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基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法与相关技术

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本技术属于激光光谱技术领域，具体是一种基于WMRF新模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。

解决了目前用于气体浓度检测的免定标波长调制光谱技术存在的精度不高的技术问题。

本技术采用了一个0.02cm1自由光谱区的标准具来分析调制信号引起的波长变化WMRF，观察到了幅度线性变化的一次谐波分量和幅度为常数的二次谐波分量，提出了一个描述WMRF的新模型。

用此新模型，系统可以得到更精确的拟合结果，较以往系统，无需增加硬件模块以及人为操作，只需要在程序上进行改进，有利于开发应用。

本技术技术方案简单，操作方便，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。

技术要求1.一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，采用如下装置：函数发生器(1)，与函数发生器(1)的两个信号输出端相连接的加法器(2)、与加法器(2)信号输出端相连接的激光控制器(3)以及由激光控制器(3)控制的DFB激光器(4)；DFB激光器(4)的出射光路上设有分束器(5)，分束器(5)的一个出射端顺次设有第一准直镜(6)、气体吸收池(8)以及第一光电探测器(10)；分束器(5)的另一个出射端顺次设有第二准直镜(7)、标准具(9)以及第二光电探测器(11)；所述第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的信号输出端均连接有电脑(12)；函数发生器(1)的第三个信号输出端与电脑(12)连接；其特征在于，所述气体探测方法包括如下步骤：(a)探测前采用下式：F(cos(ωt))＝(at+b)cos(ωt)+ccos(2wt+θ)拟合WMRF函数，式中a，b，c、θ均为待定常数，均与使用的DFB激光器(4)有关；通过标准具(9)探测得到DFB激光器(4)的波长变化v以及三角波扫描引起的波长变化vpoly，二者之差得到F(cos(ωt))的值，结合该值并根据上式进行拟合，进而得到a，b，c、θ四个系数的数值，也即拟合得到WMRF函数；(b)测量待测气体吸收后的光强信号，对吸收光强信号进行一次谐波解调和二次谐波解调，进而得到R2f/R1f；同时利用通过标准具透射峰拟合得到的vpoly和步骤(a)中得到的WMRF函数可以得到波长随时间的变化v，结合波长随时间的变化v、无吸收光强信号以及不同的气体浓度值这三个量并利用比尔朗博定律可以模拟得到模拟吸收光强，模拟吸收光强经过一次谐波解调和二次谐波解调，就可以得到模拟吸收光强的一次谐波解调信号和二次谐波解调信号，进而得到关于模拟吸收光强一次谐波解调信号的绝对幅度值Rs1f和二次谐波解调信号的绝对幅度值Rs2f，从而有Rs2f/Rs1f；(c)电脑(12)在相应软件的支持下判断Rs2f/Rs1f和R2f/R1f是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，重复拟合过程，直到得到拟合浓度值，该拟合浓度值就是待测气体的浓度值。

2.如权利要求1所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，所述标准具(9)为0.02cm-1自由光谱区的标准具。

3.如权利要求1或2所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，步骤(a)中拟合a，b，c、θ四个系数时采用的是最小二乘法。

4.如权利要求1或2所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，所述的一次谐波解调和二次谐波解调均通过电脑(12)内设的数字锁相放大器程序完成。

技术说明书基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法技术领域本技术属于激光光谱技术领域，具体是一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。

背景技术空气污染的日益严重，使得公众对空气质量和环境监测的关注度越来越高，痕量气体的检测在人类的生产生活中也变得越来越重要。

在高速发展的工业中，痕量气体的监测可以用于调节生产过程，以减少污染物的排放并且提高生产效率。

同时，痕量气体的检测也可以应用到病理检测、农业耕种等方面。

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)，作为一种新型的痕量气体检测技术，具有实时在线、非侵入式和高灵敏度等特点，并且已经在过去20年内从实验室走向了成熟的实际应用。

