[发明专利]一种波长调制气体浓度反演方法

说明书

本发明公开了一种波长调制气体浓度反演方法，包括下述步骤：(1)将相互正交的参考信号与探测信号相乘，并进行低通滤波后获得吸收光谱的相互正交的一组1f解调信号X_1f、Y_1f；(2)根据1f解调信号X_1f、Y_1f获得1f信号的幅角θ_1f；(3)根据幅角θ_1f获得被测气体浓度。本发明利用正交相位解调的1f信号X_1f、Y_1f，通过测量平面矢量(X_1f，Y_1f)幅角θ_1f反演气体浓度，有效的屏蔽了光强抖动等噪声对气体浓度探测的影响，实现气体浓度的高灵敏度探测。

技术领域

本发明属于可调谐激光气体吸收光谱探测领域，更具体地，涉及一种波长调制气体浓度反演方法。

背景技术

可调谐激光气体吸收光谱技术，利用气体分子对某个特定波长激光的吸收，通过波长调谐的方法获得该气体分子在该波长的吸收光谱测量其浓度及其信息。该技术广泛的应用于大气污染物监测、工业控制、安全生产等多个领域。

波长调制技术是用高频的调制信号控制激光的波长与强度，进而将气体吸收光谱信号的频率移至高频，再通过解调制探测，从而极大的降低低频噪声对吸收光谱信号的影响，提高系统信噪比。

通常使用1f归一化2f解调方法。使用频率为调制频率两倍，与调制信号同相位的参考信号，与探测到的光强信号相乘，再通过低通滤波的方法获得吸收光谱的X_2r信号。为屏蔽解调相位误差带，通常使用频率为调制频率两倍，正交相位的两路参考信号，与探测到的光强信号相乘，再通过低通滤波的方法获得吸收光谱的X_2f、Y_2f信号。考虑到光强变化对结果的影响，通常采用1f信号对1f信号进行归一化处理。使用频率为调制频率，正交相位的两路参考信号，与探测到的光强信号相乘，在通过低通滤波的方法获得吸收光谱的X_1f、Y_1f信号，从而获得矢量(X_1f，Y_1f)的模R_1f最终获得单通道的1f归一化2f信号X_2f/1f(X_2f/1f＝X_2f/R_1f)或正交解调的1f归一化的2f信号R_2f/1f使用获得的X_2f/1f或R_2f/1f有两种方法反演待测气体浓度。第一，采用标准浓度气体标定X_2f/1f或R_2f/1f目标气体吸收位置的峰值或峰峰值，建立气体浓度-峰值(或峰峰值)对应关系，再由测量光谱峰值(或峰峰值)反演气体浓度。第二，采用光谱数据库相应光谱吸收线的特征参数，根据比尔朗博气体吸收定律，结合测量环境条件(温度、压力等)与测量条件(激光光强、频率特征参数等)模拟特定浓度的单通道的1f归一化2f信号或正交解调的1f归一化的2f信号，与测量光谱进行拟合，残差最小的模拟单通道的1f归一化2f信号或正交解调的1f归一化的2f信号对应的目标气体浓度就是测量目标气体浓度。

为了获得高精度的测量结果，在传统解调方式的基础上，也发明了多种其他信号解调光谱反演方法。例如，德国西门子公司A.Hangauer发明了利用调制信号的多次谐波同时解调获得1f信号、2f信号、3f信号及4f信号，对他们同时进行拟合反演气体浓度。清华大学丁艳军发明了基于2次谐波与4次谐波的气体吸收谱线线宽和线型系数的测量等方法。

但在多种方法的应用过程中，激光光强抖动等噪声造成的气体浓度测量误差仍然是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种波长调制气体浓度反演方法，旨在解决现有技术中激光光强抖动噪声导致气体浓度测量误差大的问题。

本发明提供了一种波长调制气体浓度反演方法，包括下述步骤：