[发明专利]基于自适应差分吸收光谱技术的气体浓度线性测量方法

说明书

本发明提供一种基于自适应差分吸收光谱技术的气体浓度线性测量方法，其包括待测气体全光谱数据的采集及处理、自适应滑动窗自动选取测量波段并计算估计系数、自适应动态筛选最优估计系数、反演待测气体最优测量浓度值并计算相对测量误差；本发明通过自适应滑动窗完成测量波段的自动划分，并计算不同测量波段下的估计系数；通过自适应动态筛选待测气体的最优估计系数，反演待测气体最优测量浓度值，并计算相对测量误差验证该方法的可行性；本发明消除了基于差分吸收光谱技术气体测量过程中的非线性效应，解决了气体测量中的定标困难问题，提高了测量精度，最终实现未知浓度气体的准确测量，同时拓展了检出限，实现气体动态测量。

技术领域

本申请涉及气体检测技术领域，具体地涉及一种基于自适应波段选择与差分吸收光谱技术的气体浓度线性测量方法。

背景技术

近些年，大气中各种悬浮颗粒物含量超标导致出现雾霾天气，进而引发大气浑浊、视野模糊、能见度恶化、影响人体系统正常运行等问题。而雾霾的主要组成成分为二氧化硫、氮氧化物及可吸入颗粒物，其中的气态污染物主要来源于汽车尾气和燃煤，遇到空气中存在的氧化氮和金属氧化物颗粒等污染物发生转化，易引起马斯河谷事件等环境灾害；形成酸雨致使土壤酸化、腐蚀建筑及工业设备，严重危害人体健康，影响工业及电站安全。随着环保意识的不断增强，环境质量备受关注，而气体检测则是环境质量报告的主要途径，通过气体检测手段可以更直观地了解空气质量，并及时采取防治空气污染措施。

差分吸收光谱技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)已广泛应用于对紫外波段和可见波段具有特征吸收特性气体的检测工作中，Beer-Lambert定律作为DOAS技术的理论基础，可从理论上建立吸光度与浓度之间的线性关系，但实际测量过程中吸光度与浓度之间的关系出现偏离Beer-Lambert定律的现象，即出现非线性效应，一旦出现非线性效应，则会使得定标困难，从而很难准确测量气体浓度，并且引起测量灵敏度降低等问题，因此非常有必要明确非线性效应产生的本质，以便从根本上消除或补偿非线性效应引发的一系列误差。很多研究人员已然发现非线性效应带来的严重影响，开展了相关研究：A.ROSEN等提出非线性效应的产生是因为待测气体浓度过高，并得出NO、NH₃、SO₂在230nm处的线性测量区域分别为6mg/m²，36mg/m²，90mg/m²；J.Falden等为消除吸光度与浓度之间的非线性效应，引入了根据吸光度测量值预测给定波长下真实光谱吸光度的校正方法；Tolbin等指出吸收系数与浓度的非线性关系，表明Beer-Lambert定律存在非线性偏差；邵理堂等采用全谱及最小二乘全局寻优有效检测了短光程、低浓度下的污染气体浓度，提高了短光程和低浓度条件下DOAS技术的测量精度，拓展了DOAS技术检出限。

当前研究成果在利用DOAS技术测量污染气体时多采用按照一定规则选取部分具有明显差分吸收结构的离散波长和相应的吸收谱线来反演气体浓度，而应用于低浓度气体测量时检测信号信噪比很低，光谱仪接收到的透射光强较弱，其测量浓度值必然存在误差；对于全谱测量方法，只适用于低浓度气体的测量，浓度过高又会导致吸光度较强波段出现饱和吸收现象，从而引起测量误差。

因此，需要提供一种基于自适应波段选择与差分吸收光谱技术的气体浓度线性测量方法，解决现有技术存在的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提出一种基于自适应差分吸收光谱技术(Adaptive-Differential Optical Absorption Spectroscopy，A-DOAS)的气体浓度线性测量方法，其针对待测气体的差分吸收光谱自动划分测量波段并计算估计系数k，而后通过自适应动态筛选最优估计系数，最后反演得出待测气体最优测量浓度值，消除非线性效应误差，本发明同时适用于高、低浓度测量环境，实现了未知浓度气体的动态、精确测量，保证测量精度的同时获取更宽的动态测量范围。

为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：