一种基于干涉调制原理的激光吸收光谱测温方法和系统与流程

本发明提出一种基于干涉调制原理的激光吸收光谱测温方法和系统，特别涉及一种在测量系统中复用为标准具和光强调制器的马赫曾德光纤干涉仪，将激光调制技术应用于温度测量领域。

(二)背景技术

基于激光吸收光谱的气体参数测量方法作为一种快速、灵敏度高的非接触测量方法得到了飞速的发展，在温度和物质浓度测量领域是一种有效的方法，被广泛应用在燃烧诊断、燃烧控制等方面，应用潜力巨大，前景可观。

典型的单光路吸收光谱的测量方法分为直接吸收法(das，directabsorptionspectroscopy)和波长调制法(wms,wavelengthmodulationspectroscopy)。两条吸收谱线的单光路激光吸收光谱技术用来获取流场沿激光路径的平均温度和组分浓度。如x.liu和j.b.jeffries在2006年于《应用物理b》(appliedphysicsb)第82卷第3期469-478页发表的题为《用于测量燃气轮机排气温度的可调二极管激光传感器的研制》(developmentofatunablediodelasersensorformeasurementsofgasturbineexhausttemperature)一文中，在用于发电机的大型工业燃气轮机中验证，沿激光路径的平均温度由近红外区两根水吸收谱线测量吸光度的比值转换得到，并正在开发多线策略来解决不均匀温度分布的问题。das方法广泛应用于低温低压测量。然而，如m.a.bolshov和yu.a.kuritsyn在2015年于《光谱化学学报b原子光谱学》(spectrochimicaactapartbatomicspectroscopy)第106期45-66页发表的题为《作为燃烧诊断技术使用的可调谐二极管激光光谱技术》(tunablediodelaserspectroscopyasatechniqueforcombustiondiagnostics)一文中，das方法存在诸如光散射引起的基线偏移、测试室的热结构的发射、光学标准具效应等问题。对于高温环境的测量过程，尤其是高温条件的动态过程测量中，红外波段的辐射能量(密度)随温度升高而增加，在温度达到1000k时，由于热辐射引起的背景噪声无法作为微小噪声被忽略。

在wms方法中，使用高频正弦信号叠加在慢速斜坡扫描波形上，调制激光的波长和强度。如gregoryb.rieker和jayb.jeffries在2009年于《应用光学》(appliedoptics)第48卷第29期5546页发表的题为《在恶劣环境中测量气体温度和浓度的免校准波长调制法吸收光谱技术》(calibration-freewavelength-modulationspectroscopyformeasurementsofgastemperatureandconcentrationinharshenvironments)一文中，对比于直接吸收方法，在超音速气流中二氧化碳测量中，wms-2f方法在信噪比方面提升了4倍。如alexanderklein和oliverwitzel在2014年于《传感器》(sensors)第14卷第11期21497-21513页发表的题为《快速、分时复用的直接吸收法和波长调制法激光吸收光谱技术》(rapid,time-divisionmultiplexed,directabsorption-andwavelengthmodulation-spectroscopy)一文中，表明在获取实验测量后，wms的最终结果需要通过相当复杂的计算建模和拟合算法获得。如guojietu和fengzhongdong在2015年于《ieee传感器期刊》(ieeesensorsjournal)第15卷第6期3535-3542页发表的题为《常压条件下可调谐二极管激光吸收光谱系统的随机噪声和长期漂移分析》(analysisofrandomnoiseandlong-termdriftfortunablediodelaserabsorptionspectroscopysystematatmosphericpressure)一文中，指出在严酷的工业环境中，压力和温度的不同给绝对吸收光谱半宽带来了不确定因素，从而降低了长期传感器部署的适用性。在早期的tdlas实现中，通常采用外部光学斩波器或铌酸锂振幅调制器。如jamesr.p.bain和michaellengden在2015年于《ieee传感器期刊》(ieeesensorsjournal)第16卷第3期1-1页发表的题为《基于可调谐二极管激光技术采用平衡检测外调幅法恢复绝对吸收线形状的方法》(recoveryofabsoluteabsorptionlineshapesintunablediodelaserspectroscopyusingexternalamplitudemodulationwithbalanceddetection)一文中，指出典型的光学斩波器的调制频率一般可达到khz，铌酸锂振幅调制器的调制频率可达到mhz，但需使激光达到偏振状态而损失一部分光强，且需要的光路结构与传统的直接吸收法相比更复杂。

