一种反演气体浓度的方法、装置、存储介质及电子设备与流程

本技术属于光学气体传感检测领域，具体涉及一种反演气体浓度的方法、装置、存储介质及电子设备。

背景技术：

1、随着我国科技进步与社会、经济的发展，人们对生产生活环境的要求日益增加。环境中易燃易爆、有毒等危险气体泄漏引起的事故对相关人员的生命和财产安全造成了重大的威胁。

2、可调谐半导体激光光谱吸收技术（tdlas）是通过利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度，具有高灵敏度、响应速度快、安全性能高、检测极限达到ppb量级等优点，被开发为多种多样的遥测类设备，广泛地应用于工业检测、安全防护、气象监测等领域。

3、tdlas技术的核心是朗伯-比尔(lambert-beer)定律。当一束强度为i0的激光穿过装有某种气体时，气体分子对入射的激光进行选择性吸收，激光强度会因分子吸收而有所衰减，其强度变化可表示为：

4、it=i0exp[-ps(t)г(ν)cl]                              （1）

5、式中，i0为输入光强，it为激光穿过气体介质后的原始谱线强度；s(t)为该气体特征谱线的线强度，是温度的单值函数；p为气体介质的总压；l为激光在气体中传播的距离；c为气体介质的浓度；ν为扫描频率；г(ν)为线型函数，它表示吸收谱线的具体形状，与t、p以及气体中的各组分含量有关，一般认为气体吸收线型函数是标准的，进行归一化处理，即：

6、                                    （2）

7、目前，直接吸收光谱法中浓度的计算方法常采用峰值算法，该算法根据实测吸收谱线的线性部分拟合出基线，利用实测谱线与基线相减或相除得到的吸收谱线峰值与标准浓度进行二次拟合，得到气体浓度与峰值的对应关系。但由于外界环境（温度和压力）的影响使得线型函数发生相应的变化，即洛伦兹线型的线宽随压强成正比关系变化，而温度影响线型函数的线强，在230-340k的温度范围内，吸收谱峰值随温度成二次曲线关系变化，导致浓度反演存在一定误差（温度对于峰值的影响大约为0.16%/℃，压强对线宽的影响大约为0.1cm/atm）。

8、另一种常用的气体浓度的算法是全谱积分法，根据式（1）、（2），

9、待测气体的浓度值c可表示为：

10、                       （3）

11、只要得到光谱吸收率在波数范围内的积分值f，并且通过测量得到实验中气体的压力、温度和光程长等参数，就可以通过式（3）反演出气体的浓度。

12、全谱积分法考虑到了光谱展宽的影响，利用对洛伦兹谱线的积分来得到吸收面积，再进行吸收面积与标准浓度的二次拟合。虽然积分算法比峰值算法误差更小，但由于激光器扫描波长范围有限（一般驱动激光器使得激光器扫描波长范围覆盖待测气体的其中一个吸收峰波长），无法对所有待测气体吸收峰波长（以甲烷为例，甲烷的吸收峰包括1653.72nm、3.32um、7.65um等多个波长）范围的洛伦兹吸收进行积分，给浓度反演带来困难。

13、另外，在实际应用遥感测量中，由于激光会照射在不同物体的表面，不同的照射角度，这会导致光电探测器接受到的光强存在很大的起伏变化，从而造成浓度反演的误差，严重影响遥测设备的测量精度。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本技术的目的在于提供一种反演气体浓度的方法，该方法能够提高气体介质的浓度检测精度。

2、为实现上述目的，本技术提供以下技术方案：

3、一种反演气体浓度的方法，所述方法包括以下步骤：

4、s100：获取激光穿过待测气体介质后的原始谱线，并进一步获取原始谱线中的气体吸收峰谱线；

5、s200：基于所述气体吸收峰谱线计算所述待测气体介质的吸收面积；

6、s300：构建气体介质浓度检测模型；

7、s400：将由步骤s200所获取的待测气体介质的吸收面积输入构建好的气体介质浓度检测模型，以获得所述待测气体介质的浓度。

8、优选的，步骤s100中，所述获取原始谱线中的气体吸收峰谱线包括以下步骤：

9、s101：去掉所述原始谱线中的吸收峰部分，保留吸收峰部分两端的无吸收峰部分；

10、s102：截取无吸收峰部分的数据，对所截取的数据拟合获得原始谱线的基线，即为输入光强；

11、s103：利用基线减去原始谱线，以获得气体吸收峰谱线。

12、优选的，步骤s200中，基于所述气体吸收峰谱线计算所述待测气体介质的吸收面积包括以下步骤：

13、通过计算气体吸收峰谱线中心波长半高宽范围内的面积以获取待测气体介质的吸收面积。

14、优选的，步骤s200中，基于所述气体吸收峰谱线计算所述待测气体介质的吸收面积还包括以下步骤：

15、对所述气体吸收峰谱线进行拟合，获得标准洛伦兹函数，对标准洛伦兹函数积分，以获得待测气体介质的吸收面积。

16、优选的，所述方法还包括以下步骤：

17、基于步骤s102中截取的无吸收峰部分的数据获取待测气体介质的背景光强。

18、优选的，所述待测气体介质的背景光强通过下式计算：

19、i=start-end

20、其中，i表示待测气体介质的背景光强；start表示所截取的无吸收峰部分的起点数据；end表示所截取的无吸收峰部分的终点数据。

21、本技术一种反演气体浓度的装置，包括：

22、获取模块，用于获取激光穿过待测气体介质后的原始谱线，以及用于进一步获取原始谱线中的气体吸收峰谱线；

23、第一计算模块，用于基于气体吸收峰谱线计算待测气体介质的吸收面积；

24、模型构建模块，用于构建气体介质浓度检测模型；

25、第二计算模块，用于将由第一计算模块计算获取的待测气体介质的吸收面积输入由模型构建模块构建的气体介质浓度检测模型，以获得待测气体介质的浓度。

26、本技术还提供一种计算机存储介质，所述计算机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执行如前任一所述的方法。

27、本技术还提供一种电子设备，包括：

28、存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，

29、所述处理器执行所述程序时实现如前任一所述的方法。

30、与现有技术相比，本技术带来的有益效果为：

31、1、本技术对吸收峰谱线中心波长半高宽范围内间接计算吸收面积，在一定程度上既减小了峰值法由于环境因素对线型函数展宽的影响，又解决了全光谱积分法由于激光器扫描波长范围有限，无法对所有洛伦兹吸收的波长范围进行积分的难题。

32、2、本技术通过建立气体浓度c与吸收面积除以背景光强（）的函数关系，可以消除由于激光会照射在不同物体的表面，不同的照射角度，导致光电探测器接受到的光强起伏变化的影响，提高遥测设备的测量精度。