CH4浓度的测量，该方法无需在测试前使用已知浓度的CH4标气对离轴积分腔的高反镜反射率进行标定，在实际测量环境中对高反镜反射率进行实时标定，可避免由测试环境改变造成的反射率测量偏差，减少由反射率变化造成的气体浓度测量偏差，提高***测量稳定性，本发明方法能够适用于大气CH4浓度的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量装置，还涉及上述测量装置的测量方法，属于光学测量技术领域。
背景技术
CH4是造成温室效应的主要气体之一，虽然在大气中浓度很低(约为1.8ppmv)，但其对温室效应的作用是CO2的25倍，并且其浓度每年以1.1％的速度在增长，在全球气候变暖中扮演着重要角色。快速、实时、准确监测低空大气中的痕量CH4含量对分析大气甲烷来源、减少甲烷排放、降低全球变暖轨迹有重要意义。受益于激光光源的发展，多种高灵敏度光谱方法已经成熟地应用于大气CH4气体测量，包括腔衰荡光谱(CRDS)法、离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)法等。其中，OA-ICOS具有极高灵敏度与鲁棒性，与CRDS相比，抗干扰能力更强，更适合于外场测量，从而被广泛应用于大气CH4的探测与分析。
现有的离轴积分腔测量***探测大气CH4时，需要对高反镜的反射率进行标定，目前常用的标定方式是在测试前使用已知浓度的CH4标气对反射率进行标定。然而由于实际现场环境中待测空气的组分与CH4标气的组分不同，并且可能随时变化，完全根据标定方式获取的反射率测量值会存在一定偏差，而反射率的测量偏差会造成CH4浓度测量值产生偏差。更严重的是当测试环境变化时，反射率随之改变，而采用CH4标气标定的反射率却是一个定值，这将造成该***测量稳定性下降。另一方面，由于大气CH4浓度在ppmv量级，该浓度量级的CH4标气配制复杂且浓度本身存在一定误差，而且CH4标气成本较高，标定过程繁琐。因此，开发一种无需在测试前使用已知浓度的CH4标气标定反射率，且可对反射率进行实时修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量装置及其测量方法尤为重要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量装置。
本发明还要解决的技术问题是提供上述基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度测量装置的测量方法，该方法可减少由反射率变化造成的气体浓度测量偏差，提高***的测量稳定性，适用于大气CH4浓度的实时监测。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量装置，包括两路探测光路和信号处理模块，两路探测光路的光信号分别由对应的光电探测器传输至信号处理模块中进行处理；第一路探测光路依次包括函数发生器I、激光控制器I、DFB激光器I、光准直器、谐振腔、聚焦透镜和光电探测器I，谐振腔中填充有待测空气；函数发生器I发生信号给激光控制器I，激光控制器I控制 DFB激光器I在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，DFB激光器I发出的激光经光准直器准直后离轴入射到谐振腔中，入射激光经待测空气吸收后，从谐振腔出来经聚焦透镜聚焦后由光电探测器I接收信号，光电探测器I将采集到的光信号转换成电信号传输至信号处理模块中；第二路探测光路依次包括函数发生器II、激光控制器II、DFB激光器II、参考吸收池和光电探测器II，参考吸收池中填充有待测空气；函数发生器II发生信号给激光控制器II，激光控制器II控制DFB 激光器II在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，DFB激光器II发出的激光由光纤传输至参考吸收池的入射口，经参考吸收池中的待测空气吸收后，从参考吸收池出来由光电探测器II接收信号，光电探测器II将采集到的光信号转换成电信号传输至信号处理模块中。
其中，还包括配气组件，配气组件由预混管、流量控制器和抽气泵组成；预混管一端与进气端连接，预混管另一端分别与谐振腔和参考吸收池的进气口连接；谐振腔和参考吸收池的出气口分别通过连接管道与抽气泵连接，在连接管道上均设有流量控制器。
其中，所述DFB激光器I为1653.7nmDFB激光器，DFB激光器II为1391.7nmDFB激光器。
其中，预混管将待测空气分别送入谐振腔和参考吸收池中进行探测。
上述基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤1，两路探测光路中的DFB激光器I和DFB激光器II分别在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，发出的激光分别穿过谐振腔和参考吸收池后分别由光电探测器I和光电探测器II接收信号，光电探测器I测量得到谐振腔背景光强信号和透射光强信号，光电探测器II测量得到参考吸收池背景光强信号和透射光强信号；
