CN109270027A - 一种基于正弦调制时域拟合的气体吸收率在线测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于正弦调制时域拟合的气体吸收率在线测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术领域。该方法利用正弦信号对可调谐半导体激光器电流进行调制，实现激光器波长正弦调制的同时，确保入射光强激光强度(基线)具有明确表达式；通过将吸收率在频域和时域之间进行转换，结合明确的基线表达式，通过在时域上对透射激光强度进行拟合实现基线与气体吸收率的同步在线测量。该方法操作简便，有效地解决了传统直接吸收法(三角或锯齿信号扫描)基线拟合受人为因素影响大、吸收率测量精度低、时间分辨率低、数据处理复杂等问题，预期可为谱线参数高精度标定、复杂工业现场中气体参数在线监测提供测量手段。

Description

一种基于正弦调制时域拟合的气体吸收率在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种气体吸收率在线测量方法，尤其涉及一种基于可调谐二极管激光吸收光谱直接吸收法技术的吸收率测量方法，属于激光光谱及气体测量技术领域。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorptionspectroscopy,TDLAS)由于其非接触、测量灵敏度高、抗干扰能力强等优点，已经发展成为高精度气体参数诊断主要手段之一。该方法利用窄带可调谐半导体激光器扫描分子吸收谱线，结合比尔-兰伯特(Beer-Lambert)定律，计算出分子吸收率，进而确定气体温度、浓度、压力、谱线物理参数等信息。

TDLAS经过多年的发展已形成直接吸收和波长调制两种主要测量方法。直接吸收法利用低频三角波或者锯齿波扫描分子吸收谱线，通过入射光与透射光之间的关系结合比尔-兰伯特(Beer-Lambert)定律直接计算出分子吸收率，物理概念清晰，操作简单；波长调制法在低频扫描基础上加载高频正弦调制，通过谐波检测有效降低实验中颗粒物、激光强度波动等噪声干扰，具有较高灵敏度，鲁棒性较好，在复杂工业现场等恶劣环境具有显著优势。尽管波长调制法利用谐波检测技术和标定实验在气体温度和浓度测量方面得到了广泛关注，但是直接吸收法由于能够直接测量分子吸收率、免标定等优点，在TDLAS技术中占有重要地位。

在直接吸收法中，精确测量入射激光(基线)强度是准确测量吸收率测量的关键，传统直接吸收法一般采用多项式对透射激光强度两侧无吸收区域进行拟合，得到基线表达式，进而根据Beer-Lambert定律和标定激光波长得到吸收率。该方法存在下述问题：(1)由于三角波或者锯齿波的高频成分对探测***的带宽要求较高，扫描频率通常被制约在100Hz-10kHz，严重制约了该方法的时间分辨率；(2)由于谱线展宽、相邻谱线干扰和激光波长扫描范围受限等因素，无吸收区域在实际测量中难以获得，如在常压环境下，碰撞展宽占主导因素，即使离吸收谱线中心波长十倍半高宽处也存在一定的吸收，其吸收强度约为峰值的百分之一。因此，通过无吸收或吸收较弱区域拟合基线存在较大的不确定度，如在1％(峰值)弱吸收条件下，1％的基线拟合误差可能会带来100％的测量误差。

考虑到基线拟合不确定性带来的测量误差，科研工作者常采用下述方法以减小基线误差：(1)通过分时分别测量无吸收和有吸收时的透射激光强度，将无吸收时测得的激光强度作为基线，该方法适用于有封闭腔室的环境，如实验室谱线参数标定，但对于开放空间测量无能为力，如燃烧诊断、烟气分析等；另外，分时测量无法消除激光强度自身波动的影响，同时光路也会发生微小的变化。(2)通过分束测量参考激光强度并将其当作基线，该方法适用于光纤技术成熟的近红外测量，而中红外自由空间输出激光采用分束测量***复杂；另外，分束测量容易引起光路干涉，同时由于参考光路和测量光路之间的差异使得参考光并不能严格代表基线，进而导致测量误差。

发明内容

为了解决直接吸收法基线拟合不确定大、时间分辨率低等问题，本发明提供一种基于正弦调制时域拟合的气体吸收率在线测量方法，以进一步提高气体吸收率测量精度，简化测量过程。本发明的技术方案如下：

