[发明专利]一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法

说明书

本发明公开了一种基于可调谐激光吸收光谱的水汽浓度测量修正方法，包括如下步骤：激光水汽浓度测量设备根据AD值‑水汽浓度拟合函数C＝k₁(AD)，将测量AD值转换为水汽浓度C；通过温度、压力传感器测量得到环境温度T和环境总压力P，对计算得到的水汽浓度C进行温度修正和总压力修正，得到水汽浓度修正值C₁；由温度T和已知不同温度的饱和水汽浓度C_E，得到待测水汽浓度范围[0，C_E]，将水汽浓度值设定为C₀＝(0+C_E)/2＝C_E/2；比较水汽浓度修正值C₁和水汽浓度设定值C₀；通过迭代算法，修正后的水汽浓度值为C₂，完成整个修正过程。本发明公开的修正方法可以消除由于温度、总压力和水汽分压变化对可调谐激光吸收光谱法水汽浓度测量产生的影响，提高海气通量水汽浓度测量的精度。

技术领域

本发明涉及一种水汽浓度测量技术领域，特别涉及一种基于激光吸收光谱技术的海气界面通量水汽浓度测量修正方法。

背景技术

海气界面通量是描述大气边界层和海洋上表层相互作用的重要参数。海气界面通量的相关研究，对了解海气界面的能量和物质交换、海气耦合作用、不同尺度的海洋和大气动力过程、海洋和大气的数值模拟、天气预报和气候动力学研究等都具有十分重要的意义。

水汽通量是海洋和大气之间的水汽物质交换量，水汽通量与海洋的盐度变化、大气中的水汽含量、海洋和陆地的降水量等都有着密切的关系，高速、高精度的现场水汽浓度测量是海气界面水汽通量观测一个极其重要的环节。目前海气通量观测使用的水汽浓度分析仪采用的是非分散红外光谱探测技术(NDIR)，在实际应用过程中，非分散红外光谱探测技术主要存在以下两个问题：第一，非分散红外光谱探测技术采用宽带光源，光源稳定性不高，在目标水汽吸收谱线范围内有其它气体的吸收线，存在谱线干扰，会对水汽浓度的精确测量产生影响；第二，非分散红外光谱探测技术采用红外光谱直接吸收方式，视窗污染以及宽带光源波动等原因造成的红外光透过率变化的影响较难消除。

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是在分子吸收光谱理论基础上发展起来的气体测量技术，该种测量技术使用窄带光源，光源波长调谐范围一般只有几个纳米，光谱线宽为几十MHz，在光源波长调谐范围内没有其它干扰气体。TDLAS具有NDIR的宽带光源所不具备的高分辨率，具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，已成为快速在线气体检测的有效方法之一。

针对温度和环境总气压变化会对TDLAS谐波信号产生影响的问题，已有多位学者展开了研究，并建立了相应的修正模型，但这些修正模型仅适用于气体浓度变化范围相对较小的情况。然而，空气中的水汽分压(水汽浓度)是与环境温度密切相关的，随着温度的升高，饱和水汽压增长非常迅速，水汽分压对TDLAS水汽浓度测量产生的影响不可忽略。

环境温度、总气压和水汽分压对TDLAS激光水汽浓度测量的影响并不是孤立的，需要综合分析温度、总气压和水汽分压变化对水汽吸收线线强、谱线宽度、谐波信号幅值以及激光水汽浓度测量的影响，对TDLAS法测量得到的水汽浓度进行同步的温度、总压力、水汽分压修正，提高海气通量观测水汽浓度的检测精度。

已有研究中所建立的温度和总气压修正模型未考虑水汽分压变化对TDLAS谐波检测产生的影响，对于海气通量观测水汽浓度测量来说并不适用。对于海气通量水汽浓度分析仪来说，自然环境中水汽浓度可从几百ppm到十几万ppm范围内变化，水汽分压变化对水汽吸收线谱线展宽的影响不能忽略，进而会对TDLAS系统检测到的谐波信号幅值产生影响。水汽分压本身是一个待测量，因此水汽分压变化对TDLAS水汽浓度测量的影响无法用修正函数进行修正，因此，水汽分压自身变化对TDLAS谐波检测法谱线展宽和水汽浓度测量所带来的影响如何消除是一个亟待解决的问题。

发明内容