一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法及系统

本发明属于氯气检测，具体涉及一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法及系统。

背景技术：

1、目前的氯气泄漏检测与报警装置主要是固定点位安装的气体传感器，包含电化学式和半导体式等类型，气体扩散到布点位置后才能发现，并且容易受到风向和扩散过程影响，检测距离局限在有效范围内，需要大量布点以扩大检测范围和提高检测灵敏度。

2、差分吸收光谱(doas)技术利用气体分子对光辐射的独特“指纹”光谱吸收特征，可以实现光路中不同种类气体的定性鉴别，基于朗伯-比尔定律(lambert-beer)，光强的衰减与物质本身吸收特性、浓度和光程有关，可进一步实现光路中气体浓度的定量反演，近年来已经广泛用于so2、no2、nh3等固定污染源气体的远距离监测。但是doas技术目前较少应用于cl2的检测，主要是由于不同于上述气体吸收截面的呈现快变化、锯齿状的特征吸收结构，cl2的吸收截面的吸收特征呈现一种慢变化的抛物线形状，不适宜用差分的方法分离出特征吸收结构，无法有效实现氯气的高精度检测；因此，需要更高精度和检测速度的氯气检测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法及系统，以克服现有技术针对氯气检测效率低，精度低的问题。

2、一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，包括以下步骤：

3、s1，构建氯气的紫外吸收光谱数据集，并对紫外吸收光谱数据集中的紫外吸收光谱数据进行浓度标注；

4、s2，采用浓度标注后的紫外吸收光谱数据对浓度反演模型进行训练，直至浓度反演模型的损失函数最小的权重参数为最优浓度反演模型；

5、s3，将实时采集的待检测区域的紫外吸收光谱图输入最优浓度反演模型，即可得到氯气的浓度检测结果。

6、优选的，氯气的紫外吸收光谱数据集采用doas实验系统进行实验获取。

7、优选的，所述doas实验系统包括氘灯光源、离轴抛物面反射镜、气体吸收池、角棱锥回射器、光谱仪和配气装置，离轴抛物面反射镜一端的入射端通过石英光纤连接至氘灯光源，离轴抛物面反射镜一端的出射端通过石英光纤连接至光谱仪，离轴抛物面反射镜另一端的收发探头连接至气体吸收池的一端，气体吸收池的另一端连接至角棱锥回射器，离轴抛物面反射镜、气体吸收池和角棱锥回射器在一条直线上，配气装置的输入端连接至氮气源和氯气源，配气装置的输出端连接至气体吸收池。

8、优选的，氘灯光源采用185～600nm的氘灯光源；离轴抛物面反射镜的离轴角为90°。

9、优选的，气体吸收池为管状结构，角棱锥回射器采用角棱锥反射镜。

10、优选的，石英光纤采用y形抗紫外辐照石英光纤。

11、优选的，采用管状结构的气体吸收池的长度为600mm、直径为20mm，两端为紫外石英玻璃窗口。

12、优选的，光谱仪检测的波长范围为195～524nm，分辨率为0.41nm。

13、优选的，对采集的光谱数据进行去噪处理和异常值处理，异常值处理采用四分位距法对所采集的光谱数据进行检测，通过计算光谱数据的iqr值，即数据集的下四分位数q1与上四分位数q3范围内的中位数q2，任何超过下界q1-1.5*iqr和上界q3+1.5*iqr范围的值均被视为异常值，采用中位数q2代替异常值。

14、一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测系统，包括数据处理模块、模型优化模块和检测模块；

15、数据处理模块，用于对紫外吸收光谱数据集中的紫外吸收光谱数据进行浓度标注；

16、模型优化模块，模型优化模块用于采用浓度标注后的紫外吸收光谱数据对浓度反演模型进行训练，直至浓度反演模型的损失函数最小的权重参数为最优浓度反演模型；

17、检测模块，用于输入实时采集的待检测区域的紫外吸收光谱图，根据实时采集的待检测区域的紫外吸收光谱图获取氯气的浓度检测结果。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