1)针对待测谱线在光谱数据库中确定其谱线中心波长v₀；

2)通过调节激光控制器中心电流及温度控制可调谐半导体激光器输出激光的波长在v₀附近，通过信号发生器产生频率为ω的正弦信号，输入给激光控制器，用以调制激光控制器的输出电流，进而调制可调谐半导体激光器输出激光的波长；

3)将可调谐半导体激光器产生的激光通过光纤分束器分为两路，一路经过准直后穿过待测气室，通过第一光电探测器接收透射激光强度；另一路激光射入干涉仪，通过第二光电探测器探测干涉仪的出射激光强度，第一和第二光电探测器将光信号转换为电信号传入计算机10；

4)令可调谐半导体激光器3输出激光瞬时波长为：

对第二光电探测器8采集到的信号，利用Matlab程序拟合得到公式(1)中的系数

a₁,ω,η₁,a₂,η₂；式中t为探测时间，为激光中心波长，a₁、a₂分别为线性和非线性波长调制幅值，η₁、η₂分别为线性和非线性波长调制相位角；

5)令入射到气室5前的瞬时入射激光强度为：

式中：为激光强度平均值，i₁、i₂分别为线性和非线性光强调制幅值，θ₁、θ₂分别为线性和非线性光强调制相位角；

6)根据比尔-兰伯特(Beer-Lambert)定律，穿过气室5的瞬时透射激光强度为：

其中，α(v)为待测谱线吸收率，A为积分面积，为待测谱线线型函数，用Raution函数表示，由待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β决定；

7)将公式(1)和(2)代入公式(3)中，得到瞬时透射激光强度与探测时间t之间的关系式，通过该关系式利用Matlab程序中的FIT函数对第二光电探测器接收到的瞬时透射激光强度在时域上进行拟合，得到瞬时入射激光强度I₀、积分面积A、待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β；

8)将待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β代入Raution函数中，计算待测谱线线型函数结合7)中所得积分面积A，利用公式计算待测谱线吸收率α(v)。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明方法针对传统的三角波或锯齿波调制的直接吸收法存在的问题，提出一种基于正弦调制时域拟合的吸收率测量方法，不仅有利于调制频率的提高，而且可以有效的消除传统直接吸收法中基线拟合受人为因素影响大、拟合不确定度大、对吸收率测量结果影响大的问题，同时该方法数据处理重复性非常高，可以实现软件自动处理。

附图说明

图1是本发明的气体吸收率测量***结构原理图。

图2是本发明实验测量所得的瞬时透射激光强度信号和干涉仪信号，以及通过干涉仪信号得到的波长标定结果。

图3是通过本发明在时域上拟合得到的瞬时入射激光强度I₀和瞬时透射激光强度I_t以及瞬时透射激光强度拟合残差。

图4是通过本发明所得吸收率及Raution函数最优拟合结果。

图中：1-信号发生器；2-激光控制器；3-可调谐半导体激光器；4-光纤分数器；5-气室；6-第一光电探测器；7-干涉仪；8-第二光电探测器；9-示波器；10-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的气体吸收率测量***结构原理图，该测量***包括信号发生器1、激光控制器2、可调谐半导体激光器3、光纤分数器4、气室5、第一光电探测器6、干涉仪7、第二光电探测器8、示波器9和计算机10。信号发生器1产生频率为ω的正弦信号，输入给激光控制器2，用以调制激光控制器2的输出电流，进而调制可调谐半导体激光器3输出激光的波长；将可调谐半导体激光器3产生的激光通过光纤分束器4分为两路，一路经过准直后穿过气室5，通过第一光电探测器6接收透射激光强度；另一路激光射入干涉仪7)，通过第二光电探测器8探测干涉仪7的出射激光强度，第一和第二光电探测器将光信号转换为电信号经示波器9后传入计算机10。

