本發(fā)明屬于激光吸收光譜及氣體測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、激光吸收光譜技術(shù)作為提供定量非侵入式溫度和物質(zhì)濃度測(cè)量最成功的技術(shù)之一，從早期的單一的窄帶光源測(cè)量到多窄帶光源的多線測(cè)量，都存在無法有效測(cè)量容易引起譜線顯著展寬的測(cè)量環(huán)境，且很難測(cè)量具有寬光譜的碳?xì)浠衔锏膯栴}。隨著激光光源的發(fā)展，寬帶光源的出現(xiàn)為這些測(cè)量挑戰(zhàn)提供了替代解決方案。

2、寬帶光源其光譜寬度相對(duì)較大，包含的吸收躍遷更豐富，適用于需要覆蓋廣泛光譜范圍的測(cè)量需求。研究寬光譜溫度反演算法的主要目的是如何利用得到的更豐富的寬譜吸收信息精確地進(jìn)行溫度計(jì)算。相關(guān)的思路主要有以下幾條：

3、（1）雙線平均法，寬光譜包含了多條吸收譜線，在譜線可分離的情況下可以得到多組適合于雙線比值法的譜線對(duì)，對(duì)每對(duì)譜線按照雙線法進(jìn)行求解，將得到的結(jié)果再進(jìn)行平均，作為最終求解得到的溫度值。該方法利用到了寬光譜的多譜線信息，但該方法還是以雙線法為基礎(chǔ)，不可避免地出現(xiàn)譜線選擇的困難，實(shí)際使用中限制寬譜激光器的選取。

4、（2）玻爾茲曼圖譜法，該方法同樣依賴于單個(gè)獨(dú)立吸收譜線的選取，較適用于譜線易于分離的情況。寬光譜得到的豐富譜線信息將大大提高玻爾茲曼直線擬合的準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高溫度反演的準(zhǔn)確度。

5、如果激光掃描范圍內(nèi)有多個(gè)吸收躍遷，且相互疊加影響的話，這兩種方法將難以用來求解溫度與氣體濃度，且不論是雙線平均法還是玻爾茲曼圖譜法都需要計(jì)算獨(dú)立吸收譜線的積分吸光度，譜線選擇的困難將導(dǎo)致無法有效地利用超連續(xù)光譜所提供的豐富吸收躍遷信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量系統(tǒng)及方法，可以有效地利用超連續(xù)光譜所提供的豐富吸收躍遷信息實(shí)現(xiàn)溫度濃度的準(zhǔn)確求解。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量系統(tǒng)，包括超連續(xù)激光光源、光纖分束器、第一準(zhǔn)直器、第二準(zhǔn)直器、第三準(zhǔn)直器、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器、氣室、標(biāo)準(zhǔn)具和處理器，

3、超連續(xù)激光光源輸出波長(zhǎng)連續(xù)的激光，經(jīng)過光纖分束器分為三路，第一路經(jīng)過第一準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后通過第一光電探測(cè)器接收出射激光強(qiáng)度，得到參考信號(hào)；第二路經(jīng)過第二準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后穿過氣室并通過光電探測(cè)器接收透射激光強(qiáng)度，得到吸收信號(hào)；第三路經(jīng)過第三準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后穿過標(biāo)準(zhǔn)具并通過第三光電探測(cè)器接收出射激光強(qiáng)度，得到標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)，其中，氣室內(nèi)容納目標(biāo)氣體，

4、所述處理器用于對(duì)參考信號(hào)、吸收信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)進(jìn)行采集和處理，測(cè)量目標(biāo)氣體的溫度和濃度，包括：

5、理論吸收光譜計(jì)算單元，利用高分辨率光譜數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算目標(biāo)氣體在不同溫度、濃度、壓強(qiáng)和光程下的理論吸收光譜；

6、實(shí)驗(yàn)吸收光譜求解單元，通過對(duì)參考信號(hào)、吸收信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)進(jìn)行處理得到實(shí)驗(yàn)吸收光譜；

7、特征參數(shù)匹配單元，對(duì)理論吸收光譜和實(shí)驗(yàn)吸收光譜進(jìn)行最小二乘擬合，待擬合參數(shù)為實(shí)驗(yàn)吸收光譜包含的溫度和濃度，將滿足最小二乘擬合輸出的參數(shù)值作為目標(biāo)氣體的溫度與濃度值。

8、本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量方法，利用上述的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)氣體的溫度和濃度，包括：

9、步驟s1：利用高分辨率光譜數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算對(duì)應(yīng)氣體分子在不同溫度、濃度、壓強(qiáng)和光程下的理論吸收光譜；

10、步驟s2：通過對(duì)參考信號(hào)、吸收信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)進(jìn)行處理得到實(shí)驗(yàn)吸收光譜；

11、步驟s3：對(duì)理論吸收光譜和實(shí)驗(yàn)吸收光譜進(jìn)行最小二乘擬合，待擬合參數(shù)為實(shí)驗(yàn)吸收光譜包含的溫度和濃度，將滿足最小二乘擬合輸出的參數(shù)值作為目標(biāo)氣體的溫度與濃度值。

