[發明專利]一種基于可調諧激光吸收光譜的水汽濃度測量修正方法

有效

• 申請號: 201810117366.5
• 申請日: 2018-02-06
• 公開（公告）號: CN108333143B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 張可可;趙強;張繼明;王波;宋苗苗;閆星魁;劉世萱;陳世哲;鄭學勇
• 申請（專利權）人: 山東省科學院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 劉娜

本發明公開了一種基于可調諧激光吸收光譜的水汽濃度測量修正方法，包括如下步驟：激光水汽濃度測量設備根據AD值?水汽濃度擬合函數C＝k₁(AD)，將測量AD值轉換為水汽濃度C；通過溫度、壓力傳感器測量得到環境溫度T和環境總壓力P，對計算得到的水汽濃度C進行溫度修正和總壓力修正，得到水汽濃度修正值C₁；由溫度T和已知不同溫度的飽和水汽濃度C_E，得到待測水汽濃度范圍[0，C_E]，將水汽濃度值設定為C₀＝(0+C_E)/2＝C_E/2；比較水汽濃度修正值C₁和水汽濃度設定值C₀；通過迭代算法，修正后的水汽濃度值為C₂，完成整個修正過程。本發明公開的修正方法可以消除由于溫度、總壓力和水汽分壓變化對可調諧激光吸收光譜法水汽濃度測量產生的影響，提高海氣通量水汽濃度測量的精度。

技術領域

本發明涉及一種水汽濃度測量技術領域，特別涉及一種基于激光吸收光譜技術的海氣界面通量水汽濃度測量修正方法。

背景技術

海氣界面通量是描述大氣邊界層和海洋上表層相互作用的重要參數。海氣界面通量的相關研究，對了解海氣界面的能量和物質交換、海氣耦合作用、不同尺度的海洋和大氣動力過程、海洋和大氣的數值模擬、天氣預報和氣候動力學研究等都具有十分重要的意義。

水汽通量是海洋和大氣之間的水汽物質交換量，水汽通量與海洋的鹽度變化、大氣中的水汽含量、海洋和陸地的降水量等都有著密切的關系，高速、高精度的現場水汽濃度測量是海氣界面水汽通量觀測一個極其重要的環節。目前海氣通量觀測使用的水汽濃度分析儀采用的是非分散紅外光譜探測技術(NDIR)，在實際應用過程中，非分散紅外光譜探測技術主要存在以下兩個問題：第一，非分散紅外光譜探測技術采用寬帶光源，光源穩定性不高，在目標水汽吸收譜線范圍內有其它氣體的吸收線，存在譜線干擾，會對水汽濃度的精確測量產生影響；第二，非分散紅外光譜探測技術采用紅外光譜直接吸收方式，視窗污染以及寬帶光源波動等原因造成的紅外光透過率變化的影響較難消除。

可調諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)是在分子吸收光譜理論基礎上發展起來的氣體測量技術，該種測量技術使用窄帶光源，光源波長調諧范圍一般只有幾個納米，光譜線寬為幾十MHz，在光源波長調諧范圍內沒有其它干擾氣體。TDLAS具有NDIR的寬帶光源所不具備的高分辨率，具有靈敏度高、精度高、響應速度快等優點，已成為快速在線氣體檢測的有效方法之一。

針對溫度和環境總氣壓變化會對TDLAS諧波信號產生影響的問題，已有多位學者展開了研究，并建立了相應的修正模型，但這些修正模型僅適用于氣體濃度變化范圍相對較小的情況。然而，空氣中的水汽分壓(水汽濃度)是與環境溫度密切相關的，隨著溫度的升高，飽和水汽壓增長非常迅速，水汽分壓對TDLAS水汽濃度測量產生的影響不可忽略。

環境溫度、總氣壓和水汽分壓對TDLAS激光水汽濃度測量的影響并不是孤立的，需要綜合分析溫度、總氣壓和水汽分壓變化對水汽吸收線線強、譜線寬度、諧波信號幅值以及激光水汽濃度測量的影響，對TDLAS法測量得到的水汽濃度進行同步的溫度、總壓力、水汽分壓修正，提高海氣通量觀測水汽濃度的檢測精度。

已有研究中所建立的溫度和總氣壓修正模型未考慮水汽分壓變化對TDLAS諧波檢測產生的影響，對于海氣通量觀測水汽濃度測量來說并不適用。對于海氣通量水汽濃度分析儀來說，自然環境中水汽濃度可從幾百ppm到十幾萬ppm范圍內變化，水汽分壓變化對水汽吸收線譜線展寬的影響不能忽略，進而會對TDLAS系統檢測到的諧波信號幅值產生影響。水汽分壓本身是一個待測量，因此水汽分壓變化對TDLAS水汽濃度測量的影響無法用修正函數進行修正，因此，水汽分壓自身變化對TDLAS諧波檢測法譜線展寬和水汽濃度測量所帶來的影響如何消除是一個亟待解決的問題。

發明內容