[发明专利]一种波长调制激光气体吸收光谱的参数提取方法与系统

说明书

本发明提供了一种波长调制激光气体吸收光谱的参数提取方法与系统。系统包括信号发生模块、激光器、干涉仪、光纤分束模块、光纤、信号采集模块、调制光谱波长记录模块与基于FPGA的在线谐波分析模块。根据波长记录模块记录的时间波长关系以及气体吸收函数关系，训练结构为输入为归一化高次谐波峰值点，输出为气体吸收谱参数的神经网络模型，并生成模型参数，再将模型结构与参数值移植到FPGA上，实现谐波信号与吸收参数的在线求解。本发明的特点在于利用了波长调制模型的确定性以及FPGA的在线计算优势，不仅降低了调制吸收谱信号采集的复杂度，也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

本发明涉及一种气体浓度与温度求解方法，尤其涉及一种基于波长调制激光气体吸收光谱的参数提取方法与系统，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)利用窄带激光扫描气体的吸收谱，通过获取气体分子对激光的吸收率，进而获取待测气体的浓度、温度等信息。从上世纪七十年代起，该技术被应用于燃烧场的参数测量，具有非侵入性，测量速度快，灵敏度高的特点。

目前，TDLAS的主要方法有直接吸收法(Direct absorption Spectroscopy，DAS)与波长调制法(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)，两种方法的目的在于准确获取气体吸收线型函数。DAS是将透射光强和入射光强的比值直接拟合得到气体的吸收率线型函数，拟合得到的吸收率线型函数包括了待测气体的温度、浓度和压力等信息。但直接吸收法易受颗粒物浓度、激光强度波动和高压下谱线重叠等因素的影响，导致测量误差的增大，直接吸收法更适合于强吸收的条件。Adam J Reid等在1981年发表在《应用物理学报》(Journal of Applied Physics)第26卷第203页的论文《可调谐二极管激光器的二次谐波检测——实验与理论的比较》(Second-harmonic detection with tunable diodelasers—comparison of experiment and theory)提出了波长调制方法，针对窄带激光扫描过程进行了高频调制，利用高频信号的高次谐波进行气体吸收率的计算与气体参数的提取，该方法有效地降低了测量系统中的背景干扰，提高了TDLAS的测量精度。但是单纯利用高次谐波信号进行气体参数的计算需要对已知气体进行标定，增加了系统的复杂度。WeiWei等在2019年发表在《应用物理B》(Applied Physics B)第125卷的第9号论文《在高压冲击管中使用波长调制光谱方法抑制非吸收干扰》(Demonstration of non-absorbinginterference rejection using wavelength modulation spectroscopy in high-pressure shock tubes)波长调制光谱的非吸收干扰抑制能力在激波管实验中，直接比较波长调制法(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)的测量值和直接吸收法的测量值，WMS检测系统在3.5atm、8.5atm和18atm的反射冲击压力下进行了评估，结果表明，与并行DAS测量相比，证明了WMS检测系统的信噪比有所提高。WMS方法一般是通过在锯齿波上叠加了正弦信号的电流控制激光器，进而对采集到的信号进行解调处理，获取激光吸收线型的部分参数。由于进行了调制解调的过程，WMS测得的信号的信噪比要比DAS方法高，但同时由于滤波解调的过程导致吸收谱无法完全恢复。