步骤2，将步骤1得到的参考吸收池背景光强信号和透射光强信号进行锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号，提取出参考吸收池的H2O吸收峰高度测量值；
步骤3，根据已知的大气温度、压强、参考吸收池长度以及测量得到的参考吸收池背景光强信号，结合HITRAN 2016数据库，得到不同H2O浓度对应的仿真参考吸收池透射光强信号，经锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号，提取出H2O吸收峰高度值，建立不同H2O浓度和H2O吸收峰高度值的数据库，代入步骤2中参考吸收池的H2O吸收峰高度测量值得到实时H2O浓度测量值；
步骤4，将谐振腔背景光强信号和透射光强信号进行锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号，提取出谐振腔的H2O吸收峰高度测量值和CH4吸收峰高度测量值；
步骤5，根据已知的大气温度、压强、谐振腔长、实时H2O浓度测量值以及测量到的谐振腔背景光强信号，结合HITRAN 2016数据库，得到不同反射率对应的仿真谐振腔透射光强信号，经锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号，提取出H2O吸收峰高度值，建立不同反射率和H2O吸收峰高度值的数据库，代入步骤4中谐振腔的H2O吸收峰高度测量值得到实时反射率测量值；
步骤6，根据已知的大气温度、压强、谐振腔长、实时反射率测量值以及测量到的谐振腔背景光强信号，结合HITRAN 2016数据库，得到不同CH4浓度对应的仿真谐振腔透射光强信号，经锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号，提取出CH4吸收峰高度值，建立不同CH4浓度和CH4吸收峰高度值的数据库，代入步骤4中谐振腔的CH4吸收峰高度测量值得到实时 CH4浓度测量值。
有益效果：本发明采用了基于实时反射率修正的离轴积分腔输出光谱方法进行大气CH4浓度的测量，该方法无需在测试前使用已知浓度的CH4标气对离轴积分腔的高反镜反射率进行标定，在实际测量环境中对高反镜反射率进行实时标定，可避免由测试环境改变造成的反射率测量偏差，减少由反射率变化造成的气体浓度测量偏差，提高***测量稳定性，本发明方法能够适用于大气CH4浓度的实时监测。
附图说明
图1为本发明基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度测量装置的***原理图；
图2为本发明基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度测量方法的流程图；
图3为利用本发明测量装置对大气CH4浓度测量的结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量装置，包括两路探测光路和信号处理模块4，两路探测光路的光信号分别由对应的光电探测器传输至信号处理模块4 中进行处理；第一路探测光路依次包括函数发生器I8、激光控制器I9、DFB激光器I10、光准直器11、谐振腔12、聚焦透镜13和光电探测器I18，谐振腔12中填充有待测空气；函数发生器I8发生信号给激光控制器I9，激光控制器I9控制DFB激光器I10在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，DFB激光器I10发出的激光经光准直器11准直后离轴入射到谐振腔12中，入射激光经待测空气吸收后，从谐振腔12出来经聚焦透镜13聚焦后由光电探测器I18接收信号，光电探测器I18将采集到的光信号转换成电信号传输至信号处理模块4中；第二路探测光路依次包括函数发生器II5、激光控制器II6、DFB激光器II7、参考吸收池17和光电探测器II3，参考吸收池17中填充有待测空气；函数发生器II5发生信号给激光控制器II6，激光控制器II6控制DFB激光器II7 在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，DFB激光器II7发出的激光由光纤传输至参考吸收池17的入射口，经参考吸收池17中的待测空气吸收后，从参考吸收池17出来由光电探测器 II3接收信号，光电探测器II3将采集到的光信号转换成电信号传输至信号处理模块4中；其中，DFB 激光器I10为1653.7nmDFB激光器，DFB激光器II7为1391.7nmDFB激光器；1653.7nmDFB激光器能满足同时扫描6046.95cm-1处CH4的吸收谱线与6047.79cm-1处H2O的吸收谱线，同步实现反射率的标定与CH4浓度的测量；在大气中H2O浓度较高，选择H2O在7185.60cm-1处的吸收谱线能在较短吸收光程条件下实现对其浓度实时监测。在实际测量中采用的探测光源并不限于1653.7nm DFB 激光器和1391.7nmDFB激光器。