12、優(yōu)選地，所述步驟s1中，按照下式計(jì)算理論吸收光譜：

13、

14、其中，分別表示待測(cè)氣體的環(huán)境壓強(qiáng)、氣體濃度和氣體溫度，j為光譜頻率范圍內(nèi)包含的吸收躍遷數(shù)量，表示譜線強(qiáng)度，s是溫度t的函數(shù)，表示線型函數(shù)，是氣體溫度t和壓力p的函數(shù)。

15、優(yōu)選地，所述步驟s2包括：

16、步驟s21：通過控制超連續(xù)激光光源輸出波長(zhǎng)連續(xù)的激光，采集得到參考信號(hào)、吸收信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)；

17、步驟s22：利用采集得到的參考信號(hào)作為基線對(duì)采集得到的吸收信號(hào)進(jìn)行處理，并使用3次樣條插值對(duì)基線進(jìn)行修正，得到近似吸光度曲線；

18、步驟s23：利用采集得到的標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，將近似吸光度曲線橫坐標(biāo)的采樣點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為頻域波數(shù)。

19、優(yōu)選地，步驟s23包括：

20、步驟s231：通過尋峰函數(shù)提取標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)的干涉峰值，將干涉峰的位置索引表示為個(gè)數(shù)索引的函數(shù)并繪制原始曲線，同時(shí)使用高階多項(xiàng)式擬合原始曲線得到擬合曲線；

21、步驟s232：計(jì)算原始曲線與擬合曲線的差值，判斷尋峰過程中是否存在峰值缺失；

22、步驟s233：存在峰值缺失的情況下，求原始曲線與擬合曲線的差值的一階差分，再對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)，此時(shí)峰值的位置即為需要補(bǔ)全的干涉峰的位置，峰值的大小即為需要補(bǔ)全的干涉峰的個(gè)數(shù)，對(duì)峰值缺失的位置進(jìn)行峰值補(bǔ)全；

23、步驟s234：針對(duì)補(bǔ)全后的峰值個(gè)數(shù)索引再次進(jìn)行多項(xiàng)式擬合判斷是否存在峰值缺失的情況，直至計(jì)算的殘差的一階差分不存在峰值為止；

24、步驟s235：將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的起始波數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)具的自由譜間距作為擬合參數(shù)，同步擬合理論吸收光譜和實(shí)驗(yàn)吸收光譜，確定起始波數(shù)和自由譜間距的準(zhǔn)確值；

25、步驟s236：計(jì)算得到所有峰值位置的絕對(duì)波數(shù)，進(jìn)而使用3次樣條插值得到所有采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)波數(shù)值，從而得到橫坐標(biāo)為波數(shù)、縱坐標(biāo)為吸光度的實(shí)驗(yàn)吸收光譜。

26、優(yōu)選地，步驟s3包括：

27、將實(shí)驗(yàn)吸收光譜的橫坐標(biāo)波數(shù)值作為自變量，為偏移常數(shù)，給定溫度、濃度和偏移常數(shù)的初值以及對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)和光程值，計(jì)算理論吸收光譜，將實(shí)驗(yàn)吸收光譜與理論吸收光譜進(jìn)行最小二乘擬合，得到滿足下式的最佳擬合參數(shù)，將其中的值作為基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量值：

28、

29、根據(jù)本發(fā)明上述方面的基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量系統(tǒng)及方法，可以有效地利用超連續(xù)光譜所提供的豐富吸收躍遷信息實(shí)現(xiàn)溫度濃度的準(zhǔn)確求解。

技術(shù)特征：

1.一種基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括超連續(xù)激光光源、光纖分束器、第一準(zhǔn)直器、第二準(zhǔn)直器、第三準(zhǔn)直器、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器、氣室、標(biāo)準(zhǔn)具和處理器，

2.一種基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量方法，其特征在于，利用權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)氣體的溫度和濃度，包括：

3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟s1中，按照下式計(jì)算理論吸收光譜：

4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步驟s2包括：

5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟s23包括：

6.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，步驟s3包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于超連續(xù)吸收光譜的氣體溫度濃度測(cè)量系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括超連續(xù)激光光源、光纖分束器、第一～第三準(zhǔn)直器、第一～第三光電探測(cè)器、氣室、標(biāo)準(zhǔn)具和處理器，超連續(xù)激光光源輸出波長(zhǎng)連續(xù)的激光，經(jīng)過光纖分束器分為三路，第一路經(jīng)過第一準(zhǔn)直器后通過第一光電探測(cè)器接收出射激光得到參考信號(hào)；第二路經(jīng)過第二準(zhǔn)直器后穿過氣室并通過光電探測(cè)器接收透射激光得到吸收信號(hào)；第三路經(jīng)過第三準(zhǔn)直器后穿過標(biāo)準(zhǔn)具并通過第三光電探測(cè)器接收出射激光得到標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)；處理器對(duì)參考信號(hào)、吸收信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)進(jìn)行采集和處理，測(cè)量目標(biāo)氣體的溫度和濃度。本發(fā)明可以有效地利用超連續(xù)光譜所提供的豐富吸收躍遷信息實(shí)現(xiàn)溫度濃度的準(zhǔn)確求解。

技術(shù)研發(fā)人員：錢寶健,蔡靜,常海濤,楊鑫宇,高一凡,李心語
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21