基于上述测量***，本发明提供一种基于激光吸收光谱的气体吸收率在线测量方法，该方法包括了如下步骤：

1)针对待测谱线在光谱数据库中确定其谱线中心波长v₀；

2)通过调节激光控制器2中心电流及温度控制可调谐半导体激光器3输出激光的波长在v₀附近，通过信号发生器1产生频率为ω的正弦信号，输入给激光控制器2，用以调制激光控制器2的输出电流，进而调制可调谐半导体激光器3输出激光的波长；

3)将可调谐半导体激光器3产生的激光通过光纤分束器4分为两路，一路经过准直后穿过待测气室5，通过第一光电探测器6接收透射激光强度；另一路激光射入干涉仪7，通过第二光电探测器8探测干涉仪7的出射激光强度，第一和第二探测器将光信号转换为电信号传入计算机10；第二光电探测器8探测到的信号如图2“·”所示；图2中“o”为波长标定点，其坐标定义如下：将图2“·”各峰值时间记为波长标定点的横坐标，根据实验所用干涉仪自由光谱区FSR值，将各波长标定点的纵坐标，即相对波长，依次定义为1×FSR,2×FSR,…,(n-1)×FSR,n×FSR,(n-1)×FSR…,2×FSR,1×FSR，其中n为半个周期内“·”的个数，在时间-相对波长坐标抽下绘制各波长点，如图2中“o”所示；

4)令可调谐半导体激光器3输出激光瞬时波长为：

式中t为探测时间，为激光中心波长，a₁，a₂分别为线性和非线性波长调制幅值，η₁，η₂分别为线性和非线性波长调制相位角，针对3)中的波长标定点，利用Matlab程序拟合得到公式(1)中的系数a₁,ω,η₁,a₂,η₂；

5)令入射到气室5前的瞬时入射激光强度为：

式中为激光强度平均值，i₁、i₂分别为线性和非线性光强调制幅值，θ₁、θ₂分别为线性和非线性光强调制相位角；

6)根据比尔-兰伯特(Beer-Lambert)定律，穿过气室5的瞬时透射激光强度为：

其中，α(v)为待测谱线吸收率，A为积分面积，为待测谱线线型函数，用Raution函数表示，其定义为：

由待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β决定；x，y，z是中间变量，k是积分形式变量；待测谱线线型函数除采用Raution以外，还可采用福伊特(Voigt)和Galatry函数表示；

7)将公式(1)和(2)代入公式(3)中，得到瞬时透射激光强度与探测时间t之间的关系式，瞬时透射激光强度由I₀、γ_D、γ_L、β和A决定，利用该关系式通过Matlab程序中的FIT函数对第二光电探测器8接收到的瞬时透射激光强度在时域上进行拟合，得到瞬时入射激光强度I₀、积分面积A、待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β；

8)将待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β代入公式(4)Raution函数中，计算待测谱线线型函数结合7)中所得积分面积A，利用公式计算待测谱线吸收率α(v)。

实施例：

1)实施例以测量CO的R(11)谱线为例，测量其吸收率，从光谱数据库中选取其中心波长v₀＝4300.699cm^-1；

2)通过调节激光控制器2中心电流100mA及温度32.07℃控制可调谐半导体激光器3输出激光的波长在波长v₀＝4300.699cm^-1附近，通过信号发生器产生频率ω＝2×π×100的正弦信号，输入给激光控制器2，用以调制激光控制器2的输出电流，进而调制可调谐半导体激光器3输出激光的波长；

3)将可调谐半导体激光器3产生的激光通过光纤分束器4分为两路，一路经过准直后穿过待测气室5，通过第一光电探测器6接收透射激光强度；另一路激光射入干涉仪7，通过第二光电探测器8探测干涉仪7的出射激光强度，第一和第二探测器将光信号转换为电信号传入计算机10；实验所得干涉仪信号和瞬时透射激光强度信号分别如图2中的“·”和“▲”所示，图2中“o”为波长标定点；将“·”各峰值时间记为波长标定点的横坐标，由于所选用的干涉仪自由光谱区(FSR)为0.05cm^-1，将各波长标定点纵坐标依次定义为0.05,0.1,0.15,…,1.15,1.2,1.15,…0.1,0.05，在时间-相对波长坐标抽下绘制各波长标定点，如图2中“o”所示；