其中，直接吸收光谱(DAS)和波长调制光谱(WMS)是最主要的两种TDLAS技术。

DAS简单直接，但是探测灵敏度低，其应用受到了限制。

而WMS由于使用了调制技术，可以更好的抑制噪声，获得比DAS更低的探测极限，同时它的结构紧凑、装置简单，所以得到了广泛的应用。

但是WMS技术的一个不足之处就是需要进行浓度定标。

传统的WMS使用参考信号cos(2ωt)和sin(2ωt)对吸收光强进行二次谐波解调得到两个正交的分量：式中G表示光电转换增益，I0表示中心光强；i1,i2是光强调制幅度，ψ1,ψ2是光强调制与波长调制之间的相位差；H0,H1,H2,H3,H4是吸收有关项，正比于介质浓度和吸收线型方程。

其中，G是一个不能直接测量得到的量，而I0会随着光束抖动、光散射等因素产生起伏，所以根据公式(1)只能获得目标气体相对的吸收大小，如果要得到绝对的浓度值，就需要知道某一确定浓度的标气对应的吸收量，再根据比例换算得到不同的解调信号对应的浓度值。

这种方法要求标气和目标气体处于相同的测量环境：温度、压强、气体组分，会大大增加系统的复杂程度，降低准确度。

为了解决WMS的这个不足之处，提出了一种称为免定标波长调制光谱技术(CF-WMS)的方法。

对吸收光强信号进行二次谐波解调得到X2f和Y2f，进行一次谐波解调得到X1f和Y1f，并分别求绝对幅度值，可以得到：其中，X1f和Y1f为：从公式(2)和公式(3)中我们可以看出，R2f和R1f都与不确定因子G和I0成正比，那么R2f/R1f就可以消除不确定因子，得到的结果就只与光强调制和浓度有关了，从而达到免定标的目的。

在CF-WMS中，不仅需要知道吸收光强信号，还要知道无吸收光强信号以及波长变化v，这三个量的准确性就直接反应了系统的准确与否。

其中，v是随着三角波扫描和正弦波调制信号变化的，可以表示为：v＝vpoly+F(cos(ωt)) (5)公式中vpoly表示三角波扫描引起的波长变化部分，而F(cos(ωt))是波长响应调制函数WMRF，表示正弦波调制引起的波长变化。

在以上提到的几个量中，吸收光强信号和无吸收光强信号都是通过测量直接获得的，vpoly是根据标准具的透射峰进行多项式拟合获得的，三个量都很准确，那么F(cos(ωt))的准确性就至关重要。

传统的WMRF是使用一个调制幅度为常数的正弦波表示：F(cos(ωt))＝acos(ωt) (6)使用该模型得到的CF-WMS拟合残差达到1％之多，得到的浓度结果准确性也差。

所以，急需对WMRF进行测量分析，并且给出一个更加准确的WMRF表达式，提高CF-WMS的准确性。

技术内容本技术为解决目前用于气体浓度检测的免定标波长调制光谱技术(CF-WMS)存在的精度不高的技术问题，提供一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。

本技术是采用以下技术方案实现的：一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，采用如下装置：函数发生器，与函数发生器的两个信号输出端相连接的加法器、与加法器信号输出端相连接的激光控制器以及由激光控制器控制的DFB激光器；DFB激光器的出射光路上设有分束器，分束器的一个出射端顺次设有第一准直镜、气体吸收池以及第一光电探测器；分束器的另一个出射端顺次设有第二准直镜、标准具以及第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器的信号输出端均连接有电脑；函数发生器的第三个信号输出端与电脑连接；所述气体探测方法包括如下步骤：(a)探测前采用下式：F(cos(ωt))＝(at+b)cos(ωt)+ccos(2wt+θ)拟合WMRF函数，式中a，b，c、θ均为待定常数，均与使用的DFB 激光器有关；通过标准具探测得到DFB激光器的波长变化v以及三角波扫描引起的波长变化vpoly，二者之差得到F(cos(ωt))的值，结合该值并根据上式进行拟合，进而得到a，b，c、θ四个系数的数值，也即拟合得到WMRF函数；(b)测量待测气体吸收后的光强信号，对吸收光强信号进行一次谐波解调和二次谐波解调，进而得到R2f/R1f；同时利用通过标准具透射峰拟合得到的vpoly和步骤(a)中得到的WMRF函数可以得到波长随时间的变化v，结合波长随时间的变化v、无吸收光强信号以及不同的气体浓度值这三个量并利用比尔朗博定律可以模拟得到模拟吸收光强，模拟吸收光强经过一次谐波解调和二次谐波解调，就可以得到模拟吸收光强的一次谐波解调信号和二次谐波解调信号，进而得到关于模拟吸收光强一次谐波解调信号的绝对幅度值Rs1f和二次谐波解调信号的绝对幅度值Rs2f，从而有Rs2f/Rs1f；(c)电脑在相应软件(基于最小二乘法)的支持下判断Rs2f/Rs1f和R2f/R1f是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，重复拟合过程，直到得到拟合浓度值，该拟合浓度值就是待测气体的浓度值。

