[發明專利]基于修正卡爾曼濾波理論的氣體濃度定量分析儀

無效

• 申請號: 200710068889.7
• 申請日: 2007-05-23
• 公開（公告）號: CN101059428A
• 公開（公告）日: 2007-10-24
• 發明（設計）人: 劉華鋒
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G06F17/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及一種氣體濃度定量分析裝置，尤其是指一種基于修正卡爾曼濾波理論的氣體濃度定量分析儀。

背景技術

環境污染是世界范圍普遍關心的問題。對各類燃燒器、工業及商用鍋爐產生的氣體、機動車尾氣、各類化工廠有毒氣體(如HCl、NH3、HF)等進行環境污染物的監測和預報，是環境保護、控制治理污染的必要前提。

傳統的氣體污染監測是以濕式化學技術和吸收取樣后的實驗分析為基礎，這些儀器通常只限于單點測量，響應時間比較慢。相比而言，光學和光譜學遙感技術以其大范圍、連續實時監測方式而成為環境氣體監測、分析的理想工具。其中差分吸收光譜技術DOAS(Differential?OpticalAbsorption?Spectomery)以其出眾的測試方法及技術特點成為大氣污染模式研究和大氣污染監測的常用方法之一。

DOAS技術中一般采用最小二乘原理對氣體濃度進行反演，但是這種方法的缺點的在反演求解過程中假設系統數據(如壓強、溫度等)精確已知。而實際情況是系統往往會受到各種因素的擾動，因此造成該反演算法的魯棒性不夠，而且在數據含有大噪聲的情況下反演精度也不夠理想。為了解決上述問題，針對實際應用中可能遇到的各種擾動因素，把氣體濃度隨時間變化的方程建模成狀態方程，從DOAS測量原理出發推導出測量方程，從而建立濃度氣體反演的狀態空間表達，隨后充分考慮系統的不確定性及其測量數據的噪聲問題，采用卡爾曼濾波改進原最小二乘算法的不足。

DOAS是德國Heidelberg大學環境物理研究所的U?Platt和D?Perner在20世紀70年代末提出的，隨后在大氣實用探測方面迅速發展。光譜測量基本原理：已知從光源發出的光束經過某一待測氣體，由于不同氣體分子對光的吸收不同，使得吸收光譜的強度和結構都發生了相應的改變。提取這些特征結構，然后利用最小二乘法，就可以求得相應氣體的濃度。這就是DOAS方法的主要思想。光強分布服從Beer-Lambert公式：

???????I(λ)＝I₀(λ)exp[-(Lcσ(λ)+ε_R(λ)+ε_M(λ))]+N????????(1)

(1)式中，λ為波長，I(λ)為吸收光譜的光強測量值，I₀(λ)為出射光光強初始值，L為光程，c為待測氣體濃度，σ(λ)為氣體吸收截面，ε_R(λ)為Reileigh散射系數，ε_M(λ)為Mie散射系數，N為各種噪聲總和。對(1)式兩邊取對數得： ln [ I 0 ( λ ) I ( λ ) ] = σ ( λ ) cL + ϵ R + ϵ N + N ′ - - - ( 2 ) ]]>

通過光譜儀測量，我們可以測得對應波長λ_mk(mk＝1，2，……，n)的強度I(λ_mk)和I₀(λ_mk)，然后我們采用最小二乘法對這n組超定方程求解濃度c。