一種基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量系統及方法與流程

本發明屬于激光吸收光譜及氣體測量領域，具體涉及一種基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量系統及方法。

背景技術：

1、激光吸收光譜技術作為提供定量非侵入式溫度和物質濃度測量最成功的技術之一，從早期的單一的窄帶光源測量到多窄帶光源的多線測量，都存在無法有效測量容易引起譜線顯著展寬的測量環境，且很難測量具有寬光譜的碳氫化合物的問題。隨著激光光源的發展，寬帶光源的出現為這些測量挑戰提供了替代解決方案。

2、寬帶光源其光譜寬度相對較大，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行溫度計算。相關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，對每對譜線按照雙線法進行求解，將得到的結果再進行平均，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，不可避免地出現譜線選擇的困難，實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獨立吸收譜線的選取，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確度，進而提高溫度反演的準確度。

5、如果激光掃描范圍內有多個吸收躍遷，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算獨立吸收譜線的積分吸光度，譜線選擇的困難將導致無法有效地利用超連續光譜所提供的豐富吸收躍遷信息。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量系統及方法，可以有效地利用超連續光譜所提供的豐富吸收躍遷信息實現溫度濃度的準確求解。

2、為了實現上述目的，本發明的一個方面提供一種基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量系統，包括超連續激光光源、光纖分束器、第一準直器、第二準直器、第三準直器、第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、氣室、標準具和處理器，

3、超連續激光光源輸出波長連續的激光，經過光纖分束器分為三路，第一路經過第一準直器準直后通過第一光電探測器接收出射激光強度，得到參考信號；第二路經過第二準直器準直后穿過氣室并通過光電探測器接收透射激光強度，得到吸收信號；第三路經過第三準直器準直后穿過標準具并通過第三光電探測器接收出射激光強度，得到標準具信號，其中，氣室內容納目標氣體，

4、所述處理器用于對參考信號、吸收信號和標準具信號進行采集和處理，測量目標氣體的溫度和濃度，包括：

5、理論吸收光譜計算單元，利用高分辨率光譜數據庫計算目標氣體在不同溫度、濃度、壓強和光程下的理論吸收光譜；

6、實驗吸收光譜求解單元，通過對參考信號、吸收信號和標準具信號進行處理得到實驗吸收光譜；

7、特征參數匹配單元，對理論吸收光譜和實驗吸收光譜進行最小二乘擬合，待擬合參數為實驗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值作為目標氣體的溫度與濃度值。

8、本發明的另一個方面提供一種基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量方法，利用上述的測量系統測量目標氣體的溫度和濃度，包括：

9、步驟s1：利用高分辨率光譜數據庫計算對應氣體分子在不同溫度、濃度、壓強和光程下的理論吸收光譜；

10、步驟s2：通過對參考信號、吸收信號和標準具信號進行處理得到實驗吸收光譜；

11、步驟s3：對理論吸收光譜和實驗吸收光譜進行最小二乘擬合，待擬合參數為實驗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值作為目標氣體的溫度與濃度值。

12、優選地，所述步驟s1中，按照下式計算理論吸收光譜：

13、

14、其中，分別表示待測氣體的環境壓強、氣體濃度和氣體溫度，j為光譜頻率范圍內包含的吸收躍遷數量，表示譜線強度，s是溫度t的函數，表示線型函數，是氣體溫度t和壓力p的函數。

15、優選地，所述步驟s2包括：

16、步驟s21：通過控制超連續激光光源輸出波長連續的激光，采集得到參考信號、吸收信號和標準具信號；

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

18、步驟s23：利用采集得到的標準具信號進行時頻轉換，將近似吸光度曲線橫坐標的采樣點數轉換為頻域波數。

19、優選地，步驟s23包括：

20、步驟s231：通過尋峰函數提取標準具信號的干涉峰值，將干涉峰的位置索引表示為個數索引的函數并繪制原始曲線，同時使用高階多項式擬合原始曲線得到擬合曲線；

21、步驟s232：計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，再對差分信號進行峰值檢測，此時峰值的位置即為需要補全的干涉峰的位置，峰值的大小即為需要補全的干涉峰的個數，對峰值缺失的位置進行峰值補全；

23、步驟s234：針對補全后的峰值個數索引再次進行多項式擬合判斷是否存在峰值缺失的情況，直至計算的殘差的一階差分不存在峰值為止；

24、步驟s235：將實驗數據的起始波數和標準具的自由譜間距作為擬合參數，同步擬合理論吸收光譜和實驗吸收光譜，確定起始波數和自由譜間距的準確值；

25、步驟s236：計算得到所有峰值位置的絕對波數，進而使用3次樣條插值得到所有采樣點對應的絕對波數值，從而得到橫坐標為波數、縱坐標為吸光度的實驗吸收光譜。

26、優選地，步驟s3包括：

27、將實驗吸收光譜的橫坐標波數值作為自變量，為偏移常數，給定溫度、濃度和偏移常數的初值以及對應的壓強和光程值，計算理論吸收光譜，將實驗吸收光譜與理論吸收光譜進行最小二乘擬合，得到滿足下式的最佳擬合參數，將其中的值作為基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量值：

28、

29、根據本發明上述方面的基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量系統及方法，可以有效地利用超連續光譜所提供的豐富吸收躍遷信息實現溫度濃度的準確求解。

技術特征：

1.一種基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量系統，其特征在于，包括超連續激光光源、光纖分束器、第一準直器、第二準直器、第三準直器、第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、氣室、標準具和處理器，

2.一種基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量方法，其特征在于，利用權利要求1所述的測量系統測量目標氣體的溫度和濃度，包括：

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

4.如權利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步驟s2包括：

5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟s23包括：

6.如權利要求2或3所述的方法，其特征在于，步驟s3包括：

技術總結
本發明公開了一種基于超連續吸收光譜的氣體溫度濃度測量系統及方法，所述系統包括超連續激光光源、光纖分束器、第一～第三準直器、第一～第三光電探測器、氣室、標準具和處理器，超連續激光光源輸出波長連續的激光，經過光纖分束器分為三路，第一路經過第一準直器后通過第一光電探測器接收出射激光得到參考信號；第二路經過第二準直器后穿過氣室并通過光電探測器接收透射激光得到吸收信號；第三路經過第三準直器后穿過標準具并通過第三光電探測器接收出射激光得到標準具信號；處理器對參考信號、吸收信號和標準具信號進行采集和處理，測量目標氣體的溫度和濃度。本發明可以有效地利用超連續光譜所提供的豐富吸收躍遷信息實現溫度濃度的準確求解。

技術研發人員：錢寶健,蔡靜,常海濤,楊鑫宇,高一凡,李心語
受保護的技術使用者：中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21