本技术所述的免定标波长调制光谱气体检测方法所用装置如图1所示。

由函数发生器产生三角扫描信号和正弦调制信号经加法器相加送到激光控制器，从而扫描和调制分布式反馈(DFB)激光器的输出波长。

被调制的激光波束经过分束器分为两部分：一部分经第一准直镜通过气体吸收池，和气体相互作用后被第一光电探测器探测，另一部分经第二准直镜进入标准具，之后被第二光电探测器探测，用作波长定标。

探测器的探测信号送入电脑，使用函数发生器产生的参考信号对探测信号进行解调。

本技术可以通过拟合解调的测量信号R2f/R1f与模拟的Rs2f/Rs1f信号而获得气体的浓度，而一个准确的DFB激光器的波长调制响应函数(WMRF)对于CF-WMS的准确探测至关重要。

传统的方法是使用一个调制幅度为常数的正弦波作为DFB激光器的WMRF，拟合结果产生较大误差，为了能准确的表达WMRF，本技术使用一个标准具来测量波长的变化，测量和分析结果如图2所示。

在图2(a)中，黑色的点是激光波长随调制信号的变化，即WMRF。

对WMRF的一次谐波分量进行了分段拟合，得到的结果如图2(b)所示，可以看到WMRF的一次谐波分量的幅度并不是一个常数，而随时间线性减小。

这是由于随着DFB激光器电流的增加，有源区温度升高，从而改变有源区折射率，导致了激光波长的变化，而温度随电流的变化是一个非线性过程，会导致激光波长产生高次谐波，同时调制幅度也会产生高阶非线性项，同时，于是采用下式来拟合WMRF：参数结果展示在表1中。

表1.(6)式的拟合结果通过对表1中的数据进行分析，去除了值相对比较小，对结果影响有限的项，最终得到WMRF的表达式：F(cos(ωt))＝(at+b)cos(ωt)+ccos(2wt+θ) (2)其中at+b是1f项(即i＝1时)的线性改变，c是2f(即i＝2时)的常数幅度,θ是1f和2f之间的相移。

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基于FPGA 的短光程TDLAS 气体传感系统的实现

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文章编号：2095－6835（2018）14－0046－05基于FPGA的短光程TDLAS气体传感系统的实现杨申昊，杨凌，王晓辰，赵韦静，李臻，王瑞涛（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸056000）摘要：CO作为一种污染气体，无论是对人体，还是对环境，都有较大的危害，实时监测CO的浓度具有重要的现实意义。

选用CO在波数2190cm-1（波长4.56μm）处的吸收谱线，搭建了光程20cm的可调谐激光器气体传感系统。

系统采用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）技术，实现了激光器驱动信号的生成、数字滤波、二次解调等功能，其中，驱动信号的生成采用了DDWS（Direct Digital Waveform Synthesizer，直接数字波形合成）的技术方式。

