CN111829980A - 一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测***及方法，***包括可调谐半导体激光器、激光器控制模块、信号发生器、参考光路与探测光路、相敏检测电路、数据处理器、显示模块等，并通过背景噪声消除，零线偏移修正，利用Hitran数据库拟合获取对应二次谐波的标准信号，随后根据最优准则进行自适应迭代拟合，使信号达到不对称性最小，得到线型不对称性修正后的信号。本发明能够有效降低零线偏移噪声的波动，线型不对称等影响，提高气体测量的准确性。

Description

一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测***及方法

技术领域

本发明涉及环境光学领域，具体的说是针对二次谐波信号的非线性影响提出的一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测***及方法。

背景技术

激光光谱技术利用分子光谱的“指纹”特征，对气体浓度进行定量分析，广泛的应用于气体检测中。波长调制光谱技术采用高频检测信号，能够有效地抑制背景噪声，提高检测灵敏度。但在利用波长调制的激光光谱技术进行开放空间气体检测时，激光光强不可避免的受强度调制因素、激光器的剩余幅度调制及不可控的环境噪声干扰，引起二次谐波光谱信号变形、偏移等，致使其谱线非线性增强，影响测量的准确性。因此有效的减少谱线的非线性影响，提高测量的准确性有重要研究意义。

现有的研究主要从减少RAM的角度解决二次谐波的光强调制问题，但针对实际的测量过程中，引起非线性误差的影响复杂多样，仅通过减少RAM的角度，在一定意义上仍然存在其他的影响因素，并没有从根本上解决非线性对光谱信号的影响。

发明内容

鉴于现有技术方法存在的不足，本发明提出一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测***及方法，以期能解决谐波检测中二次谐波光谱信号变形、偏移等致使其谱线非线性增强，影响测量准确性的问题，从而消除谱线的非线性，提高测量准确性。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

本发明一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测***的特点包括：激光器及控制单元、光学单元、数据处理单元；

所述激光器及控制单元由可调谐半导体激光器、激光器控制模块、信号发生器组成；

所述激光器控制模块控制所述可调谐半导体激光器的温度和电流，使得所述可调谐半导体激光器在目标吸收谱线附近输出波长；

所述信号发生器产生的锯齿扫描信号以及高频正弦信号叠加在所述可调谐半导体激光器，从而实现对所述可调谐半导体激光器的输出波长的扫描与调制，并得到调制光束；

所述光学单元由收发望远镜、参考光路与探测光路组成；

所述调制光束分成参考光与探测光，所述参考光路接收所述参考光并转换成参考电信号后传输至所述数据处理单元；

所述探测光路接收所述探测光并通过收发望远镜进入开放空间遥测大气后转换成探测电信号并传输至所述数据处理单元；

所述数据处理单元由相敏检测电路、数据处理器、显示模块组成；

所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述参考电信号进行谐波信号检测，得到参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或者参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号；

所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述探测电信号进行谐波信号检测，得到探测光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号；

由所述数据处理器对参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或二次谐波背景信号以及探测光路在二次谐波光谱信号进行非线性修正后再进行在线浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果并送至所述显示模块进行显示。

本发明一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1.获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号D_i(n)与参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号B_i(n)，并利用式(1)进行背景噪声修正，得到第i个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号D_i’(n)；

D′_i(n)＝D_i(n)-B_i(n)n＝0,1,2...N (1)

式(1)中，i表示对应的测量周期，n为信号对应序列位置，N为所述n所取得的最大值；

步骤2.选取第i-1个测量周期下的光谱信号D_i-1’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i个测量周期下的光谱信号D_i’(n)的左侧旁瓣无吸收区的m个信号，以及第i个测量周期下的光谱信号D_i’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i+1个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号D_i+1’(n)的左侧旁瓣的无吸收区的m个信号；且0≤m≤N；

利用式(2)对所选取的无吸收区域信号进行多项式拟合，得到第i个测量周期下零线偏移噪声信号Z_i(n’)；

Z_i(n')＝a₀+a₁n'+a₂n'²n'＝0,1,2...N+2m (2)

式(2)中，a₀，a₁，a₂为拟合系数，n’为拟合信号对应序列位置；

步骤3.利用式(3)对零线偏移噪声信号Z_i(n’)进行截取，获取截取后的零线偏移噪声信号Z_i’(n’)：

式(3)中，式(1)中，p_i-1、p_i、p_i+1分别为第i-1个测量周期、第i个测量周期与第i+1个测量周期的不等精度权重，n’_max为所述n'所取得的最大值，且n’_max＝N+2m；

