[发明专利]基于S2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法

摘要

本发明属于激光光谱技术领域，主要是一种基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法。本发明通过相应的科学分析可知A，i₁，i₂，浓度和相位差ψ₁，ψ₂对S_2f/S_2f^c信号影响甚微，只有WMRF对S_2f/S_2f^c信号有明显的影响。因此，可以在不确定浓度和相移的情况下，由S_2f/S_2f^c信号来反演出WMRF，因为拟合参数大大减小，可以确保了S_2f方法简单、快速、准确。在此基础上对待测气体浓度进行拟合，获得了精确度更高的测量值。这种新方法简单、快速、准确，适于在气体探测领域广泛推广。

主权项

一种基于S_2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法；采用如下装置：函数发生器(1)，与函数发生器(1)的两个信号输出端相连接的加法器(2)、与加法器(2)信号输出端相连接的激光控制器(3)以及由激光控制器(3)控制的DFB激光器(4)；DFB激光器(4)的出射光路上设有分束器(5)，分束器(5)的一个出射端顺次设有第一准直镜(6)、气体吸收池(8)以及第一光电探测器(10)；分束器(5)的另一个出射端顺次设有第二准直镜(7)、标准具(9)以及第二光电探测器(11)；所述第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的信号输出端均连接有电脑(12)；函数发生器(1)的第三个信号输出端与电脑(12)连接；其特征在于，所述气体检测方法包括如下步骤：(a)通过第一光电探测器(10)分别测量无吸收介质以及有吸收介质时的光强信号并将其转换为电信号传送至电脑(12)，电脑(12)对接收到的上述信号分别进行二次谐波解调可以得到信号X⁰_2f，Y⁰_2f和X_2f，Y_2f；其中X⁰_2f、Y⁰_2f分别为无吸收介质时的光强信号的二次谐波解调分量信号；X_2f、Y_2f分别为有吸收介质时的光强信号的二次谐波解调分量信号，根据S_2f计算公式：$\begin{array}{c}{S}_{2f}={\[{\left(X_{2f}-X_{2f}^0\right)}^2+{\left(Y_{2f}-Y_{2f}^0\right)}^2\]}^{1/2}\\ =A\{{\[H_2+\frac{i_1}{2}\left(H_1+H_3\right){\mathrm{cos\ψ}}_1+i_2\left(H_0+\frac{H_4}{2}\right){\mathrm{cos\ψ}}_2\]}^2\\ +{\[H_0+\frac{i_1}{2}\left(H_1-H_3\right){\mathrm{sin\ψ}}_1+i_2\left(H_0-\frac{H_4}{2}\right){\mathrm{sin\ψ}}_2\]}^2{\}}^{1/2}\end{array}$得到S_2f，进而得到S_2f/S^c_2f，其中S^c_2f为S_2f中心波长处的值，也就是幅度最大值，可从S_2f信号中直接获取；(b)设置WMRF函数中a的初始化参数，再使用标准具(9)测量透射峰拟合得到v_poly，将设置初始化参数的WMRF函数以及v_poly带入福吉特吸收线型函数可以模拟得到第一模拟吸收系数，结合第一模拟吸收系数及无吸收光强并根据比尔朗博定律可以得到第一模拟吸收光强，再对第一模拟吸收光强进行二次谐波解调可以得到相应的分量信号X^1s_2f和Y^1s_2f,结合前述已知的X⁰_2f，Y⁰_2f并根据S_2f计算公式得到S^1s_2f/S^c_2f；(c)电脑(12)在相应软件的支持下比较S_2f/S^c_2f信号和S^1s_2f/S^c_2f信号，计算两个信号之间的残差，判断是否为最佳拟合；如果残差变大，则重新设置初始化WMRF参数，重复步骤(b)以及本步骤，直到得到最佳拟合值，也就得到具有确定a参数的WMRF函数；(d)针对某一种待测气体进行浓度检测，利用步骤(c)获得的确定的WMRF函数以及通过标准具(9)透射峰拟合得到的v_poly，可以得到波长随时间的变化量v；结合波长随时间的变化量v、无吸收光强信号以及初始化的气体浓度值并根据比尔朗博定律可以模拟得到第二模拟吸收光强，对第二模拟吸收光强分别进行二次谐波解调和一次谐波解调，得到X^2s_2f和Y^2s_2f以及X^2s_1f和Y^2s_1f信号，其中X^2s_2f和Y^2s_2f分别为第二模拟吸收光强的二次谐波解调信号，X^2s_1f和Y^2s_1f为第二模拟吸收光强的一次谐波解调信号，就可以得到对应第二模拟吸收光强的R^2s_2f/R^2s_1f信号，其中R^2s_2f是X^2s_2f和Y^2s_2f的绝对幅度值，R^2s_1f是X^2s_1f和Y^2s_1f的绝对幅度值；同时得到经过待测气体的光强信号的R_2f/R_1f信号，电脑在相应软件的支持下判断R^2s_2f/R^2s_1f信号和R_2f/R_1f信号是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合气体浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，模拟得到一个新的第二模拟吸收光强，重复本步骤的拟合过程，直到得到一个最佳的拟合浓度值，此拟合浓度值即作为待测气体的浓度值。