[发明专利]一种基于激光吸收阻抗谱的气体温度与浓度参数测量方法

说明书

本发明提出一种基于激光吸收阻抗谱的气体温度与浓度测量方法，属于激光吸收光谱技术领域，用于气体温度、分子浓度的路径均值测量。激光吸收阻抗谱是以激光吸收强度谱为强度、激光吸收相位光谱为相位的复阻抗谱，相比于传统的激光吸收强度谱技术，激光吸收阻抗谱能获得透射光的完整复线型特征，丰富测量数据，提高温度和浓度的测量精度及抗噪声能力。在具体的测量过程中，首先采用强度调制法同时测量强度及相位谱，并使用混频的方式降低探测信号频率，然后同时对强度谱面积和相位谱峰峰值进行查表操作，获得温度和浓度值。该方法易于硬件实现，在气体参数实时高精度监测方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明提出一种基于激光吸收阻抗谱的气体温度与浓度参数测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域。该方法使用激光吸收光谱复谱线进行待测气体温度和分子浓度的二维分布的快速测量。

背景技术

激光吸收光谱技术，即可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy,TDLAS)，常使用可调谐激光二极管波长扫描获得吸收谱。激光吸收光谱技术由于其非侵入性，快速响应，灵敏度高，测量准确、成本低、抗干扰能力强等优点被广泛应用于燃烧场温度、组分浓度的测量。激光吸收光谱技术通常使用分布式反馈激光器作为光源，探测随时间变化的透射光强。相比于出射激光，透射光强的强度衰减称为激光吸收强度谱，相位偏移称为激光吸收相位谱。目前，激光吸收强度谱和激光吸收相位谱的发展较为分离，气体参数测量采用强度谱或相位谱进行解算。

激光吸收强度谱已经被广泛的、应用于单一路径下的气体平均温度和组分浓度的定量测量，主要有直接吸收法(direct absorption spectroscopy,DAS)和波长调制法(wavelength modulation spectroscopy,WMS)。直接吸收法以接近线性的方式扫描吸收光谱，从透射光强中直接提取吸收强度谱，简单直观，并且能获得完整的吸收谱。2020年，Mohsin Raza等人发表在《光学与激光技术》(Optics and Laser Technology)第130卷106344页的论文《使用2.3μm分布式反馈二极管激光器的兆赫速率扫描波长直接吸收光谱》(MHz-rate scanned-wavelength direct absorption spectroscopy using adistributed feedback diode laser at 2.3μm)中介绍了一种正弦波长扫描方法，并提取直接吸收法测得的强度谱，通过正弦扫描，将激光吸收光谱的测量帧率达到2Mfps。2021年，Xinyu Yang等人发表正在《燃料》(Fuel)第288卷119666页的论文《通过甲烷/空气层流预混火焰中OH(X)紫外宽带吸收谱的温度和OH浓度测量方法》(Temperature and OHConcentration Measurements by Ultraviolet Broadband Absorption of OH(X)inLaminar Methane/Air Premixed Flames)利用宽谱段的紫外激光器，实现了平焰燃烧炉中温度和OH基团浓度的单光路多强度谱测量，温度测量均方差在16K以内，OH基团浓度测量精度达到ppm量级。然而，由于直接吸收法直接从透射光强的廓形来提取气体的吸收光谱，弱光强的廓形易受外界干扰，光谱测量不准确，所以其抗噪声能力较差，难以应用于复杂环境下的气体动态监测。波长调制法的激光扫描方式改成波长线性扫描叠加高频正弦调制，将光谱信号从易受背景噪声影响的频段搬移至高频段，然后从光强度信号的谐波中，提取激光吸收强度谱谐波，降低背景噪声的影响。Huang等人发表在《IEEE仪器与测量汇刊》(IEEETransactions on Instrumentation and Measurement)第69卷第11期9087-9096页的论文《用于TDLAS层析成像火焰监测中应用的频分复用和主峰扫描WMS方法》(Frequency-Division Multiplexing and Main Peak Scanning WMS Method for TDLAS Tomographyin Flame Monitoring)将频分复用技术与波长调制法相结合，同时扫描多条吸收谱线的强度谱，成倍提高了激光吸收强度谱的测量速度，同时也提高了测量的抗噪声能力。虽然波长调制法具有较强的噪声抑制能力，但现在常用的模型一般仅适用于弱吸收条件，当吸收大于5％时通常导致较大误差。