步骤4.利用式(4)对所述背景噪声修正后的光谱信号D_i’(n)进行修正，得到零线偏移噪声修正后的探测光谱信号D_i”(n)；

D″_i(n)＝D′_i(n)-Z′_i(n+m)n＝0,1,2…N (4)

获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号R_i(n)，按照步骤1-步骤4的方法对所述参考光路的第i个测量周期下的二次谐波光谱信号R_i(n)进行零线偏移噪声修正后得到零线偏移噪声修正后的参考光谱信号R_i”(n)；

步骤5.从Hitran数据库获取相关参数用于对高斯线型求取二阶微分，得到微分结果带入二次谐波分量的表达式，从而获得二次谐波的标准信号；

利用式(5)设置自适应拟合的最优准则：

式(5)中，I_minl代表二次谐波谱线左侧波谷强度，I_minr代表二次谐波谱线右侧波谷强度，I_minm代表二次谐波谱线两个波谷处的强度平均值，

分别代表理论左侧与右侧旁瓣宽度，Λ_l、Λ_r分别代表二次谐波谱线左侧与右侧旁瓣宽度，ξ、ε分别为峰谷不对称阈值与旁瓣阈值；

根据所述最优准则，利用所述标准信号对零线偏移噪声修正后的参考光谱信号R_i”(n)和探测光谱信号D_i”(n)进行自适应迭代拟合，从而得到第i个测量周期下的线型不对称性修正后的参考信号XR_i”(n)与探测信号XD_i”(n)；

步骤6.根据已知的参考光路浓度，从而对所述参考信号XR_i”(n)与探测信号XD_i”(n)进行待测气体浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果。

与现有的技术相比较，本发明的有益效果体现在：

1.本发明中通过“黑箱”模式，在不改***件结构***，不增加硬件的复杂性的基础上，提出线型非线性修正方法进行处理，从而消除了非线性影响，提高了测量准确性。

2.本发明通过零线偏移修正，并按照不等精度按权重进行处理，从而消除背景噪声修正后的光谱信号D_i’(n)的零线偏移噪声，减少二次谐波的偏移影响。

3.本发明中通过设置最优准则，进行自适应迭代拟合，从而使信号不对称性最小，消除了非线性影响。

附图说明

图1为本发明的基于谐波技术的线型非线性修正的检测***的示意图；

图2为本发明的非线性修正的检测方法的流程图；

图3为现有技术中标准二次谐波图；

图4为本发明方法修正前后验证图；

图中标号：1.可调谐半导体激光器；2.激光器控制模块；3.信号发生器；4.分束器；5.参考光路的准直器；6.标准气体参考池；7.参考光路的InGaAs光电探测器；8.探测光路的准直器；9.收发望远镜；10.角反射镜；11.探测光路的InGaAs光电探测器；12.相敏检测电路；13.数据处理器；14.显示模块。

具体实施方式

本实施例中，参见图1，一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测***，包括激光器及控制单元、光学单元、数据处理单元；

其中激光器及控制单元由可调谐半导体激光器1、激光器控制模块2、信号发生器3组成；光学单元由收发望远镜9、参考光路与探测光路组成；数据处理单元由相敏检测电路12、数据处理器13、显示模块14组成；

可调谐半导体激光器1作为检测光源，通过激光器控制模块2改变温度、电流，从而改变可调谐半导体激光器1的输出波长；使得可调谐半导体激光器1在目标吸收谱线附近输出波长；

可调谐半导体激光器1在信号发生器3产生的锯齿扫描信号与高频正弦信号共同作用下实现对输出波长进行扫描与调制，从而得到调制光束；该调制光束通过分束器4分成参考光与探测光，参考光经过参考光路的准直器5准直后，通过标准气体参考池6，由参考光路的InGaAs光电探测器7进行光电转换，得到参考电信号；探测光经过探测光路的准直器8准直后，经收发望远镜9出射，通过开放空间遥测大气，角反射镜10返回，由探测光路的InGaAs光电探测器11进行光电转换，得到探测电信号；两种信号都送至数据处理单元，由相敏检测电路12进行谐波信号检测；

