基于S2f方法的免定標波長調制光譜氣體檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于激光光譜技術領域，主要是一種基于s2f方法的免定標波長調制光譜 氣體檢測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著大氣污染的日益嚴重，公眾對于空氣質量監測的關注度也越來越高，痕量氣 體的檢測對人類生活的影響也越來越重要。在工業領域中，痕量氣體的精確監測可以用于 調節生產過程，提高生產效率，減少污染物的排放。同時，痕量氣體的檢測在生物、醫學、農 業等領域也有重要作用。
[0003] 可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS)是一種新型的痕量氣體檢測技術，它具有實 時在線、非侵入式和高靈敏度等特點，是一種成熟的應用技術。波長調制光譜（WMS)是最主 要的TDLAS技術之一，由于麗S使用了調制技術，可以更好的抑制噪聲，獲得比直接吸收光 譜（DAS)更低的探測極限，同時它的結構緊湊、裝置簡單，所以得到了廣泛的應用。
[0004] 但是WMS技術的一個不足之處就是需要進行濃度定標。傳統的WMS使用參考信號 cos(2on)和sin(2on)對吸收光強進行二次諧波解調得到兩個正交的分量：
[0005]
[0006] 式中G表不光電轉換增益，I。表不中心光強di2是光強調制幅度，ΦdΦ2是光 強調制與波長調制之間的相位差；H。，氏，H2,H3,H4是吸收有關項，正比于介質濃度和吸收線 型方程；R2f表示二次諧波解調信號的絕對幅度值。其中，G不能通過測量直接獲得，且I。會 隨著光束抖動、散射等原因產生起伏，兩者都為不確定量，所以由公式（1)只能得到氣體的 相對吸收大小，若想獲得絕對的濃度值，就需要定標，必須預先知道某一確定濃度的標氣對 應的吸收量，再根據比例換算得到解調信號對應的濃度值。定標的方法要求標準氣體和目 標氣體處于相同的測試環境，增加了系統的復雜性，降低準確度，不便于實際測量。
[0007] 為了解決麗S的這個不足之處，提出了一種稱為免定標波長調制光譜技術 (CF-WMS)的方法。對吸收光強信號進行二次諧波得到X2#PY2f，進行一次諧波解調得到Xlf 和Ylf，并分別求其絕對幅度倌，可以得到：
[0008]
[0009]
[0010]
[0011]
[0012] 從公式⑵和⑶中可以看出，R2f和Rlf都與不確定因子G和I。項成正比，那么 1/1^就可以消除不確定因子，得到的結果就只與光強調制和吸收有關，從而實現免定標 的目的。
[0013] 在CF-WMS中，要想獲得濃度值，需要知道吸收光強信號，無吸收光強信號和波長 變化V。其中，v是隨著三角波掃描和正弦波調制信號變化的，可以表示為：
[0014] v=vpcily+F(cos(ωt)) (5)
[0015] (5)式中vpcily是由三角波掃描引起的波長變化部分，F(C〇s(c〇t))是波長響應調制 函數WMRF，是由正弦波調制引起的波長變化。在以上幾個量中，吸收光強信號和無吸收光強 信號通過測量直接獲得，vpcily根據標準具的透射峰進行多項式擬合獲得。傳統的WMRF是使 用一個調制幅度為常數的正弦波表示：F(cos(ωt)) =acos(ωt)，式中具體的參數a與使 用的激光器有關，其形式或值并不知道。F(cos(ωt))的測量需要一個高速數據采集卡以及 人為地修正標準具的透射峰位置，在實際應用中并不實用。因此傳統的WMRF的獲得方法是 作為未知參量在CF-WMS中與濃度以及相位差ι^，11>2同時擬合。然而同時擬合幾個參量會 增加擬合的復雜度，并且降低擬合的準確性。傳統的CF-WMS擬合殘差達到1 %之多，得到的 濃度結果也不準確。如果要達到更好的擬合結果，就需要一個更加簡單、快速、準確的WMRF 擬合方法。

【發明內容】

[0016] 本發明為解決目前的技術問題氣體濃度檢測中使用的CF-WMS方法擬合過程中未 知參量過多導致探測精度不高的技術問題，提供一種基于S2f方法的免定標波長調制光譜 氣體檢測方法。
[0017] 本發明是采用以下技術方案實現的：一種基于S2f方法的免定標波長調制光譜氣 體檢測方法；采用如下裝置：函數發生器，與函數發生器的兩個信號輸出端相連接的加法 器與加法器信號輸出端相連接的激光控制器以及由激光控制器控制的DFB激光器；DFB激 光器的出射光路上設有分束器，分束器的一個出射端順次設有第一準直鏡、氣體吸收池以 及第一光電探測器；分束器的另一個出射端順次設有第二準直鏡、標準具以及第二光電探 測器；所述第一光電探測器和第二光電探測器的信號輸出端均連接有電腦；函數發生器的 第三個信號輸出端與電腦連接；其特征在于，所述氣體檢測方法包括如下步驟：(a)通過第 一光電探測器分別測量無吸收介質以及有吸收介質時的光強信號并將其轉換為電信號傳 送至電腦，電腦對接收到的上述信號分別進行二次諧波解調可以得到信號x°2f，Y°2f和X2f，Y2f;其中X°2f、Y°2f分別為無吸收介質時的光強信號的二次諧波解調分量信號；X2f、Y2f分別為 有吸收介質時的光強信號的二次諧波解調分量信號，根據S2f計算公式：
