[发明专利]一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法

摘要

一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术领域。该方法采用正弦波调制可调谐半导体激光器输出波长，通过对透射光强进行快速傅里叶变换，提取蕴含吸收信息的特征频谱重构透射光强，可有效消除颗粒物、光强波动等其他频率噪声信号干扰；结合中间变量η建立激光光强与波长之间的关系，以η为自变量对重构得到的透射光强进行拟合，实现入射光强与气体吸收率同步在线测量。该方法操作简便，应用范围广，解决了直接吸收法基线拟合不确定度大、波长调制法无法准确测量吸收率的问题，有效地提高了气体吸收率测量精度。

主权项

1.一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法，其特征是该方法包括如下步骤：1)通过信号发生器(1)产生频率为ω的正弦信号，输入给激光控制器(2)，用以调制激光控制器(2)的输出电流，进而调制可调谐半导体激光器(3)输出激光的波长在待测谱线中心v₀附近；2)将可调谐半导体激光器(3)产生的激光通过光纤分束器(4)分为两路，一路经过准直后穿过气室(5)，通过第一光电探测器(6)接收透射光强；另一路激光射入干涉仪(7)，通过第二光电探测器(8)探测干涉仪的出射光强，通过采集卡(9)采集第一和第二光电探测器光信号，并将其转换为电信号传入计算机(10)；3)令可调谐半导体激光器(3)输出激光瞬时波长为：式中t为探测时间序列，f为调制频率，为激光中心波长，a₁、a₂、a₃分别为线性和非线性波长调制幅值，为基倍频初始相位角、和为二倍频和三倍频相位角；4)令入射到气室(5)前的瞬时入射光强为：式中为光强平均值，i₁为线性光强调制幅度，i₂和i₃分别为二倍频和三倍频幅度，θ₁为光强与频率调制基频相位差，θ₂和θ₃分别为光强与频率调制二倍频和三倍频相位差；5)定义中间变量将其代入公式(I)，得到激光波长与中间变量η的关系：其中，v(η)是以η为自变量的激光波长，“±”分别代表频率上升和下降沿；6)将η代入到公式(II)中，利用下式得到入射光强与中间变量η的关系：其中，I₀(η)是以η为自变量的入射光强，B₁＝i₁cosθ₁‑3i₃cosθ₃,B₂＝2i₂cosθ₂,B₃＝4i₃cosθ₃,B₄＝i₁sinθ₁‑i₃sinθ₃,B₅＝2i₂sinθ₂,B₆＝4i₃cosθ₃；7)穿过气室(5)的瞬时透射光强展开为傅里叶级数形式：其中，R₀为直流项振幅，R_k和ψ_k为透射光强的k次谐波振幅和初始相位角；将η代入到公式(V)中，得到透射光强与中间变量η的关系：其中，I_t(η)为以η为自变量的透射光强；8)对第二光电探测器(8)接收到的瞬时透射光强进行快速傅里叶变换，得到各频率处的谐波振幅和初始相位角，提取直流项振幅R₀和kf频率处的谐波振幅R_k和初始相位角ψ_k，其中k＝1,2…，将R₀、R_k和ψ_k代入到公式(VI)中，令η在[‑1,1]范围内均匀变化取值，即可重构出透射光强；9)根据比尔‑兰伯特定律，穿过气室(5)的以η为自变量的透射光强与以η为自变量入射光强之间满足关系：其中，α(v)为待测气体吸收率，A为积分面积，为待测谱线线型函数；10)将公式(III)和(IV)代入公式(VII)中，通过该关系式对步骤8)中重构出的透射光强以η为自变量进行拟合，得到以η为自变量的入射光强I₀(η)、积分面积A、待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β；11)将待测谱线高斯线宽γ_D、洛伦兹线宽γ_L及迪克收敛系数β代入相应谱线线性函数中，计算待测谱线线型函数结合步骤10)中所得积分面积A，利用公式计算出待测气体吸收率α(v)。