19、本发明提供一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，通过构建氯气的紫外吸收光谱数据集，并对紫外吸收光谱数据集中的紫外吸收光谱数据进行浓度标注；采用浓度标注后的紫外吸收光谱数据对浓度反演模型进行训练，直至浓度反演模型的损失函数最小的权重参数为最优浓度反演模型，将实时采集的待检测区域的紫外吸收光谱图输入最优浓度反演模型，即可得到氯气的浓度检测结果，本发明利用紫外吸收光谱可以实现氯气的远距离定量监测，光程覆盖范围广，无需大量布点，不受风向、扩散过程的干扰；本发明能够快速准确的实现氯气的检测。

20、优选的，本发明采用小波分解或s-g滤波去噪，去除随机噪声时不会造成光谱信息丢失和畸变；本发明简化了传统化学计量学方法所需要的预处理过程，提高了光谱分析的精度和鲁棒性。

技术特征：

1.一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，氯气的紫外吸收光谱数据集采用doas实验系统进行实验获取。

3.根据权利要求2所述的一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，所述doas实验系统包括氘灯光源(1)、离轴抛物面反射镜(2)、气体吸收池(3)、角棱锥回射器(4)、光谱仪(5)和配气装置(6)，离轴抛物面反射镜(2)一端的入射端通过石英光纤连接至氘灯光源(1)，离轴抛物面反射镜(2)一端的出射端通过石英光纤连接至光谱仪(5)，离轴抛物面反射镜(2)另一端的收发探头连接至气体吸收池(3)的一端，气体吸收池(3)的另一端连接至角棱锥回射器(4)，离轴抛物面反射镜(2)、气体吸收池(3)和角棱锥回射器(4)在一条直线上，配气装置(6)的输入端连接至氮气源和氯气源，配气装置(6)的输出端连接至气体吸收池(3)。

4.根据权利要求3所述的一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，氘灯光源(1)采用185～600nm的氘灯光源；离轴抛物面反射镜的离轴角为90°。

5.根据权利要求3所述的一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，气体吸收池为管状结构，角棱锥回射器采用角棱锥反射镜。

6.根据权利要求3所述的一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，石英光纤采用y形抗紫外辐照石英光纤。

7.根据权利要求3所述的一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，采用管状结构的气体吸收池的长度为600mm、直径为20mm，两端为紫外石英玻璃窗口。

8.根据权利要求1所述的一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，光谱仪检测的波长范围为195～524nm，分辨率为0.41nm。

9.根据权利要求1所述的一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，其特征在于，对采集的光谱数据进行去噪处理和异常值处理，异常值处理采用四分位距法对所采集的光谱数据进行检测，通过计算光谱数据的iqr值，即数据集的下四分位数q1与上四分位数q3范围内的中位数q2，任何超过下界q1-1.5*iqr和上界q3+1.5*iqr范围的值均被视为异常值，采用中位数q2代替异常值。

10.一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测系统，其特征在于，包括数据处理模块、模型优化模块和检测模块；

技术总结
本发明公开了一种基于紫外吸收光谱反演浓度的氯气检测方法，通过构建氯气的紫外吸收光谱数据集，并对紫外吸收光谱数据集中的紫外吸收光谱数据进行浓度标注；采用浓度标注后的紫外吸收光谱数据对浓度反演模型进行训练，直至浓度反演模型的损失函数最小的权重参数为最优浓度反演模型，将实时采集的待检测区域的紫外吸收光谱图输入最优浓度反演模型，即可得到氯气的浓度检测结果，本发明利用紫外吸收光谱可以实现氯气的远距离定量监测，光程覆盖范围广，无需大量布点，不受风向、扩散过程的干扰；本发明能够快速准确的实现氯气的检测；本发明简化了传统化学计量学方法所需要的预处理过程，提高了光谱分析的精度和鲁棒性。

技术研发人员：程光旭,贾彤华,杨嘉聪,胡海军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15