滤波与二次解调都采用数字信号处理的方式。

最后，采用标准浓度的CO气体进行了系统标定与测试，测试结果由于受到光程的限制，有时会存在较大的偏差，但为该仪器设备小型化、便携式的实现奠定了一定的技术基础。

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱技术；短光程探测系统；二次解调；数字锁相中图分类号：O433.1文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2018.14.0461引言可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）作为一种重要的气体检测技术，具有无需预处理、选择性强、响应速度快、高灵敏度和高精度等特点，已被广泛应用于气体监测研究中。

Tu等[1]选用CO位于1579.73nm处的吸收谱线，对汽车尾气中的CO进行了连续监测。

中科院安徽光学精密机械研究所[4]采用700m光程对大气环境中痕量CO气体进行了多天连续监测，它采用直接吸收的方式，实现了低功耗的测量。

合肥工业大学[5]采用CO的第二泛频吸收带，通过对吸收池的结构设计，实现多次反射，总光程达到22m，并通过浓度反演算法达到了9.5×10-6的检测下限。

基于内腔光纤激光器的痕量气体光谱检测

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则吸收强度 Ｋ 为ｌ １ 叫 Ｋ一 １ １ “了 ０一 Ｉ ｎ （） ２
利用石英光纤 的低损耗 窗 Ｖ（ ～２ Ｉ １ ｍ） 行气体浓 度检测 已 进
经获得 了广 泛的关 注 。 在这个波段 内 ， 现许多 污染性气 体 发
或有 毒 气 体 ，例如 乙炔 （ ２ ） Ｃ Ｈｚ ，甲烷 （ Ｈ 和 一 氧化 碳 Ｃ ） （ ０） ｃ 等气体 ，都有吸收谱线 ＿ ］ 是在 这个谱段 内 的倍 频 ３ 。但 “ 光谱 吸收比基频 吸收小很 多 ， 所以很多研究提 高气体检测 灵
３ ．澳大利亚新南威尔士大学电工与电信学院，澳大利亚 悉尼
摘
要 因为器件性价 比高 、 可复用 、远距离探测 ， 电磁辐射等优势 ， 于内腔光纤激光 器的气体光谱 检 抗 基
测方法受到了广泛的关注 。 通过精心设计气室和反射镜 ，建立 了内腔光 纤激 光器气体 检测 系统 。在锯齿波电
压驱 动下 ， － Ｆ Ｐ可调谐滤波器连续调谐 ，实现了波长扫描 ， 可获得多条气 体吸收谱线 ， 一次 扫描相 当于 多次 测量 ， 极大 的提高 了测量灵敏度 。实验结果表明 ， 检测误差可控制在 １０ｐ ｍ 内， 对误差小 于实 际气体 浓 ０ ｐ 相 度的 ３ ％。 关键 词 内腔光纤激光器 ； 气体光谱检测 ；波长扫描
基金项 目：国家 （７ ９ ３计划 ） 目（０ ０ Ｂ ２ ８ ６ 和教育部新教师博士点基金项 目（０ ８ ０ ６０ ２ 资助 项 ２１Ｃ ３７０） ２００５１２） 作者简介 ： 张红霞 ，女 ，１７ ９ ７年生 ，天津大学精 密仪器与光 电子工程学院副教授
＊通 讯 联 系 人 ｅｍａｌ ｅｙｎ ｋ＠ ｙｈ ｏ ｃｒ．ｔ － ｉ ：ｂｉａ ｇ ｌ ａｏ ．ｏ Ｃ ｎ ｌ
基 于 内腔 光 纤激 光 器 的痕 量气 体 光谱 检 测
激光吸收光谱气体检测中谱线的自动筛选

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总第190期2020年第6期山西化工SHANXI CHEMICAL INDUSTRYTotal190No.6,2020堂桩导测述用DOI：10.16525/l4-1109/tq.2020.06.07激光吸收光谱气体检测中谱线的自动筛选李梅秀1,邵欣八，王芳1,付作伟3(1.内蒙古阿拉善生态环境监测站，内蒙古阿拉善盟750306；2.天津中德应用技术大学智能制造学院，天津300350；3.中创精仪(天津)科技有限公司，天津300301)摘要：激光吸收光谱(LAS)技术进行气体检测具有高选择性、高灵敏度、快速响应、可多组分多参量同时非接触测量等优势，被广泛用于环境监测、污染排放检测、工业过程控制等领域。