本发明基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量装置还包括配气组件，配气组件由预混管14、流量控制器15和抽气泵16组成；预混管14一端与外部的进气端连接，预混管14另一端分别与谐振腔12和参考吸收池17的进气口连接；谐振腔14和参考吸收池17的出气口分别通过连接管道2与抽气泵16连接，在连接管道2上均设有流量控制器15，由抽气泵16抽取环境中待测空气，流量控制器组15控制抽气流量，待测空气经预混管14混合后，分别进入谐振腔12和参考吸收池17进行探测。
函数发生器II5发生信号给激光控制器II6控制DFB激光器II7在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，发出的激光由光纤传输至参考吸收池17的入射口，经待测空气吸收后，从参考吸收池17出来并由光电探测器II3接收信号；同时函数发生器I8发生信号给激光控制器I9控制 DFB激光器I10在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，发出的激光经光准直器11后离轴入射到谐振腔12中，经待测空气吸收后，从谐振腔12出来经聚焦透镜13聚焦，并由光电探测器I18接收信号，两个光电探测器将两路光信号转换成电信号传输至信号处理模块4进行处理。
如图2所示，本发明基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量方法，包括如下步骤：
步骤1，由激光控制器II6控制1391.7nmDFB激光器的中心温度和电流，使激光器的出光中心波长在λ1(7185.60cm-1)附近，函数发生器II5输出频率为fs的正弦扫描信号叠加频率为fm的高频正弦调制信号对该DFB激光器的输出波长进行调谐，输出的激光由光纤传输至参考吸收池17中，光电探测器II3分别测量参考吸收池17N2背景光强信号
和透射光强信号
同时由激光控制器I9控制1653.7nmDFB激光器的中心温度和电流，使激光器的出光中心波长在λ2(6047.35cm-1) 附近，函数发生器I8输出频率为fs的正弦扫描信号叠加频率为fm的高频正弦调制信号对该DFB激光器的输出波长进行调谐，输出的激光经光准直器11准直后离轴入射到谐振腔12中，光电探测器I18 分别测量谐振腔12N2背景光强信号
和透射光强信号IM(v)；λ1为H2O测量谱线的波长，λ2为 CH4测量谱线(6046.95cm-1)与附近H2O吸收谱线(6047.79cm-1)的中间波长；
步骤2，将参考吸收池17背景光强信号
和透射光强信号
进行锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号
提取出参考吸收池的H2O吸收峰高度测量值
式(1)中，
为卷积符号，F为滤波函数，t为时间，fm为调制频率，
分别为背景光强
对应的一次谐波与二次谐波的X和Y方向分量；
分别为透射光强
对应的一次谐波与二次谐波的X和Y方向分量；
分别为透射光强
和背景光强
对应的一次谐波信号的绝对值，
为透射光强
对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号；
步骤3，根据Beer-Lambert定律，吸收率k(v1)表示为
式中，p为气体压强，
为大气H2O浓度，L为参考吸收池长度，S(T)为吸收谱线在温度T 时的谱线强度，T为气体温度(由温湿度测量仪HMT333实时监测得到)，φ(v1)为吸收谱线的线型函数，采用Voigt线型描述，线型函数中的谱线参数由HITRAN2016数据库提供；
由式(2)可得仿真参考吸收池透射光强
为：
建立不同H2O浓度
对应的仿真参考吸收池透射光强
将
和
进行步骤 2相同的锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号
提取出H2O 吸收峰高度值
建立
和
的数据库，代入
得到实时H2O浓度测量值
步骤4，将谐振腔背景光强信号
和透射光强信号IM(v)进行步骤2相同的锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号
提取出谐振腔的H2O吸收峰高度测量值
和CH4吸收峰高度测量值
步骤5，由离轴积分腔的基本理论可知，谐振腔背景光强信号
和透射光强信号IM(v)的关系为：
式中，R为谐振腔高反镜的反射率，上为谐振腔长(与参考吸收池长度相同)，α(v)为气体吸收系数，α(v)表示为
α(ν)＝p·x·S(T)·φ(v) (5)
式中，x为气体浓度，由式(4)与(5)，可得仿真谐振腔透射光强信号IS(v)为：
建立不同反射率RS对应的仿真谐振腔透射光强信号IS(v)，将IS(v)和
进行步骤2相同的锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号
提取出H2O吸收峰高度值
建立RS和
的数据库，代入
得到实时反射率测量值Rr；
步骤6，由式(6)建立不同CH4浓度
对应的仿真谐振腔透射光强信号IS(v)，将IS(v)和
进行步骤2相同的锁相滤波处理，得到其对应的扣背景一次谐波归一化二次谐波信号
提取出CH4吸收峰高度值
建立
和
的数据库，代入
得到CH4浓度测量值