其中，相敏检测电路在第i个测量周期下对参考电信号进行谐波信号检测，得到参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或者参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号；相敏检测电路在第i个测量周期下对探测电信号进行谐波信号检测，得到探测光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号；

数据处理器13对参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或二次谐波背景信号以及探测光路在二次谐波光谱信号进行非线性修正后再进行在线浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果并送至所述显示模块14进行显示。

参见图2，本实施例中，一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测方法，是按如下步骤进行：

步骤1.获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号D_i(n)与参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号B_i(n)，并利用式(1)进行背景噪声修正，得到第i个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号D_i’(n)；

D′_i(n)＝D_i(n)-B_i(n)n＝0,1,2...N (1)

式(1)中，i表示对应的测量周期，n为信号对应序列位置，N为所述n所取得的最大值；

步骤2.选取第i-1个测量周期下的光谱信号D_i-1’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i个测量周期下的光谱信号D_i’(n)的左侧旁瓣无吸收区的m个信号，以及第i个测量周期下的光谱信号D_i’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i+1个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号D_i+1’(n)的左侧旁瓣的无吸收区的m个信号；且0≤m≤N；

利用式(2)对所选取的无吸收区域信号进行多项式拟合，得到第i个测量周期下零线偏移噪声信号Z_i(n’)；

Z_i(n')＝a₀+a₁n'+a₂n'²n'＝0,1,2...N+2m (2)

式(2)中，a₀，a₁，a₂为拟合系数，n’为拟合信号对应序列位置；

步骤3.利用式(3)对零线偏移噪声信号Z_i(n’)进行截取，获取截取后的零线偏移噪声信号Z_i’(n’)：

式(3)中，式(1)中，p_i-1、p_i、p_i+1分别为第i-1个测量周期、第i个测量周期与第i+1个测量周期的不等精度权重，n’_max为所述n'所取得的最大值，且n’_max＝N+2m；

步骤4.利用式(4)对所述背景噪声修正后的光谱信号D_i’(n)进行修正后得到零线偏移噪声修正后的探测光谱信号D_i”(n)；

D″_i(n)＝D′_i(n)-Z′_i(n+m)n＝0,1,2…N (4)

获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号R_i(n)，按照步骤1-步骤4的方法对其进行零线偏移噪声修正，得到零线偏移噪声修正后的参考光谱信号R_i”(n)；

步骤5.从Hitran数据库获取相关参数用于对高斯线型求取二阶微分，得到微分结果带入二次谐波分量的表达式，从而获得二次谐波的标准信号，如图3所示；

利用式(5)设置自适应拟合的最优准则：

式(5)中，I_minl代表二次谐波谱线左侧波谷强度，I_minr代表二次谐波谱线右侧波谷强度，I_minm代表二次谐波谱线两个波谷处的强度平均值，

分别代表理论左侧与右侧旁瓣宽度，Λ_l、Λ_r分别代表二次谐波谱线左侧与右侧旁瓣宽度，ξ、ε分别为峰谷不对称阈值与旁瓣阈值；

根据所述最优准则，利用所述标准信号对零线偏移噪声修正后的参考光谱信号R_i”(n)和探测光谱信号D_i”(n)进行自适应迭代拟合，从而得到第i个测量周期下的线型不对称性修正后的参考信号XR_i”(n)与探测信号XD_i”(n)；

步骤6.根据已知的参考光路浓度，从而对所述参考信号XR_i”(n)与探测信号XD_i”(n)进行待测气体浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果。

为了验证本发明所述方法的效果，本例利用所建立的谐波检测的大气检测***进行实验，本发明的设置扫描频率为100Hz，调制频率为50kHz，进行模拟验证实验，实验中在探测光路上放置一个20m的多次反射池，对固定浓度27ppm的甲烷进行测量。利用本发明所述方法修正前后结果图如图4所示，修正后零线偏移明细得到了抑制，消除了线型不对称性。因此采用本发明提供的方法能够有效的降低成本需求，同时能够消除谐波检测中非线性影响，提高了测量的准确度。

Claims (2)

1.一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测***，其特征包括：激光器及控制单元、光学单元、数据处理单元；

所述激光器及控制单元由可调谐半导体激光器(1)、激光器控制模块(2)、信号发生器(3)组成；

所述激光器控制模块(2)控制所述可调谐半导体激光器(1)的温度和电流，使得所述可调谐半导体激光器(1)在目标吸收谱线附近输出波长；

所述信号发生器(3)产生的锯齿扫描信号以及高频正弦信号叠加在所述可调谐半导体激光器(1)，从而实现对所述可调谐半导体激光器(1)的输出波长的扫描与调制，并得到调制光束；

