[发明专利]基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法

说明书

本发明提出一种基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，该方法首先对透射光强信号加上Nuttall时窗，其次对加窗的透射光强信号进行数字带通滤波处理，获得谐波处的X分量，使得吸收部分的信号得到强化而使边缘处接近为零，同时对加窗的透射光强信号进行数字低通滤波处理得到常数项，然后使用得到的常数项对X分量进行归一化处理，消除光强波动的影响，最后对归一化的X分量使用拟合算法即可得到待测气体参数值。本发明的测量方法克服了传统直接吸收方法对基线敏感的缺点，同时避免了由于基线拟合误差对结果的影响，尤其适合于扫描范围较窄或者高压下线宽较宽无法获得基线的情况。

技术领域

本发明涉及一种免基线的波长扫描直接吸收方法，用于气体浓度测量，属于激光吸收光谱技术领域。

背景技术

以煤炭、石油为代表的碳氢燃料的燃烧是我们最广为采用的能量转换方式，燃烧参数的测量对揭示燃烧机理和调控燃烧过程具有重要意义。可调谐二极管激光器吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)因为可以实现诸如组分浓度、温度、压力及速度等多参数在线测量，并且具有高灵敏度、快时间响应及非接触等特点，在燃烧诊断领域具有广阔的应用前景。

与其他技术相比，传统直接吸收方法具有系统实现与处理方法简单等优点，是TDLAS技术中应用最广泛的方法。传统直接吸收方法对基线拟合误差特别敏感，特别是在高压燃烧环境下，由于压力展宽效应导致谱线混叠，使非吸收基线的拟合存在困难，甚至根本得不到基线，因此要获得准确完整的吸收光谱对波长扫描范围有一定要求，目前技术广泛采用的通信用二极管激光器调制范围一般在2cm^-1以内。在某些气体组分状态变化剧烈的情况下(如燃烧环境下气体参数的测量)，为了保证良好的瞬态响应特性，需要使激光器在较高的调制频率下工作。然而随着调制频率的提高，半导体激光器的调制范围会进一步减小，为了获得准确完整的吸收光谱，激光器的调制频率一般限制在10KHz以下。因此传统直接吸收方法在高压燃烧环境的应用受到了限制，而且时间响应速率一般小于10KHz，这限制了传统直接吸收方法的应用。

综上，传统的扫描波长直接吸收光谱只适用于吸光度适当(过大或过小都会降低测量灵敏度)、压力相对较低、调制频率不大，吸收线相对孤立的场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于在恶劣的工业现场(如高压燃烧环境)实现气体参数的测量的免基线波长扫描直接吸收方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)参数设置：定义t时刻的入射光强信号为I₀(t)、穿过待测气体的透射光强信号为I_t(t)；设置迭代变量x，通过x在每一轮迭代中的更新逼近待测气体真实值；

(2)初始化x＝x₀，根据x利用Beer-Lambert定律仿真透射光强信号，得到透射光强的仿真信号^SI_t(t)；

(3)分别为I_t(t)和^SI_t(t)加上Nuttall时窗，得到I_t(t)和^SI_t(t)加窗后的信号分别为I_t(t)_Window和^SI_t(t)_Window；