[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

本發明提供一種基于直接吸收譜的氣體濃度反演方法，包括提取周期信號、基線擬合、去直線、指數擬合后得到氣體濃度。本發明的方法有效的解決了高濃度長氣室下氣體飽和吸收、部分采集數據缺失或不準確、非吸收光的存在等對濃度反演結果的影響。并且該反演方法是一種全局擬合的方法，不依賴單個采樣點，而是對連續信號進行曲線的擬合，按照設定的理論模型反演出氣體濃度信息，提高了氣體檢測的準確性和靈活性。

技術領域

本發明涉及一種基于直接吸收譜的氣體濃度反演方法。

背景技術

目前對于氣體濃度的反演技術是基于Beer-lambert定律，在中心波數處，將輸出光強與輸入光強的比值取對數后，除去相應氣室長度和該點的吸收系數取負數后得到，僅使用中心波數處的數據，對該點準確性的依賴性高，當數據采集發生缺失或氣體濃度高發生飽和吸收時，該點的位置不準確會導致計算結果不準確；另外，該點無法消除非吸收光對輸出光強的影響，在氣體檢測系統中不可避免的存在端面反射或其他因素，導致進入氣室的光僅是輸出光的其中一部分，在該情況下，參與計算的為輸出的所有信號，參與光吸收的信號僅為進入氣室的信號，傳統計算方法是根據輸入光強與輸出光強的比值來計算的，因此非吸收光的存在會導致結果計算發生誤差。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種氣體濃度反演方法。

本發明提供了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，而后對兩路電信號進行處理，反演氣體濃度，具有這樣的特征，如下步驟：步驟1，采用采集卡采集經吸收的光脈沖信號并轉換得到周期脈沖電信號，而后根據觸發電信號找到觸發電信號每個周期的起點和長度，并對應到周期脈沖電信號上，而后根據每個周期對應到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個接收信號中的1個基線信號進行剔除，得到剔除基線信號的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，同時將接收信號與基線信號的比值作為函數，這個剔除基線信號后的待測信號與-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。

在本發明提供的氣體濃度反演方法中，還可以具有這樣的特征：其中，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，當小于容差時，則輸出擬合參數，當不小于容差時，則返回步驟4-3重新開始計算，