[0018]
[0019] 得到S2f，進而得到S2f/S\f，其中為S2f中心波長處的值，也就是幅度最大值，可 從S2f信號中直接獲取；(b)設置WMRF函數中a的初始化參數，再使用標準具測量透射峰擬 合得到vpcily，將設置初始化參數的WMRF函數以及vpcily帶入福吉特吸收線型函數可以模擬 得到第一模擬吸收系數，結合第一模擬吸收系數及無吸收光強并根據比爾朗博定律可以得 到第一模擬吸收光強，再對第一模擬吸收光強進行二次諧波解調可以得到相應的分量信號 Xls2f和Yls2f，結合前述已知的X°2f，Y°2f并根據S2f計算公式得到Sls2f/S;(c)電腦在相應 軟件的支持下比較S2f/S\f信號和Sls2f/S\f信號，計算兩個信號之間的殘差，判斷是否為最 佳擬合；如果殘差變大，則重新設置初始化WMRF參數，重復步驟（b)以及本步驟，直到得到 最佳擬合值，也就得到具有確定a參數的WMRF函數；（d)針對某一種待測氣體進行濃度檢 測，利用步驟（c)獲得的確定的WMRF函數以及通過標準具（9)透射峰擬合得到的vpcily，可 以得到波長隨時間的變化量v;結合波長隨時間的變化量v、無吸收光強信號以及初始化的 氣體濃度值并根據比爾朗博定律可以模擬得到第二模擬吸收光強，對第二模擬吸收光強分 別進行二次諧波解調和一次諧波解調，得到X2s2f和Y2s2f以及X2slf和Y2slf信號，其中X2s2f和 Y2s2f分別為第二模擬吸收光強的二次諧波解調信號，X2slf和Y2slf為第二模擬吸收光強的一 次諧波解調信號，就可以得到對應第二模擬吸收光強的R2s2f/R2slf信號，其中R%f是X2s2f和 Y2s2f的絕對幅度值，R2slf是X2slf和Y2slf的絕對幅度值；同時得到經過待測氣體的光強信號 的R2f/Rlf信號，電腦在相應軟件的支持下判斷R2s2f/R2slf信號和R2f/Rlf信號是否達到最佳擬 合，如果是，則得到擬合氣體濃度值，如果不是，代入另一個濃度值，模擬得到一個新的第二 模擬吸收光強，重復本步驟的擬合過程，直到得到一個最佳的擬合濃度值，此擬合濃度值即 作為待測氣體的濃度值。
[0020] 為了得到新的擬合WMRF的方法，對濃度和相移的影響做了分析。從⑴式中可以 得出沒右眼此時的一為推姑細個4葛·侉號，也就是背景信號為：
[0021] ⑴
[0022] 其中，扣除無吸收背景后的二次諧波解調信號絕對幅度值可表達為： iii·
[0023]
[0024] 從式（即S2f計算公式）中可以看出，S2f與Α，Η。~H4,h，i2,叭和Φ2有關。i! 和12可以通過測量光強直接獲得。與介質濃度和WMRF有關，且皆正比于介質濃度， 所以S2f也正比于介質濃度，同時從公式（7)中可知S2f也正比于A，因此，用中心幅度歸一 化的信號S2f/S2/不依賴于濃度和A。其中S2/為S2f中心波長處的值，也就是幅度最大值， 可從S2f信號中直接獲取。
[0025] 在不同DFB溫度以及調制幅度條件下測量了另一個擬合參數相位叭和Φ2，結果 顯示：如果調制頻率是固定的，Φ:和Φ2基本不變，其中Φi變化范圍在2. 84~2. 85弧度， Φ2變化范圍在-0. 1~-0. 4弧度。并且在（6)式中，會有cosli+sinUPcosIdsin2!!^ 的合并項出現。基于以上兩個原因，可以認為相移對于S2f/S2/的影響是非常有限的。
[0026] 由以上兩點可以得出結論，A，ipi2，濃度和相位差Φρ$^S2f/S2/信號影響甚 微，只有麗1^對S2f/S2/信號有明顯的影響。因此，可以在不確定濃度和相移的情況下，由 S2f/S2/信號來反演出WMRF，因為擬合參數大大減小，可以確保了 2f方法簡單、快速、準確。 所述S2f方法的具體過程如圖2所示：首先分別測量無吸收介質以及有吸收介質時的光強信 號，分別進行解調可以得到信號X2f，Y2f和X°2f，Y°2f，根據公式（7)得到S2f/S\f。另一方面一 個擬合程序（具體擬合時可以采用最小二乘法）設置WMRF初始化參數，得到WMRF，再根據 使用標準具測量得到的vpcily，帶入福吉特吸收線型函數可以模擬得到第一模擬吸收系數， 第一模擬吸收系數和無吸收光強根據比爾朗博關系式可以得到第一模擬吸收光強，再進行 解調可以得到信號Xls2f和Yls2f，根據公式（7)得到Sls2f/S\f，擬合程序會比較S2f/S\f信號和 Sls2f/S\f信號，計算兩個信號之間的殘差，判斷是否為最佳擬合，如果殘差變大，會重新設置 初始化WMRF參數，重復以上步驟，直到獲得最佳擬合值。
[0027] 這個新方法的結果展示在圖3中，圖3上層實線為根據S2f方法擬合得到的WMRF 函數畫出的波長變化v，黑色的點是用標準具測量得到的波長變化v，下層為殘差。可以看 至IJ，兩者符合的很好。
[0028] 接著使用S2f方法擬合得到的WMRF擬合一組免定標波長調制光譜信號，被測氣體 是濃度為405ppm的乙炔氣體，圖4上層為擬合以及測量的結果，下層為它們之間的殘差，同 時擬合濃度結果也顯示在圖4中，可以看出使用本發明所述的S2f方法可以得到一個準確的 結果。
[0029] 所述的福吉特吸收線型函數為本領