基于对数法的免校准谐波信号解调方法

本发明涉及气体检测，具体来说，涉及基于对数法的免校准谐波信号解调方法。

背景技术：

1、目前，可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorptionspectroscopy,tdlas)技术因其非接触式、选择性强、灵敏度高、在线响应速度快的优点，已经被广泛应用于二氧化碳检测领域。其中，波长调制光谱(wavelength modulationspectroscopy,wms)技术由于其具备极高的噪声抑制能力，常与tdlas技术搭配使用。tdlas-wms技术测量气体浓度的基本原理基于吸收谱线信号的多次谐波分量与气体浓度之间的线性关系，因此从吸收光谱信号中准确解调出多次谐波是计算气体浓度的重要保障。

2、但是，tdlas-wms技术通常使用斜坡信号和余弦信号同时调谐激光，斜坡信号决定了激光的中心光强，因此，对采集到的吸收光强信号直接进行锁相放大将会获得包含中心光强分量的谐波信号，中心光强的变化会使得谐波信号变形。为了排除中心光强对谐波信号的影响，需要在实验前确定激光器的中心光强用于之后校准谐波信号。但是由于环境因素对中心光强影响较大，这种方法的抗干扰性很差，实验中常常采用免校准方法排除中心光强的影响。

3、传统的免校准方法使用一次谐波信号归一化其它谐波信号，即“nf/1f”法。但是，“nf/1f”法会在测量时引入一次谐波中存在的ram信号，因此需要在测量前对存在的ram信号进行额外校准，这会增加实验的复杂程度和操作难度，当光路发生漂移时，ram信号还可能会导致测量误差的产生。此外，“nf/1f”法仅能对被提取谐波吸收峰中心处的幅值进行校准，无法校准完整的谱线。

4、一种改进的免校准方法是使用零次谐波归一化其它谐波信号，即“nf/0f”法。当气体吸光度较小时，零次谐波可以近似替代中心光强i0，因此可以使用零次谐波校准其它谐波。“nf/0f”法不需要考虑ram信号对谐波提取的影响，也不会引入较大的测量误差，而且可以对被提取谐波完整谱线的所有幅值进行校准，但是，当气体吸收度较大时，中心光强无法使用零次谐波近似替代，“nf/0f”法将会产生很大误差，并因此失效。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出，以解决现有技术中当气体吸收度较大时，使用“nf/0f”法测量误差大，并且会导致失效的问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、基于对数法的免校准谐波信号解调方法，包括以下步骤，

4、步骤1，搭建tdlas-wms气体检测系统；

5、步骤2，采集气体吸收光谱信号；

6、步骤3，对气体分子吸收光谱信号进行取对数处理；

7、步骤4，对步骤3中取对数后的气体分子吸收光谱信号进行锁相滤波即可获取与浓度信息线性相关的k次谐波信号。

8、在可能的一个设计中，步骤2具体为，根据beer-lambert定律，吸收光谱信号iτ(t)表达式如下式所示：

9、

10、其中，v为波数，α(v)为吸光度，其表达式为其中，p为总大气压强，s(t)为谱线强度，c为气体浓度，l为吸收路径长度，为吸收谱线轮廓，hk为的k阶傅里叶系数，i0(t)为入射光强。

11、在可能的一个设计中，当激光被高频余弦信号调制时，入射光强i0(t)如下式所示：

12、

13、其中，为由斜坡信号确定的中心光强，ik为k阶余弦调制强度，ω为调制频率，φk为波长调制与第k阶光强调制之间的相移，对于给定的调制频率ω，φk是固定的，定义：θ＝ωt+η，

14、在可能的一个设计中，步骤3具体为，对采集到的吸收光谱信号进行取对数操作，如下式所示：

15、

16、在可能的一个设计中，步骤3还包括对ln[i0(t)]部分进行近似表示，近似表示如下式所示：

17、

18、

19、在可能的一个设计中，步骤4中，对取对数后的吸收光谱信号与二倍频参考信号相乘滤波，即可得到二次谐波信号，如下式所示：

20、

21、在可能的一个设计中，i2和两部分在后续浓度计算中可以近似为信号偏移的截距和斜率，ps(t)clh2为与浓度相关的二次谐波信号。

22、在可能的一个设计中，在锁相滤波过程中，改变倍频参考信号，即可获取k阶免校准谐波信号。

23、本发明还提供一种基于对数法的免校准谐波信号解调装置，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现前述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法。

24、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行前述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本方法快速准确，可实现吸收光谱信号锁相解调，为分析微量气体提供技术支持。相较“nf/0f”免校准法，本方法无需额外计算零次谐波，并且不受限于待测气体吸光度低的前提条件，计算速度更快，占用资源更少，适用范围更广。

技术特征：

1.基于对数法的免校准谐波信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法，其特征在于，步骤2具体为，根据beer-lambert定律，吸收光谱信号iτ(t)表达式如下式所示：

3.根据权利要求2所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法，其特征在于，当激光被高频余弦信号调制时，入射光强i0(t)如下式所示：

4.根据权利要求2或3所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法，其特征在于，步骤3具体为，对采集到的吸收光谱信号进行取对数操作，如下式所示：

5.根据权利要求4所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法，其特征在于，步骤3还包括对ln[i0(t)]部分进行近似表示，近似表示如下式所示：

6.根据权利要求5所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法，其特征在于，步骤4中，对取对数后的吸收光谱信号与二倍频参考信号相乘滤波，即可得到二次谐波信号，如下式所示：

7.根据权利要求6所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法，其特征在于，i2和两部分在后续浓度计算中可以近似为信号偏移的截距和斜率，ps(t)clh2为与浓度相关的二次谐波信号。

8.根据权利要求5-7任一项所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法，其特征在于，在锁相滤波过程中，改变倍频参考信号，即可获取k阶免校准谐波信号。

9.基于对数法的免校准谐波信号解调装置，其特征在于，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-8任一项所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1-8任一项所述的基于对数法的免校准谐波信号解调方法。

技术总结
本发明公开了一种基于对数法的免校准谐波信号解调方法，该方法将气体吸收光谱信号取对数后再通过锁相滤波获取谐波信号。本发明通过较为简便的方法有效抑制了光强信号对与气体浓度线性相关的谐波信号的干扰，相比传统锁相放大方法，省去了对光强信号进行校准的步骤，操作更加简洁，计算速度更快，占用资源更少，适用范围更广。

技术研发人员：蓝丽娟,张长圣,王一博,阳春华,桂卫华
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16