[發(fā)明專利]結(jié)合卡爾曼濾波器的腔衰蕩光譜技術(shù)氣體濃度監(jiān)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410156271.6
• 申請日: 2014-04-18
• 公開（公告）號: CN103884679A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙剛;馬維光;李志新;譚巍;尹王保;賈鎖堂
• 申請（專利權(quán)）人: 山西大學(xué)
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體檢測領(lǐng)域，具體是一種結(jié)合卡爾曼濾波器的腔衰蕩光譜技術(shù)氣體濃度監(jiān)測方法。

背景技術(shù)

氣體檢測技術(shù)作為一種發(fā)展長久的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活之中。隨著人們對大氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)切日益增加，對空氣污染物，尤其是PM2.5的檢測越發(fā)的重要。在工業(yè)中，對原料氣體以及生成氣體的檢測與控制可以大大提高生產(chǎn)效率，減小經(jīng)濟成本，如在火力發(fā)電廠中對NO₂的檢測。在農(nóng)業(yè)中，通過測量大棚中的CO₂含量可以獲知農(nóng)作物生長狀況，從而控制不同肥料的添加。常見的氣體檢測方式有傳統(tǒng)的化學(xué)檢測法和新型的光譜技術(shù)檢測法。傳統(tǒng)的化學(xué)檢測法常常需要對氣體進(jìn)行取樣，實驗室分析，不能實時反映氣體濃度變化。而新型的光譜技術(shù)檢測法由于其具有實時、在線、高靈敏度等優(yōu)點得到廣泛認(rèn)可。光譜技術(shù)檢測法是基于氣體分子對特定頻率激光的吸收，根據(jù)光強的衰減情況演化得到氣體濃度，這種方法不會對氣體成分形成破壞。常見的光譜檢測法包括直接吸收光譜技術(shù)、波長調(diào)制光譜技術(shù)、頻率調(diào)制光譜技術(shù)、腔增強光譜技術(shù)、腔衰蕩光譜技術(shù)等。其中直接吸收光譜技術(shù)與波長調(diào)制光譜技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于生產(chǎn)中。但這兩種光譜技術(shù)都存在光程不長，靈敏度相對較低，受外界因素影響大，需要標(biāo)氣進(jìn)行校準(zhǔn)等缺點。而光腔衰蕩光譜技術(shù)(Cavity?Ring-Down?Spectroscopy,CRDS)是一種近些年發(fā)展迅速的高靈敏直接吸收光譜技術(shù)，它是通過測量腔內(nèi)光場的衰蕩時間來獲得吸收介質(zhì)濃度的。由于該技術(shù)測量的是信號的時間行為，所以不受激光強度起伏的影響。CRDS技術(shù)所采用的光學(xué)腔精細(xì)度很高，腔內(nèi)的有效吸收路徑可以很長(～km)，相當(dāng)于多通道池技術(shù)的效果，而且這種技術(shù)的光學(xué)裝置相對簡單。CRDS的探測靈敏度與光聲光譜(PAS)及腔內(nèi)吸收光譜(ICLAS)相當(dāng)，能夠達(dá)到10^-7，使得該技術(shù)很快應(yīng)用到了社會生產(chǎn)生活中。

CRDS的思想是在測量不斷提高鏡面反射率精度的過程中誕生的，最初在1980年，Herberlin使用光學(xué)腔相移技術(shù)來測量鏡片的反射率。1984年Anderson通過激光強度的指數(shù)衰減測量鏡片的反射率，可測量的鏡面反射率達(dá)到99.99%。到1988年O’Keefe和Deacon首次闡述了CRDS的基本操作原理，并使用脈沖激光器對氧氣分子可見光區(qū)域的吸收線進(jìn)行了探測，最小探測吸收精度達(dá)到1ppm，但是測量得到的光譜分辨率很低，這是由于脈沖激光器頻率穩(wěn)定性較差，頻率的線寬大于腔的自由光譜區(qū)。而到了1996年D.Romanini提出基于連續(xù)激光器CRDS(CW-CRDS)，并對乙炔（HCCH）在570nm附近的吸收線進(jìn)行了探測，噪聲等效吸收達(dá)到10^-9/cm，由于連續(xù)激光器的高重復(fù)率、高光譜精度和較好的信噪比，使得CRDS的應(yīng)用前景擴展到很大的空間。

腔衰蕩光譜技術(shù)原理如圖1所示，當(dāng)初始光強為I₀的激光束進(jìn)入光學(xué)腔，由于腔鏡散射、透射以及腔內(nèi)介質(zhì)吸收，將在光學(xué)腔后檢測到隨指數(shù)衰減的光：

I=I0exp(-tτ)---(1)]]>

其中τ表示光強的衰蕩時間，與腔內(nèi)介質(zhì)的吸收以及腔鏡的透射、散射有關(guān)。由于光源為激光，有很好的單色性，腔鏡的散射損耗可以忽略不計，則衰蕩時間τ可以表示為：

τ=Lc[αLC+lnR]---(2)]]>