[發明專利]基于正交分解的多譜線氣體吸收光譜線型擬合測量方法

有效

• 申請號: 202011127103.6
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN112098365B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 賴小明;鄒婷;陳昊;沈德明
• 申請（專利權）人: 南京科遠智慧科技集團股份有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 陳揚

本發明公開了一種基于正交分解的多譜線氣體吸收光譜線型擬合測量方法，首先選定目標氣體的特征譜線范圍，測量得到該范圍吸收線型；其次對測量的吸收線型進行正交分解，去掉n階(n通常大于2)以下的低階項得到與光波頻率ν相關的線型Φ_M(ν)；從光譜數據庫中篩選去掉所選特征譜線范圍內線強較弱的譜線；給定氣體濃度Xabs及溫度T的初始值，計算篩選后的譜線的理論線型，并進行同樣的正交分解處理得到線型Φ_S(ν)；將Xabs、T作為變量，用理論吸收線型Φ′_S(ν)對氣體吸收線型Φ′_M(ν)進行最小二乘擬合，迭代更新Xabs和T，直到滿足收斂條件，輸出濃度、溫度。本發明降低了譜線篩選標準，加快了多譜線擬合的計算速度，增加了TDLAS測量方法的適用范圍。

技術領域：

本發明涉及一種基于正交分解的多譜線氣體吸收光譜線型擬合測量方法。

背景技術：

可調諧二極管激光器可以產生線寬較窄的激光，輸出波長和功率均隨注入電流呈線性變化。當二極管激光器的注入電流呈鋸齒波調諧，可得到呈鋸齒波輸出的激光波長激光功率。使激光波長反復掃描目標氣體的所選吸收譜線范圍，從而獲得吸收譜線的吸收線型。

應用TDLAS測溫的基礎在于選擇合適的吸收分子與吸收譜線對。在不同的應用環境下，需要針對實際被測對象進行譜線的選擇，傳統的雙譜線法TDLAS測溫選線準則較為嚴格，基本的選線經驗準則有如下幾點：

(1)兩譜線需要在所選溫度范圍內充分吸收；

(2)兩譜線應該不受鄰近譜線吸收的干擾；

(3)兩譜線的綜合吸收面積比應該是關于溫度的單調函數且兩譜線線強大小應該相似，并隨溫度T變化具有不同的變化趨勢；

(4)兩譜線應該有足夠大的低態能級能量差，以保證有足夠好的溫度靈敏度；

傳統的雙譜線TDLAS測量方法通過目標氣體的兩條吸收譜線使其線強之比為溫度的靈敏函數，溫度計算公式如下式

其中h為普朗克常數，k為玻爾茲曼常數，c為光速，E₁和E₂分別為兩條譜線的低態能級，S₁和S₂分別為兩條譜線的線強，T₀為參考溫度，R＝A₁/A₂為兩條譜線的積分吸收面積A₁和A₂的比值，得到溫度T后，根據以下公式計算氣體濃度

其中，P為壓強，L為測量路徑長度，ν為光波頻率。實際選線中，往往因為存在干擾譜線而難以選擇到完全符合以上選線標準的譜線，而干擾譜線會影響氣體積分吸光度比值R(T)的計算，從而導致測量誤差，限制了TDLAS技術的發展和普及。

為解決干擾譜線的問題，可以用理論的吸收線型對測量的吸收線型進行迭代擬合，得到氣體的溫度、濃度。然而對多譜線進行擬合時，每次迭代更新參數過程都要需要重新計算每條譜線的線型，計算量較大，實時性不能得到保障。擬合時去掉計算理論線型的干擾峰能夠提升計算速度，但去掉過多的干擾峰會導致理論線型和實際測量線型的殘差過大，導致擬合精度降低。

發明內容：

本發明為了解決基于傳統雙譜線法TDLAS技術的氣體檢測方法適用面窄及計算速度慢的問題，本發明提供一種基于正交分解的多譜線氣體吸收光譜線型擬合測量方法，拓展TDLAS應用范圍，加快計算速度。

本發明所采用的技術方案有：

基于正交分解的多譜線氣體吸收光譜線型擬合測量方法，包括:

1)選擇目標氣體的多條特征吸收譜線并組合成兩組譜線簇，所選的譜線總數為N；