如ydeguchi和mnoda在2002年于《细菌学期刊》(journalofbacteriology)第190卷第7期2637-2641页发表的题为《工业应用的温度和物种浓度监测使用的激光诊断技术》(industrialapplicationsoftemperatureandspeciesconcentrationmonitoringusinglaserdiagnostics)一文中，干涉仪无论在das方法还是wms方法中都作为标准具来确保光学频率的同步。

基于以上背景，本文发明了一种基于干涉调制的激光吸收光谱测温方法与系统，通过单一光路双谱线对均匀温度进行测量，通过一条光路同时获取标准具数据和吸收谱信息。在相对简化系统结构的基础上，实现了光强的调制，一定程度上对背景噪声有抑制作用，并实现了温度的测量。

(三)

技术实现要素：

基于激光吸收光谱技术的气体测温仪的核心技术是如何从激光信号中准确地提取出吸收光谱信息。一般的基于激光吸收光谱技术的气体测温系统，均需要单独一条光路作为标准具使用，以提取相对波数随时间的变化关系，光学系统较为复杂。

本发明提出一种基于干涉调制的吸收光谱测温系统和基于迭代的光谱重建方法，马赫曾德光纤干涉仪作为光强调制器件的同时复用为标准具，不再需要单独一条光路作为标准具使用，简化了光学系统并可抑制背景噪声。

所用元件包括：激光发生单元、马赫曾德光纤干涉仪、光电探测单元和数据处理单元等。

本发明采用的技术方案是：激光经过马赫曾德光纤干涉仪之后，通过准直镜变为平行的空间光，穿过被测气体后由光电探测器采集。通过对采集测量信号进行解调并拟合得到光谱数据和基线数据的参数初值，而后通过迭代过程对其进行修正，得到光谱拟合参数的最终值。通过光谱数据的拟合参数求得其积分吸收率，并解算得到被测气体的温度值。

通过采集数据分别解算输出激光相对波数数据和吸收光强数据过程中，采用的解算方法步骤如下：

步骤一，激光发生模块产生的激光信号首先经过马赫曾德干涉仪得到光强调制波长扫描的测量信号，而后穿过被测对象，最终被光电探测器采集，采集信号在原理上形式如式(1)所示，

其中，imzi(t)是光电探测器采集到随时间变化的测量数据，i0(t)是由激光器产生的激光信号未经过马赫曾德干涉仪和被测对象前的光强数据，vfsr是干涉仪的自由光谱范围(fsr,freespectralrange)，a、b、φ0是由马赫曾德光纤干涉仪自身结构决定的参数，当使用的干涉仪固定时这些参数均为常量，v(t)是输出激光相对波数数据，α(v(t))为被测对象的吸收谱；；

步骤二，根据采集数据解算输出激光相对波数数据v(t)，经过马赫曾德干涉仪和被测对象的激光信号如(1)式所示，激光相对波数数据可以通过光强数据解算得到，在激光信号强度两次极值点之间，波数变化为一个自由光谱范围；为了在有限的采样点数下更加准确提取极值点的位置，提取相对波数数据时采用如下方法，对imzi(t)信号进行高通滤波，其截止频率为激光信号扫描频率；记录滤波后信号的过零点，每两个相邻的过零点的中点位置即为极值点位置；两个极值点所在数据点所代表的相对波数相差一个自由光谱范围，由此可得到数据激光的相对波数数据v(t)；

步骤三，对采集数据进行解调，得到吸收光强数据：将激光的相对波数数据v(t)代入(1)，获得相对波数v与测量数据的映射关系，如(2)式

根据马赫曾德干涉仪的自由光谱范围vfsr，可以给出如(3)式所述信号

将(2)(3)联立，进行正交解调后可以得到吸收光强数据i(t)，如(4)式所示

其中i0(t)是由激光器产生的激光信号在进入马赫曾德干涉仪前的光强信号，ibase(t)是与i0(t)成正比的信号，在数据处理过程中为理想情况下的基线数据，α(v(t))为被测对象的吸收谱。

