[發明專利]免標定調制光譜的實現方法

無效

• 申請號: 201410101717.5
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103852443A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 洪延姬;王廣宇;潘虎;趙文濤
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍裝備學院
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 謝磊

技術領域

本發明屬于光學測量技術領域，涉及信號處理與數值仿真等方法，是針對氣相分子的吸收光譜測量開發的通用、可靠測量方法。

背景技術

光學測量技術在科研實驗、環境監測和燃燒場診斷等領域獲得了越來越廣泛的應用。吸收光譜在理論上需要同時測量吸收前和吸收后的光強信息才能獲得分子的吸收信息。在實際應用中，往往采用參考光束或函數擬合等方法確定吸收前的光強，即光譜基線。這些方法難以獲得準確的光譜基線信息。此外，調制方法雖然能明顯的提高測量信號的信噪比，但是調制光譜的信號強度與調制深度、譜線線型和強度調制等多方面的因素相關，因此調制光譜的定量測量也一直存在困難。

美國斯坦福大學K.H.Lyle，R.K.Hanson等人，曾利用調制光譜來增強航空發動機進氣道氧氣吸收光譜測量的信噪比。由于未在理論上解決調制光譜強度與線型函數間的定量對應關系，此處僅用光譜峰的中心位置來測量速度，濃度的測量則是通過直接吸收光譜實現的。此后，G.B.Rieker從理論上分析了波長調制光譜測量的原理，給出了諧波信號的表達式，著重分析了測量可能的誤差來源。研究顯示利用1f信號歸一化2f信號之后，借助準確的理論仿真可實現任意壓力、濃度和溫度條件下的測量。驗證了水分子和二氧化碳濃度和燃燒場溫度的測量結果，顯示波長調制光譜較之直接吸收光譜信噪比提高約4倍。該文獻并未提出詳細的實現方法，僅討論了調制光譜測量的可行性。

南京理工大學李寧等人，采用仿真的方法得到諧波信號理論值，利用二次諧波峰谷比來消除初始光強和探測器增益對信號強度的影響。因為波峰和波谷在時間上不是同時出現的，當測量過程中初始光強波動時，波峰、波谷對應的初始光強不相同，不能消除其對信號的影響。另外，該方法必需掃描得到完整的諧波信號才能提取波峰和波谷信息，對于譜線加寬嚴重或者出現重疊時，往往難以實現。清華大學熱能工程系車璐等人，研究了利用奇數次諧波信號重建吸收譜線型。通過對吸收線型進行傅里葉級數和泰勒級數分析，得到線型函數與奇數次諧波的關系，并在實驗室條件下驗證了氨氣的濃度測量。該方法中，諧波信號的強度仍與初始光強相關。初始光強雖然可以預先測量，但是在干擾嚴重的環境下，諸多非吸收因素導致的衰減致使初始光強在測量過程中出現明顯的變化，此時測量結果將出現嚴重的偏差。因此該方法并未真正實現免標定測量，只能在實驗室條件下應用。

本發明基于可調諧半導體激光吸收光譜（tunable?diode?laser?absorption?spectroscopy，TDLAS）技術，提供一種免標定調制光譜測量的實現方法，不僅利用了調制光譜的優勢，而且從理論上解決了光譜基線提取的問題，可實現真正意義上的免標定測量。

發明內容

本發明提供了一種免標定調制光譜的測量方法，實現基于可調諧半導體激光吸收光譜技術的真正意義上的免標定測量。包括：

步驟一、數字鎖相信號解調步驟；

步驟二、調制光譜仿真步驟；

步驟三、測量參數提取步驟；

其特征在于：

步驟一的數字鎖相信號解調步驟包括：（1）通過數據采集設備讀取探測光電信號、采樣率f₁和數據長度L；（2）根據調制頻率f、采樣率f₁和數據長度L，生成解調用的參考信號，包括一倍頻正弦和余弦信號，以及二倍頻正弦和余弦信號；（3）將一倍頻正弦、余弦信號和二倍頻正弦、余弦信號分別與載波信號相乘，得到四路混頻信號；（4）根據采樣頻率f₁、低通截止頻率和濾波階次，創建低通濾波算法；（5）將得到的四路混頻信號分別經過數字濾波器運算，得到一次諧波信號的X分量（X_1f）和Y分量（Y_1f），以及二次諧波的X分量（X_2f）和Y分量（Y_2f），并分別計算R量；

步驟二的調制光譜仿真步驟包括：（1）根據一定條件下的譜線參數進行數值積分計算，得到線型函數；（2）根據實測條件下的激光參數和計算得到的線型函數，計算諧波信號；（3）通過計算不同譜線參數對應的諧波信號，得到仿真數據庫；

步驟三的測量參數提取步驟包括：（1）提取諧波信號的多普勒頻移量，并計算流場速度；（2）通過提取諧波信號的最大值來獲得諧波信號的高度值；（3）通過迭代算法，對比仿真諧波信號的高度值和實驗諧波信號的高度值，求解流場的溫度和組分濃度。

本發明利用獨特的數據處理方法和準確的數值仿真，解決了調制光譜定量測量的問題。由于算法功能齊全，簡化了測量硬件的需求，具有如下優點：