[发明专利]一种波长调制激光吸收光谱线型参数在线提取方法与系统

说明书

本发明提供了一种波长调制激光吸收光谱线型参数在线提取方法与系统。系统包括基于信号发生器、激光器、光纤、待测气体以及数据采集模块组成的调制光谱光强记录器与基于FPGA的在线神经网络计算模块。根据光强记录器记录的时间光强关系，计算机解调出归一化二次谐波峰值生成神经网络模型的训练集并训练。基于FPGA实现激光幅值信号的采集，输入神经网络模型，实现对调制吸收谱归一化二次谐波峰值的计算。本发明的特点在于利用了FPGA的在线计算优势以进行信号的在线谐波分析，不仅降低了调制吸收谱信号采集的复杂度，也结合神经网络的方法拓宽了波长调制方法对温度、浓度等气体参数的测量范围，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种信号谐波信息求解方法，尤其涉及一种波长调制激光吸收光谱线型参数在线提取方法与系统，属于激光光谱及气体参数测量技术领域。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)，是一种建立在比尔朗伯吸收定律的基础上，利用激光器发出的光束，在经过待测区域中的气体分子吸收后，用探测器测量待测区域出射的激光光强，来计算待测区域的特定光谱气体吸收特性，进而分析出待测区域的浓度和气体分子浓度的光学测量手段。由于其非侵入性、测量速度快、灵敏度高的特点，TDLAS技术被广泛用于燃烧场的参数测量过程中。目前，TDLAS 的主要方法有直接吸收法(Direct AbsorptionSpectroscopy,DAS)和波长调制法(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)，两种方法的目的是为了准确获取气体吸收线型函数的信息。直接吸收法通过扫描电流信号驱动激光器，使激光器的输出波长在窄带宽内变化，测量不同波长下透射光强与入射光强之比。获得高分辨率的气体吸收光谱后，联合基线拟合出气体吸收线型，用两条吸收线的线强比来反演温度。直接吸收法更适合于强吸收的条件，对于噪声比较敏感，易受测量场内颗粒物浓度、激光强度波动等因素影响。Reid.J等在1981年发表在《Applied Physics B》上的论文《Second-harmonic detection with tunable diode lasers—comparison ofexperiment and theory》提出了波长调制法，波长调制法对窄带激光扫描过程进行了高频调制，利用高频信号的二次谐波信息计算得到气体吸收率以及气体浓度、温度信息。波长调制法有效降低了背景信号对测量的干扰。针对波长调制方法的测量装置与方法，近年来国内的相关专利也有对相关技术的描述。中国专利CN107860726A《准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法》对气体吸收后的光强信号的二次谐波进行傅立叶分量表示，利用已知浓度的待测气体的一次谐波与二次谐波的交点来进行标定，标定后的查找表用来来计算待测气体的浓度。中国专利CN 109696415 A《一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法》提出了一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率的在线测量方法，其通过数据采集卡，将光电探测器探测到的光强信号数字化后进行快速傅里叶变换，进而获取相关的波长调制信号的高次谐波信号。这些方法的提出在很大程度上推动了波长调制方法技术尤其是对归一化二次谐波峰值信号的在线解算方面的发展，然而谐波信号的解算需要，其对波长调制方法信号的采集系统与信号传输系统的硬件资源要求较高。中国专利CN105866068B《一种基于递推最小二乘法的激光吸收光谱谐波信号峰值点提取方法》提出了一种基于递推最小二乘法的谐波信号峰值点提取方法，该方法用于FPGA的在线实现，为波长调制法的实时测量中国专利CN 104535528A《BP神经网络实时提取TDLAS气体吸收光谱吸光度的方法》提出了一种基于 FPGA(Field Programmable Gate Array)的嵌入式的BP(BackPropagation)神经网络实时提取TDLAS气体吸收光谱吸光度的方法，利用神经网络的技术对DAS信号进行拟合重建，获取线型函数的半宽、吸收面积与峰值的信息，进而提取气体的浓度、温度等参数信息，很好的利用了BP神经网络解决了DAS方法求解气体参数的非线性问题。而在进行波长调制方法信号的非线性求解气体参数的问题时，目前尚缺乏有效快速神经网络输入参数的有效快速提取方法以及融合高次谐波信号的快速、低资源消耗的求解方法。