[发明专利]一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法

说明书

一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术领域。该方法采用正弦波调制可调谐半导体激光器输出波长，通过对透射光强进行快速傅里叶变换，提取蕴含吸收信息的特征频谱重构透射光强，可有效消除颗粒物、光强波动等其他频率噪声信号干扰；结合中间变量η建立激光光强与波长之间的关系，以η为自变量对重构得到的透射光强进行拟合，实现入射光强与气体吸收率同步在线测量。该方法操作简便，应用范围广，解决了直接吸收法基线拟合不确定度大、波长调制法无法准确测量吸收率的问题，有效地提高了气体吸收率测量精度。

技术领域

本发明涉及一种气体吸收率在线测量方法，尤其涉及一种基于可调谐二极管激光吸收光谱直接吸收法技术的吸收率测量方法，属于激光光谱及气体测量技术领域。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorptionspectroscopy,TDLAS)是一种利用窄带激光扫描分子吸收率，进而推测气体温度、浓度等参数的激光测量技术，由于其非接触、测量灵敏度高、抗干扰能力强等优点，已逐步发展成为气体参数诊断主要手段之一。

气体吸收率作为TDLAS技术的关键核心参数，其高精度在线测量得到广泛的关注和研究。目前，气体吸收率通常是通过基于三角或锯齿波的直接吸收法(DAS)测量，其物理概念清晰，操作简单，但在应用中存在下述问题：1)基线(入射光强)拟合不确定度较大：基线一般采用多项式对透射光强两侧“无吸收区域”进行拟合，然后根据Beer-Lambert定律和激光频率得到吸收率，但由于谱线展宽、相邻谱线干扰和激光波长扫描范围受限等因素，无吸收区域在实际测量中难以获得。无吸收区域选择的不确定性会引起较大的基线拟合误差，进而导致吸收率测量误差，如峰值为1％的弱吸收，1％的基线拟合误差可能会带来100％的峰值误差。2)三角或锯齿波扫描频率较低：三角或锯齿波是由一系列nf(n＝0,1,2…)倍频正弦信号组成，对测量系统带宽有较高的要求，其扫描频率一般在几十到几千Hz，在测量中不利于减小或消除振动、颗粒物、激光器波动等其他低频噪声干扰。另外，三角或锯齿波波峰或波谷处电流突变使得激光频率发生剧烈变化，如三角波需要瞬间改变频率变化方向，而锯齿波则需要从极大值瞬间变化到极小值，这都导致突变处激光频率标定困难。

与DAS相比，基于高频正弦调制的波长调制法(WMS)采用谐波检测技术推断气体浓度等信息，谐波检测在理论上可以消除基线的影响(无吸收区域谐波信号为零)、极大地提高调制频率(可达到数百kHz)，同时还可以减小其他频率信号的干扰，目前已得到越来越多的关注和应用，如基于二次谐波峰值和标定实验的测量策略在工业现场烟气分析领域得到广泛地应用，而Hanson课题组基于剩余幅度调制(RAM)提出的2f/1f免标法在气体温度、浓度测量方面具有免标定优势。目前，基于谐波检测的WMS在气体温度、浓度测量方面取得了丰硕的研究成果，但在吸收率测量、谱线参数标定等方面研究较少，其原因在于：谐波信号是多参数耦合结果，不仅蕴含了吸收率(决定于气体温度、压力、组分浓度、谱线光谱常数等)信息，还受到激光性能参数(如光强、光强调幅系数、光强调制与频率调制相位差、频率调幅系数等)、探测系统响应系数等众多因素影响，上述参数的不确定性都会使得谐波信号理论计算值(或标定值)偏离真实值，进而导致气体吸收率测量误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决TDLAS技术中直接吸收法基线拟合不确定度大、波长调制法无法准确测量吸收率的问题，提供一种基于快速傅里叶变换分析的吸收率在线测量方法。本发明的技术方案如下：

1)通过信号发生器产生频率为ω的正弦信号，输入给激光控制器，用以调制激光控制器的输出电流，进而调制可调谐半导体激光器输出激光的波长在待测谱线中心v₀附近；

2)将可调谐半导体激光器产生的激光通过光纤分束器分为两路，一路经过准直后穿过待测气室，通过第一光电探测器接收透射光强；另一路激光射入干涉仪，通过第二光电探测器探测干涉仪的出射光强，通过采集卡采集第一和第二光电探测器光信号，并将其转换为电信号传入计算机；