[发明专利]一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法

摘要

本发明公开了一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，该方法在传统波长调制信号的基础上叠加了另一高频正弦信号，针对该种激光激励方式建立了双频率波长调制的傅里叶分析模型，理论推导了各次谐波表达式，研究了不同调制参数对谐波信号的影响并通过全局寻优算法确定了最佳调制参数。在此基础上，确定了双频率波长调制频率响应关系的函数表达式。相比于传统单频率波长调制方法，本发明提出的测量方法具有更高的信噪比，测量结果的稳定性更强，并且在弱吸收情况下的谐波峰值位置更易于判断，具有更大的应用潜力，本发明方法仅改变了激光器的注入电流激励方式，对硬件成本要求低，并可应用于多次反射池等系统进一步降低气体浓度的检测下限。

主权项

1.一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，对双频率波长调制的激光激励方式进行傅里叶分析，理论推导出n次谐波的X和Y方向分量，对应的表达式为：式(1)和式(2)中，为未加调制时的激光器光强，H_k、J_k为k次傅里叶系数，i_1，k、i_2，k分别为k次光强调制频率f₁、f₂对应的傅里叶系数，为分别对应的k次光强调制的初始相角；其中，R＝f₂/f₁，δ_nk为符号函数，当n＝k时，其值为1，否则为0，sgn(x)为符号函数，表示当x＞0时，其值为1，当x＜0，其值为‑1，x＝0时，其值为0；当吸收为零，即满足τ(t)＝0时，H_k＝δ_k0，J_k＝0，代入式(1)、(2)，得到无吸收时的X分量和Y分量的表达式为：扣除背景的n次谐波(nf信号)表达式为：步骤2，定义调制系数其中ΔV为吸收谱线的半高宽，谱线中心频率处二次谐波信号是调制系数的函数，通过全局寻优算法确定最佳调制参数；步骤3，建立TTWMS波数时间关系表达式：式(6)中，下标s、m分别代表扫描频率和调制频率对应的调制参数，为激光器的中心波数，f_s为激光器的扫描频率，为相对应的扫描调制相角，f_m1和f_m2分别为激光器的两个调制频率，和是相对应的调制相角，式中和下标中的i表示扫描频率或调制频率下对应的i阶调制参数，β是各频率间耦合项的耦合系数，使用该表达式对标准具的波数时间离散点进行拟合，得到表达式中的各拟合参数；步骤4，在最佳调制参数下，使用光电探测器测量无吸收介质的原始光强和有吸收介质时的透射光强并将其转换成电信号传送至处理器，处理器对上述信号分别进行处理，使用A、ΔV_C、v₀作为未知参数，结合和Beer‑Lambert定律得到仿真透射光强式(7)中，S(T)为谱线线强，P是气体压力，x是待测气体浓度，L是光程长，Φ(V(t)，ΔV_C，ΔV_D，v₀)为Voigt线性函数，其中V(t)是波数时间的对应关系，ΔV_C、ΔV_D分别对应谱线的碰撞加宽及多普勒展宽，v₀是谱线的中心波数，A代表积分吸收面积，T为温度；步骤5，对和分别进行参数设置相同的n次谐波解调，可以得到各自对应的X分量和Y分量：和和和仿真信号的扣除背景一次谐波归一化n次谐波信号为：测量信号的扣除背景一次谐波归一化n次谐波信号为：步骤6，根据最小二乘拟合算法，比较信号和信号，计算两个信号之间的残差，判断是否为最佳拟合，输出此时的A、ΔV_C、v₀，可计算出待测气体参数值；否则重新设置参数值，重复步骤4～5，直到获得最佳拟合值。