在应用LAS技术进行气体检测时，首要工作就是选择合适的目标谱线。

目前对谱线的筛选都是基于人工观察完成，费时费力，效率低下。

设计了一款自动化谱线筛选软件，对于给定波段范围，基于LAS检测原理和谱线筛选原贝9,结合测量的环境条件对HITRAN光谱数据库中的相关谱线数据进行分析，根据吸光度和谱线的线宽等对灵敏度和谱线干扰进行判断，最终输出筛选的目标谱线或测温谱线对。

该方法大大提高了谱线的筛选效率，可用于LAS气体检测之前目标谱线的自动化筛选，对于气体的浓度检测和温度测量具有重要意义。

关键词：激光吸收光谱，HITRAN光谱数据库，谱线筛选，气体检测中图分类号.0657.38文献标识码:A文章编号:1004-7050(2020)06-0018-05引言环境问题是21世纪全球共同关注的重点问题之一，环境监测技术和环境保护工作愈发受到重视。

我国的污染现状不容小视，大量的环境监测站应运而生，旨在对大气环境等的实时监测，及时掌握事故及污染发生和发展实况，尽一切可能减轻污染带来的危害，这对污染控制、环境保护以及安全生产都有非常重要的意义。

激光吸收光谱(LAS)技术是一种先进的检测技术，其灵敏度高、实时性好(可达毫秒量级)，可以做到多组分、多参量的同时测量，并且在动态快速的同时兼具高选择性皿。

一种基于红外光谱法气体检测仪的设计与实现

一种基于红外光谱法气体检测仪的设计与实现

一种基于红外光谱法气体检测仪的设计与实现摘要：傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术具有扫描速度快、分辨率和灵敏度较高的优点，广泛应用于机理研究、性能表征、成分检测等研究领域。

根据不同的检测需求，研究者们在使用FTIR技术时也作了相应的调整和优化。

简单介绍了FTIR技术的原理，重点总结了近年来FTIR技术在各研究领域的应用现状。

并指出与其他分析技术联用、建立数学模型以及标准化是除提升仪器自身精度外，提高FTIR测量准确度的发展趋势，这为FTIR在相关领域的研究和应用提供了参考。

关键词：光谱法机理研究成分检测1引言傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术主要是把干涉条纹的图像信息转换为离散的数字量，再进行傅里叶变换得到被检测样品的红外光谱的技术。

与其他技术相比，FTIR技术具有较高的检测灵敏度和分辨率、测量速度较快、散光低以及波段宽等优点。

在不损坏样品的情况下，能同时对多种物质进行定性定量分析，被广泛应用于机理研究、性能表征、成分检测等众多研究领域。

目前已经有很多文献对FTIR技术在生化、食品、材料和地质矿物等研究领域的应用进展作了总结。

重点总结了数据处理、消除背景效应等操作在谱图分析中的应用，在应用FTIR技术时，为了满足不同的检测需求，常把傅里叶变换红外光谱技术同其他分析技术联用获取被分析物质的综合信息，也常结合数学计算模型提高FTIR谱图分析的准确度。

此前的综述大多针对较为单一的研究领域中的应用，较难突出技术联用、结合数学模型在各研究领域应用FTIR技术时的优势。

2FTIR在机理研究中的应用随着仪器精度及分析技术的提高，得到的数据往往繁多复杂，未经处理的谱图无论是在定性分析还是定量分时准确度都会下降，因此选择合适的数学模型处理数据对研究工作同样重要。

我们利用FTIR光谱与密度泛函理论(DFT)计算相结合的方法研究乙腈(AN)和甲基溶纤剂(MCS)以及不同比例的二元混合溶液中两种分子的存在方式以及异质相互作用的机理。