在解算过程通过拟合的方式得到基线参数和吸收光谱参数，并通过迭代修正拟合结果，进而解算出被测气体的温度值，采用的解算方法包括如下步骤：

步骤一，确定在不同过程中拟合所使用的数学模型，根据吸收光强数据，通过最小二乘拟合的方式估算基线的拟合参数，采用三次多项式对基线进行拟合，得到基线的拟合参数组parabase0，使用的模型如(5)所示

其中，拟合参数组parabase0为拟合的多项式参数。而后，基于比尔朗伯定律得到吸收率的数据α(t)，如(6)所示

代入激光的相对波数数据v(t)，得到吸收谱数据α(v)，并在此基础上进行拟合，采用的模型如(7)所示，

其中，a为吸收谱的积分吸收率，φv(v)为voigt线型展宽函数。由于voigt线型函数计算包含卷积分的计算，因此无法直接得到其解析解，只能通过数值计算来进行求解，为了快速得到谱线中心处的吸收系数和voigt线型半高宽，采用了如(8)所示简化模型，

其中，v0为吸收谱中心波数，δvc为碰撞展宽谱线半宽，δvd为多普勒展宽谱线半宽，δvv为voigt线型函数谱线半宽，可由经验公式(9)求得，φv(v0)为voigt线型函数在谱线中心频率处取值，可由(10)、(11)和(12)求得。

因此，以简化的吸收谱模型(7)对吸收谱数据进行拟合时，吸收谱参数paraspec0需要包括a、δvc、δvd和v0四个参数。

将α(v)作为原始数据，采用吸收谱拟合模型(7)进行拟合，得到吸收光谱的拟合参数paraspec0。

步骤二，将获得的基线和吸收光谱的拟合参数作为初始值，根据吸收光强数据i(t)与使用基线的拟合参数parabasei-1计算得到的基线数据ibasefitting(i-1)(t)相除并根据(6)求得吸收光谱数据αi(t)；

步骤三，将吸收光谱数据αi(t)和激光的相对波数数据v(t)，得到吸收光谱与激光的相对波数之间的映射αi(v)，吸收谱模型(7)对吸收谱数据进行拟合，得到吸收光谱参数paraspeci；

步骤四，以吸收光强数据为拟合目标，根据吸收光谱参数paraspeci和相对波数对吸收光强数据的映射v(t)，对基线进行拟合得到参数parabasei，和拟合的吸收光强数据ii(t)；

步骤五，判断吸收光强数据i(t)与其拟合数据ii(t)的残差平方si和与上一次残差平方和的相对变化，当变化量大于0.1％时，返回步骤二，否则，输出修正后吸收光谱的拟合参数paraspeci和基线的拟合参数parabasei；

步骤六，根据吸收光谱参数得到积分吸收率，通过多条吸收谱的积分吸收率进行解算得到被测气体温度。

本发明的优点在于：本发明中通过复用马赫曾德光纤干涉仪作为标准具和光强调制器，测量过程只需要一条光路，化简了基于可调谐吸收光谱技术采用直接吸收法测温的系统结构；本发明中通过复用马赫曾德光纤干涉仪作为标准具和光强调制器，在直接吸收法测温的基础上进行了光强调制，在一定程度上对背景噪声有抑制作用；在解算算法中，以采用基线拟合方法得到的光谱参数和基线参数作为初值，通过迭代的方式对拟合结果进行修正，得到更加准确的光谱参数，减小了系统误差。

(四)附图说明

图1是单一路径激光吸收光谱测温系统结构图；

图2是是解调后吸收信号随时间的变化；

图3是相对波数随时间的关系；

图4仿真数据和对比迭代前后结果的关系。

(五)具体实施方式

在本实施例中，给定一个均匀温度的被测对象气体，通过数值仿真证明了该方法的有效性。

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

在图1中，可调谐半导体激光器控制模块(1)、可调谐半导体激光器(2)共同组成激光发生单元，通过光纤与马赫曾德光纤干涉仪(3)相连，通过准直镜(4)将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，穿过被测气体(5)后，通过光电探测器(6)，由数据采集模块(7)对测量数据进行采集和上传，通过数据处理单元(8)进行后续数据处理得到最终的解算结果。