所述光学单元由收发望远镜(9)、参考光路与探测光路组成；

所述调制光束分成参考光与探测光，所述参考光路接收所述参考光并转换成参考电信号后传输至所述数据处理单元；

所述探测光路接收所述探测光并通过收发望远镜(9)进入开放空间遥测大气后转换成探测电信号并传输至所述数据处理单元；

所述数据处理单元由相敏检测电路、数据处理器、显示模块组成；

所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述参考电信号进行谐波信号检测，得到参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或者参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号；

所述相敏检测电路在第i个测量周期下对所述探测电信号进行谐波信号检测，得到探测光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号；

由所述数据处理器对参考光路在第i个测量周期下的二次谐波光谱信号或二次谐波背景信号以及探测光路在二次谐波光谱信号进行非线性修正后再进行在线浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果并送至所述显示模块进行显示。

2.一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1.获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号D_i(n)与参考光路在第i个测量周期下无吸收情况的二次谐波背景信号B_i(n)，并利用式(1)进行背景噪声修正，得到第i个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号D_i’(n)；

D_i′(n)＝D_i(n)-B_i(n) n＝0,1,2...N (1)

式(1)中，i表示对应的测量周期，n为信号对应序列位置，N为所述n所取得的最大值；

步骤2.选取第i-1个测量周期下的光谱信号D_i-1’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i个测量周期下的光谱信号D_i’(n)的左侧旁瓣无吸收区的m个信号，以及第i个测量周期下的光谱信号D_i’(n)的右侧旁瓣无吸收区的m个信号到第i+1个测量周期下的背景噪声修正后的光谱信号D_i+1’(n)的左侧旁瓣的无吸收区的m个信号；且0≤m≤N；

利用式(2)对所选取的无吸收区域信号进行多项式拟合，得到第i个测量周期下零线偏移噪声信号Z_i(n’)；

Z_i(n')＝a₀+a₁n'+a₂n'² n'＝0,1,2...N+2m (2)

式(2)中，a₀，a₁，a₂为拟合系数，n’为拟合信号对应序列位置；

步骤3.利用式(3)对零线偏移噪声信号Z_i(n’)进行截取，获取截取后的零线偏移噪声信号Z_i’(n’)：

式(3)中，式(1)中，p_i-1、p_i、p_i+1分别为第i-1个测量周期、第i个测量周期与第i+1个测量周期的不等精度权重，n’_max为所述n'所取得的最大值，且n’_max＝N+2m；

步骤4.利用式(4)对所述背景噪声修正后的光谱信号D_i’(n)进行修正，得到零线偏移噪声修正后的探测光谱信号D_i”(n)；

D″_i(n)＝D′_i(n)-Z′_i(n+m) n＝0,1,2…N (4)

获取第i个测量周期下的二次谐波光谱信号R_i(n)，按照步骤1-步骤4的方法对所述参考光路的第i个测量周期下的二次谐波光谱信号R_i(n)进行零线偏移噪声修正后得到零线偏移噪声修正后的参考光谱信号R_i”(n)；

步骤5.从Hitran数据库获取相关参数用于对高斯线型求取二阶微分，得到微分结果带入二次谐波分量的表达式，从而获得二次谐波的标准信号；

利用式(5)设置自适应拟合的最优准则：

式(5)中，I_minl代表二次谐波谱线左侧波谷强度，I_minr代表二次谐波谱线右侧波谷强度，I_minm代表二次谐波谱线两个波谷处的强度平均值，

分别代表理论左侧与右侧旁瓣宽度，Λ_l、Λ_r分别代表二次谐波谱线左侧与右侧旁瓣宽度，ξ、ε分别为峰谷不对称阈值与旁瓣阈值；

根据所述最优准则，利用所述标准信号对零线偏移噪声修正后的参考光谱信号R_i”(n)和探测光谱信号D_i”(n)进行自适应迭代拟合，从而得到第i个测量周期下的线型不对称性修正后的参考信号XR_i”(n)与探测信号XD_i”(n)；

步骤6.根据已知的参考光路浓度，从而对所述参考信号XR_i”(n)与探测信号XD_i”(n)进行待测气体浓度反演，从而得到第i个测量周期下的反演结果。

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