[发明专利]BP神经网络实时提取TDLAS气体吸收光谱吸光度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种BP神经网络实时提取TDLAS气体吸收光谱吸光度的方法，更具体地说，涉及一种利用BP神经网络实时提取可调谐半导体激光气体吸收光谱吸光度的方法，属于分析仪器算法的技术领域。

背景技术

随着我国经济的迅速发展，工业化进程的不断增加，燃煤电厂生产、冶金以及城市垃圾焚烧过程中产生大量的有害气体排入大气，主要有CO，CO₂，NO_X，SO₂气体以及粉尘等，造成能源消耗高、环境污染严重等众多问题，国家对环境保护的重视程度也越来越高，因此提高燃烧效率减少有害燃烧物的排放对大气环境有很大影响。气体物质的在线实时检测，不仅可以有效监测大气污染成分，而且其准确的测量结果可用于燃烧的诊断，优化燃烧系统，提高燃烧效率，以及对危险气体的监测预警。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)是一种广泛应用的气体分析技术。当一束一定频率的激光照射到均匀气体介质时，气体介质与电磁波作用，气体介质内部吸收电磁辐射的能量而发生量子化的能级跃迁，从低能级跃迁到高能级。不同气体因为分子结构不同所决定的其能级差也不同，从而决定了可吸收的光的频率也不同，通过测量被吸收的光的波长和强度，即可得到被测介质的特征吸收光谱，通过对吸收光谱进行定性定量分析，可以得到被测介质的成分、结构和浓度等特征信息。比尔-朗伯定律(Beer-Lambert Law)是吸收光谱学的基本定律，它表征了一束频率为ν的单色激光穿越一段长为L、压力为P、温度为T和浓度为X的均匀被测气体介质时，其透射光强度I_t(ν)和入射光强度I₀(ν)的关系：

τ_ν＝I_t(ν)/I₀(ν)＝exp[-PXS(T)Φ(ν)L]＝exp[-α(ν)]

式中I₀(ν)和I_t(ν)分别表示频率为ν的激光入射时的参考光强和经过待测气体吸收后的透射光强，S(T)表示气体吸收谱线的谱线强度，线型函数Φ_ν表征该吸收谱线的形状，a(v)表示光谱吸光度(Spectral Absorbance)。由Beer-Lambert关系可知，光强度的衰减与被测气体浓度、温度、压力等相关，因此，通过测量光强 度衰减信息就可以分析获得被测气体的相关参数。因此要获得被测气体的相关参数首先要获得待测气体的光谱吸光度。目前常用的方法是选取透射光信号上几段无气体吸收时的激光强度进行多项式拟合，拟合出基线，该基线可认为是无气体吸收时的参考激光强度，如图1所示，再利用上面的比尔-朗伯定律，求出吸收光谱，对吸收光谱信号除以拟合的基线，再取对数得到吸收光谱吸光度。这种方法在谱线吸收比较强以及各个谱线之间的干扰较小的情况下提取的吸收光谱吸光度较好，但在谱线密集的情况下，有可能整个透射光信号上吸收谱线重叠都较严重，很难找到无气体吸收的部分。

另一种提取吸收光谱吸光度的方法是硬件实现的平衡探测法，效果不错，但对参与平衡运算的有吸收透射光强和参考光强的关系有一定要求，大致为1:2左右。对工业应用环境,特别是不稳定的燃烧流场中，不易满足该条件。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于FPGA的BP神经网络实时提取TDLAS气体测量技术中气体吸收光谱吸光度的方法，该方法具有更好的稳健性和更宽的适用范围，并且具有实时计算的优点。

技术方案：本发明所述的一种BP神经网络实时提取TDLAS气体吸收光谱吸光度的方法，包括以下步骤：

1)所述TDLAS测量系统中激光器发出的激光经过信号源产生的电流控制信号调制后分束，其中一束激光穿过待测气体，照射至一个光电探测器得到透射信号V_abp；另一束激光直接照射至另一个光电探测器得到参考信号V_ref；

2)将所述透射信号V_abp和参考信号V_ref归一化处理，V_{abp_norm}表示归一化后的透射信号，V_{ref_norm}表示归一化后的参考信号，然后输入BP神经网络，经BP神经网络提取输出气体的吸收光谱吸光度。