大气中实时H2O浓度测量结果如图3中的(a)所示，扫描频率为50Hz，进行500周期平均后给出H2O浓度测量结果，在600s测试时间内，大气H2O浓度缓慢波动，且浓度波动在±0.5％以内，计算得到的实时反射率Rr测量结果如图3中的(b)所示，平均反射率Rf为0.99501，标准偏差为 1.2×10-4，计算得到的大气中实时CH4浓度测量结果如图3中(c)所示，大气CH4平均浓度测量值为1.821ppmv，标准偏差为0.024ppmv，即相对偏差为1.31％，时间分辨率为10s。而采用平均反射率Rf计算得到的大气中CH4浓度结果也在图3(c)中，得到的大气CH4平均浓度测量值为1.820ppmv，标准偏差为0.052ppmv，即相对偏差为2.86％。由上述结果可知，采用实时反射率Rr计算得到的CH4浓度结果相对偏差较小，稳定性更好，有效的减少了由反射率变化带来的测量偏差，该测量装置可以实现大气CH4浓度的快速、实时、稳定测量。
Claims (1)
1.一种基于实时反射率修正的离轴积分腔大气CH4浓度的测量方法，其特征在于，
使用的测量装置包括两路探测光路和信号处理模块，两路探测光路的光信号分别由对应的光电探测器传输至信号处理模块中进行处理；第一路探测光路依次包括函数发生器I、激光控制器I、DFB激光器I、光准直器、谐振腔、聚焦透镜和光电探测器I；函数发生器I发生信号给激光控制器I，激光控制器I控制DFB激光器I在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，DFB激光器I发出的激光经光准直器准直后离轴入射到谐振腔中，入射激光经谐振腔中的待测空气吸收后，从谐振腔出来经聚焦透镜聚焦后由光电探测器I接收信号，光电探测器I将采集到的光信号转换成电信号传输至信号处理模块中；第二路探测光路依次包括函数发生器II、激光控制器II、DFB激光器II、参考吸收池和光电探测器II；函数发生器II发生信号给激光控制器II，激光控制器II控制DFB激光器II在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，DFB激光器II发出的激光由光纤传输至参考吸收池的入射口，经参考吸收池中的待测空气吸收后，从参考吸收池出来由光电探测器II接收信号，光电探测器II将采集到的光信号转换成电信号传输至信号处理模块中；测量装置还包括配气组件，配气组件由预混管、流量控制器和抽气泵组成；预混管用于将待测空气分别送入谐振腔和参考吸收池中进行探测，预混管一端与进气端连接，预混管另一端分别与谐振腔和参考吸收池的进气口连接；谐振腔和参考吸收池的出气口分别通过连接管道与抽气泵连接，在连接管道上均设有流量控制器；
测量方法包括如下步骤：
步骤1，两路探测光路中的DFB激光器I和DFB激光器II分别在扫描吸收谱线的同时以高频正弦信号调制激光波长，发出的激光分别穿过谐振腔和参考吸收池后分别由光电探测器I和光电探测器II接收信号，光电探测器I测量得到谐振腔背景光强信号和透射光强信号，光电探测器II测量得到参考吸收池背景光强信号和透射光强信号；DFB激光器II 的出光中心波长在7185.60cm-1附近，DFB激光器I的出光中心波长在6047.35cm-1附近，7185.60cm-1为H2O测量谱线的波长，6047.35cm-1为CH4测量谱线6046.95cm-1与附近的H2O测量谱线6047.79cm-1的中间波长；
步骤2，将步骤1得到的参考吸收池背景光强信号和透射光强信号进行锁相滤波处理，得到其对应的扣背景的一次谐波归一化的二次谐波信号，提取出参考吸收池的H2O吸收峰高度测量值；
步骤3，根据已知的大气温度、压强、参考吸收池长度以及测量得到的参考吸收池背景光强信号，结合HITRAN 2016数据库，得到不同H2O浓度对应的仿真参考吸收池透射光强信号，经锁相滤波处理，得到其对应的扣背景的一次谐波归一化的二次谐波信号，提取出H2O吸收峰高度值，建立不同H2O浓度和H2O吸收峰高度值的数据库，代入步骤2中参考吸收池的H2O吸收峰高度测量值得到实时H2O浓度测量值；
步骤4，将谐振腔背景光强信号和透射光强信号进行锁相滤波处理，得到其对应的扣背景的一次谐波归一化的二次谐波信号，提取出谐振腔的H2O吸收峰高度测量值和CH4吸收峰高度测量值；
步骤5，根据已知的大气温度、压强、谐振腔长、实时H2O浓度测量值以及测量到的谐振腔背景光强信号，结合HITRAN 2016数据库，得到不同反射率对应的仿真谐振腔透射光强信号，经锁相滤波处理，得到其对应的扣背景的一次谐波归一化的二次谐波信号，提取出H2O吸收峰高度值，建立不同反射率和H2O吸收峰高度值的数据库，代入步骤4中谐振腔的H2O吸收峰高度测量值得到实时反射率测量值；
步骤6，根据已知的大气温度、压强、谐振腔长、实时反射率测量值以及测量到的谐振腔背景光强信号，结合HITRAN 2016数据库，得到不同CH4浓度对应的仿真谐振腔透射光强信号，经锁相滤波处理，得到其对应的扣背景的一次谐波归一化的二次谐波信号，提取出CH4吸收峰高度值，建立不同CH4浓度和CH4吸收峰高度值的数据库，代入步骤4中谐振腔的CH4吸收峰高度测量值得到实时CH4浓度测量值。
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