[发明专利]基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法

说明书

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于WMRF新模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。解决了目前用于气体浓度检测的免定标波长调制光谱技术存在的精度不高的技术问题。本发明采用了一个0.02cm^‑1自由光谱区的标准具来分析调制信号引起的波长变化WMRF，观察到了幅度线性变化的一次谐波分量和幅度为常数的二次谐波分量，提出了一个描述WMRF的新模型。用此新模型，系统可以得到更精确的拟合结果，较以往系统，无需增加硬件模块以及人为操作，只需要在程序上进行改进，有利于开发应用。本发明技术方案简单，操作方便，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。

背景技术

空气污染的日益严重，使得公众对空气质量和环境监测的关注度越来越高，痕量气体的检测在人类的生产生活中也变得越来越重要。在高速发展的工业中，痕量气体的监测可以用于调节生产过程，以减少污染物的排放并且提高生产效率。同时，痕量气体的检测也可以应用到病理检测、农业耕种等方面。

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)，作为一种新型的痕量气体检测技术，具有实时在线、非侵入式和高灵敏度等特点，并且已经在过去20年内从实验室走向了成熟的实际应用。其中，直接吸收光谱(DAS)和波长调制光谱(WMS)是最主要的两种TDLAS技术。DAS简单直接，但是探测灵敏度低，其应用受到了限制。而WMS由于使用了调制技术，可以更好的抑制噪声，获得比DAS更低的探测极限，同时它的结构紧凑、装置简单，所以得到了广泛的应用。

但是WMS技术的一个不足之处就是需要进行浓度定标。传统的WMS使用参考信号cos(2ωt)和sin(2ωt)对吸收光强进行二次谐波解调得到两个正交的分量：

式中G表示光电转换增益，I₀表示中心光强；i₁,i₂是光强调制幅度，ψ₁,ψ₂是光强调制与波长调制之间的相位差；H₀,H₁,H₂,H₃,H₄是吸收有关项，正比于介质浓度和吸收线型方程。其中，G是一个不能直接测量得到的量，而I₀会随着光束抖动、光散射等因素产生起伏，所以根据公式(1)只能获得目标气体相对的吸收大小，如果要得到绝对的浓度值，就需要知道某一确定浓度的标气对应的吸收量，再根据比例换算得到不同的解调信号对应的浓度值。这种方法要求标气和目标气体处于相同的测量环境：温度、压强、气体组分，会大大增加系统的复杂程度，降低准确度。

为了解决WMS的这个不足之处，提出了一种称为免定标波长调制光谱技术(CF-WMS)的方法。对吸收光强信号进行二次谐波解调得到X_2f和Y_2f，进行一次谐波解调得到X_1f和Y_1f，并分别求绝对幅度值，可以得到：

其中，X_1f和Y_1f为：

从公式(2)和公式(3)中我们可以看出，R_2f和R_1f都与不确定因子G和I₀成正比，那么R_2f/R_1f就可以消除不确定因子，得到的结果就只与光强调制和浓度有关了，从而达到免定标的目的。

在CF-WMS中，不仅需要知道吸收光强信号，还要知道无吸收光强信号以及波长变化v，这三个量的准确性就直接反应了系统的准确与否。其中，v是随着三角波扫描和正弦波调制信号变化的，可以表示为：