4)令可调谐半导体激光器3输出激光瞬时波长为：

式中t为探测时间，为激光中心波长，a₁，a₁为线性和非线性波长调制幅值，η₁，η₂为线性和非线性波长调制相位角，针对图2“o”所示的波长标定点，利用Matlab程序拟合得到公式(1)中的系数a₁＝0.598,η₁＝0.421π,a₂＝-0.138,η₂＝0.082π，拟合结果如图2黑色实线所示，波长拟合残差如图2下方所示；

5)令入射到气室5前的瞬时入射激光强度为：

式中为激光强度平均值，i₁、i₂分别为线性和非线性光强调制幅值，θ₁、θ₂分别为线性和非线性光强调制相位角；

6)根据比尔-兰伯特(Beer-Lambert)定律，穿过气室5的瞬时透射激光强度为：

其中，α(v)为待测谱线吸收率，A为积分面积，为待测谱线线型函数，用Raution函数表示；

7)将公式(1)和(2)代入公式(3)中，得到瞬时透射激光强度与探测时间t之间的关系式，瞬时透射激光强度由I₀、γ_D、γ_L、β和A决定，利用该关系式通过Matlab程序中的FIT函数对第二光电探测器8接收到的瞬时透射激光强度在时域上进行拟合，得到积分面积A＝0.0361，待测谱线高斯线宽γ_D＝5.0×10^-3cm^-1，洛伦兹线宽γ_L＝5.77×10^-3cm^-1及迪克收敛系数β＝0.02，瞬时入射激光强度

I₀＝1.635+0.2798cos(2π×100t+1.379π)-0.00847cos[(4π×100t+0.885π)]；其中最优拟合I₀和I_t如图3所示，其中图3下方为瞬时透射激光强度拟合残差；

8)将待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β代入公式(4)Raution函数中，计算待测谱线线型函数结合7)中所得积分面积A，利用公式计算待测谱线吸收率α(v)，如图4所示。

Claims (1)

1.一种基于正弦调制时域拟合的气体吸收率在线测量方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1)针对待测谱线在光谱数据库中确定其谱线中心波长v₀；

2)通过调节激光控制器(2)中心电流及温度控制可调谐半导体激光器(3)输出激光的波长在v₀附近，通过信号发生器(1)产生频率为ω的正弦信号，输入给激光控制器(2)，用以调制激光控制器(2)的输出电流，进而调制可调谐半导体激光器(3)输出激光的波长；

3)将可调谐半导体激光器(3)产生的激光通过光纤分束器(4)分为两路，一路经过准直后穿过待测气室(5)，通过第一光电探测器(6)接收透射激光强度；另一路激光射入干涉仪(7)，通过第二光电探测器(8)探测干涉仪(7)的出射激光强度，第一和第二光电探测器将光信号转换为电信号传入计算机(10)；

4)令可调谐半导体激光器(3)输出激光瞬时波长为：

对第二光电探测器(8)采集到的信号，利用Matlab程序拟合得到公式(1)中的系数a₁,ω,η₁,a₂,η₂；其中t为探测时间，为激光中心波长，a₁、a₂分别为线性和非线性波长调制幅值，η₁、η₂分别为线性和非线性波长调制相位角；

5)令入射到气室(5)前的瞬时入射激光强度为：

式中：为激光强度平均值，i₁、i₂分别为线性和非线性光强调制幅值，θ₁、θ₂分别为线性和非线性光强调制相位角；

6)根据比尔-兰伯特定律，穿过气室(5)的瞬时透射激光强度为：

式中：α(v)为待测谱线吸收率，A为积分面积，为待测谱线线型函数，用Raution函数表示，由待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β决定；

7)将公式(1)和(2)代入公式(3)中，得到瞬时透射激光强度与探测时间t之间的关系式，通过该关系式利用Matlab程序中的FIT函数对第二光电探测器(8)接收到的瞬时透射激光强度在时域上进行拟合，得到瞬时入射激光强度I₀、积分面积A、待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β；

8)将待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β代入Raution函数中，计算待测谱线线型函数结合7)中所得积分面积A，利用公式计算待测谱线吸收率α(v)。