仿真过程中，仿真的环境设置如下，吸收目标为水分子，摩尔浓度0.5％，温度298k，压强1atm，吸收距离80cm。使用的马赫曾德光纤干涉仪的参数a＝b＝0.5,vfsr＝0.01cm^-1，选定的吸收谱的中心波数分别为7183.89cm^-1、7185.59cm^-1。

步骤一，由激光发生模块发出激光，通过马赫曾德光纤干涉仪后通过准直镜变为空间光，穿过待测区域，后经探测器接收，得到一路吸收信号，信号形式如(1)所示，系统结构如图1所示；

步骤二，根据采集数据重建相对波数与吸收光强数据间的映射关系，首先对imzi(t)信号高通滤波，其截止频率为激光信号扫描频率；而后，记录其过零点，每两个相邻的过零点的中点位置即为极值点位置；两个极值点所在数据点所代表的相对波数相差一个自由光谱范围(fsr)，据此，我们可以得到相对波数与吸收光强数据间的映射关系v(t)，结果如图2所示。

步骤三，根据探测信号解算出光强吸收数据，首先，根据相对波数与吸收光强数据间的映射关系v(t)，进行坐标变换，得到如(2)所示

根据马赫曾德干涉仪的自由光谱范围vfsr，可以给出参考信号的形式如(3)式所述

进行解调后可以得到与传统的直接吸收法测量信号相同的吸收光强数据，如(4)式所示

i(t)＝i0(t)·α(v(t))(4)

其中i0(t)是由激光器产生的激光信号在进入马赫曾德干涉仪前的光强信号，α(v(t))为被测对象的吸收谱，结果如图3所示。

步骤四，通过迭代过程对基线参数和吸收光谱参数进行解算和修正。首先通过基线拟合的方式得到基线和吸收谱的拟合参数的估算值，而后以估算的基线和吸收光谱的拟合参数作为初始值。其中，中心波数为7183.89cm^-1的光谱拟合参数初始值paraspec7183-0的δvc、δvd、a和v0分别是0.1860、0.1860、0.0113和0.0838，基线拟合参数初始值parabase7183-0＝[0,0,0.0003,3.9044]；中心波数为7185.59cm^-1的光谱拟合参数初始值paraspec7185-0的δvc、δvd、a和v0分别是0.5162、0.5162、0.0973和0.1952，基线拟合参数初始值parabase7185-0＝[0,0,0.0003,3.8880]；

步骤五，开始迭代过程，根据吸收光强数据与使用基线拟合参数parabasei计算得到的基线数据相除并取负对数得到吸收光谱数据；之后，对吸收光谱数据进行voigt函数拟合，得到吸收光谱参数paraspeci；其次，以吸收光强数据为拟合目标，根据吸收光谱参数paraspeci和相对波数对吸收光强数据的映射v(t)，对基线进行拟合得到参数parabasei，和拟合的吸收光强数据ii(t)；最后，判断吸收光强数据i(t)与其拟合数据ii(t)的残差平方si和与上一次残差平方和的相对变化，当变化量大于0.1％时，返回继续迭代过程的第一步继续进行拟合，否则，认为此过程已收敛，输出修正后吸收光谱的拟合参数paraspeci和基线的拟合参数parabasei。其中，中心波数为7183.89cm^-1的吸收谱拟合参数迭代经历了186次，光谱拟合参数paraspec7183-186的δvc、δvd、a和v0分别是0.0117、0.1055、0.0047和0.0841，基线拟合参数值parabase7183-186＝[-1.0848e-14,2.1269e-10,0.0003,3.8971]，中心波数为7185.59cm^-1的吸收谱拟合参数迭代经历了290次，光谱拟合参数值paraspec7185-290的δvc、δvd、a和v0分别是0.0716、0.1928、0.0240和0.1980，基线拟合参数值parabase7185-290＝[-6.10e-15,9.21e-11,2.95e-4,3.8837]；

根据吸收光谱参数得到积分吸收率，通过多条吸收谱的积分吸收率进行解算得到被测气体温度，解算得到的吸收谱初始值与通过迭代修正后的吸收谱的对比如图4所示。设定温度为298k，解算温度为299.9k。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。