[發明專利]一種基于直接吸收譜的氣體濃度反演方法

有效

• 申請號: 202110641555.4
• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113176222B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 洪廣偉;丘曉婷
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

1.一種基于直接吸收譜的氣體濃度反演方法，采用覆蓋氣體吸收譜中心波數的掃頻激光，發射光脈沖信號，通過耦合器分光后進入氣室發生吸收返回探測器，經過采集后得到兩路電信號，分別是經吸收的所述光脈沖信號轉換得到的周期脈沖電信號和觸發電信號，而后對兩路所述電信號進行處理，反演氣體濃度，其特征在于，具體包括如下步驟：

步驟1，采用采集卡采集經吸收的所述光脈沖信號并轉換得到所述周期脈沖電信號，而后根據所述觸發電信號找到所述觸發電信號每個周期的起點和長度，并對應到所述周期脈沖電信號上，而后根據每個周期對應到所述周期脈沖電信號上的起點和長度，提取出多個固定長度的周期脈沖電信號，該固定長度的周期脈沖電信號包含由于氣體吸收產生的下凹部分；

步驟2，采用最小二乘法分別對各個所述固定長度的周期脈沖電信號的直線部分即未吸收部分進行線性擬合，得到多個基線信號，而經采集的所述周期脈沖電信號則對應激光器經過吸收后的接收信號；

步驟3，將1個所述接收信號中的1個所述基線信號進行剔除，得到剔除所述基線信號的1個待測信號；

步驟4，將氣室長度與吸收系數的乘積的負數-αL作為自變量，同時將所述接收信號與所述基線信號的比值作為函數，這個剔除所述基線信號后的所述待測信號與-αL滿足指數關系，從而得到指數擬合的模型，進而根據所述模型計算得到1個氣體濃度；

步驟5，重復步驟3和步驟4，得到多個氣體濃度，而后對多個所述氣體濃度進行求和，進而計算得到氣體的平均濃度，

其中，α為氣體的吸收系數，L為氣室長度即光發生吸收的光程。

2.根據權利要求1所述的基于直接吸收譜的氣體濃度反演方法，其特征在于：

其中，所述步驟4中采用最小二乘法進行指數擬合，具體包括如下子步驟：

步驟4-1，給定需要進行指數擬合的樣本點(x_k，y_k)，擬合曲線的均方差為：

步驟4-2，根據Beer-lambert光吸收定律設定指數擬合的模型為f(x)＝ae^cx+b，獲取a，b，c的初始估計值a₀，b₀，c₀；

步驟4-3，更新a_i，b_i，c_i的權重w_i；

步驟4-4，使用最新的權重通過最小二乘法獲取新的擬合參數a_i+1，b_i+1，c_i+1；

步驟4-5，計算均方差是否小于容差，當小于所述容差時，則輸出擬合參數，當不小于所述容差時，則返回步驟4-3重新開始計算，

其中，x表示隨著光頻率v變化的-α(v)L，y表示接收信號與基線信號的比值I_(v)表示接收信號的強度值，I₀表示基線信號的強度值，y_k是Y的第k個元素，N是樣本點Y的長度，w_ik是第i次擬合時權重w_i中的第k個元素，f_k是使用當前擬合參數計算的第k個元素，a為參與吸收的歸一化光信號，b為殘留的非吸收歸一化光信號，c為待測的氣體濃度，e為自然指數的常數，v表示激光的光頻率，i為當前指數擬合參數的次數。

3.根據權利要求2所述的基于直接吸收譜的氣體濃度反演方法，其特征在于：

其中，所述Beer-lambert光吸收定律的公式為：

P＝P'+P₀e^-αcL

其中，P’為由于反射、衰減未進入氣室的非吸收光，P₀為進入氣室的光強，P為探測器接收到的光強，其分別為基線信號和接收信號，e為自然指數的常數，c為氣體濃度。