[發明專利]基于多流形學習的氣體濃度反演方法

有效

• 申請號: 201410190563.1
• 申請日: 2014-05-07
• 公開（公告）號: CN103940767A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 馮海亮;王海玲;黃鴻;謝吉海;王應健
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G06F19/00
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 李海華

技術領域

本發明涉及氣體濃度檢測方法，具體指一種基于多流形學習的氣體濃度反演方法，屬于煙氣分析處理領域，適用于因濃度低、光程短，通氣時間不夠，光譜吸收不充分等導致的信噪比低，即傳統方法問題較大情況下的氣體濃度反演。

背景技術

傳統的差分光學吸收光譜(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy，DOAS)技術最早是由德國Heidelberg大學環境物理研究所的UlrichPlatt教授提出，主要是利用吸收分子在紫外到可見波段的特征吸收來研究大氣層(平流層，對流層)的痕量氣體成分(CH₂O、O₃、NO₂、SO₂、NH₃等)，通過長光程吸收可以測量到濃度很低的氣體成分。污染源發出的不同污染氣體顯示了不同的吸收特征，從而可以在獲得的光譜中根據不同的吸收特征反演得到各種氣體的濃度。

典型的DOAS系統包含一個光源發射器(氘燈或氙燈)，發出經過準直的光束，一個接收系統，收集被衰減的光束，一個光譜儀，一個單通道掃描或多通道掃描光探測系統和一臺用于硬件控制、數據采集和處理的計算機(見圖1)。光源發出的光經發射器準直，通過被監測的煙氣，被光程另一端的接收器接收，接收器接收到的光通過光纖送入分析儀器，分析儀器包括高品質的光譜儀、計算機以及聯合控制系統。光譜儀利用光柵將接收到的光分成窄帶光譜，帶有狹縫的掃描裝置對窄帶光譜進行快速掃描。掃描后的光譜進入探測器，被轉換為模擬信號，經A/D轉換送入計算機進行處理。大量的掃描結果就形成了相應波段的光譜圖。DOAS就是根據光譜圖中包含的被監測光程中污染氣體的吸收特性求解它們各自的濃度。

實際應用中，當從光源發出的光經過煙氣時，存在使光發生衰減的幾種因素。通常，Rayleigh散射(主要由于O₂和N₂)和Mie散射(由于煙塵、氣溶膠粒子)對于總衰減的貢獻大于分子吸收。一個原始的、開放煙氣的吸收光譜不僅包含了分子吸收也包含了其它的消光過程，這些都阻礙了應用Lambert-Beer定律測量煙氣中污染物的濃度。圖2展示了這一過程。

然而，數學上的處理可以將包含在煙氣吸收光譜中由于分子吸收引起的光譜變化分離出來，基于光程上由Rayleigh散射和Mie散射等引起的光學密度的變化是隨著波長的變化緩慢變化，由分子吸收特性引起的光學厚度的變化是隨著波長的變化快速變化。為此將散射引起的光譜變化稱為“寬帶”光譜(低頻部分)，將分子吸收引起的光譜變化稱為“窄帶”光譜(高頻部分)。數學上使用一個高通濾波器將隨波長快速變化的“窄帶”光譜分離出來，被分離出來的分子吸收光譜(差分光學厚度)用實驗室測量的參考光譜進行擬合，能夠計算出存在于被測煙氣中的光吸收物質的濃度。這就是差分吸收光譜法的基本思想。

因此，DOAS系統中的光衰減過程可以由擴展的Lambert-Beer定律描述：