[发明专利]结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法

说明书

技术领域

本发明属于气体检测领域，具体是一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法。

背景技术

气体检测技术作为一种发展长久的技术，广泛应用于生产生活之中。随着人们对大气环境质量的关切日益增加，对空气污染物，尤其是PM2.5的检测越发的重要。在工业中，对原料气体以及生成气体的检测与控制可以大大提高生产效率，减小经济成本，如在火力发电厂中对NO₂的检测。在农业中，通过测量大棚中的CO₂含量可以获知农作物生长状况，从而控制不同肥料的添加。常见的气体检测方式有传统的化学检测法和新型的光谱技术检测法。传统的化学检测法常常需要对气体进行取样，实验室分析，不能实时反映气体浓度变化。而新型的光谱技术检测法由于其具有实时、在线、高灵敏度等优点得到广泛认可。光谱技术检测法是基于气体分子对特定频率激光的吸收，根据光强的衰减情况演化得到气体浓度，这种方法不会对气体成分形成破坏。常见的光谱检测法包括直接吸收光谱技术、波长调制光谱技术、频率调制光谱技术、腔增强光谱技术、腔衰荡光谱技术等。其中直接吸收光谱技术与波长调制光谱技术已经大量应用于生产中。但这两种光谱技术都存在光程不长，灵敏度相对较低，受外界因素影响大，需要标气进行校准等缺点。而光腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-Down Spectroscopy,CRDS)是一种近些年发展迅速的高灵敏直接吸收光谱技术，它是通过测量腔内光场的衰荡时间来获得吸收介质浓度的。由于该技术测量的是信号的时间行为，所以不受激光强度起伏的影响。CRDS技术所采用的光学腔精细度很高，腔内的有效吸收路径可以很长(～km)，相当于多通道池技术的效果，而且这种技术的光学装置相对简单。CRDS的探测灵敏度与光声光谱(PAS)及腔内吸收光谱(ICLAS)相当，能够达到10^-7，使得该技术很快应用到了社会生产生活中。

CRDS的思想是在测量不断提高镜面反射率精度的过程中诞生的，最初在1980年，Herberlin使用光学腔相移技术来测量镜片的反射率。1984年Anderson通过激光强度的指数衰减测量镜片的反射率，可测量的镜面反射率达到99.99%。到1988年O’Keefe和Deacon首次阐述了CRDS的基本操作原理，并使用脉冲激光器对氧气分子可见光区域的吸收线进行了探测，最小探测吸收精度达到1ppm，但是测量得到的光谱分辨率很低，这是由于脉冲激光器频率稳定性较差，频率的线宽大于腔的自由光谱区。而到了1996年D.Romanini提出基于连续激光器CRDS(CW-CRDS)，并对乙炔（HCCH）在570nm附近的吸收线进行了探测，噪声等效吸收达到10^-9/cm，由于连续激光器的高重复率、高光谱精度和较好的信噪比，使得CRDS的应用前景扩展到很大的空间。

腔衰荡光谱技术原理如图1所示，当初始光强为I₀的激光束进入光学腔，由于腔镜散射、透射以及腔内介质吸收，将在光学腔后检测到随指数衰减的光：

I=I0exp(-tτ)---(1)]]>

其中τ表示光强的衰荡时间，与腔内介质的吸收以及腔镜的透射、散射有关。由于光源为激光，有很好的单色性，腔镜的散射损耗可以忽略不计，则衰荡时间τ可以表示为：

τ=Lc[αLC+lnR]---(2)]]>