一种温室气体的激光光谱测量方法及装置与流程

本发明涉及激光测量，特别涉及一种温室气体的激光光谱测量方法及装置。

背景技术：

1、为监测温室效应变化情况，早日实现“双碳”目标，需要开展温室气体测量工作。世界气象组织(wmo)给出了需要关注的温室气体种类、当前浓度及推荐测量精度。温室气体包括二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)和氧化亚氮(n2o)，而三种温室气体各自推荐测量精度非常高，具体为0.2ppm、2ppb和0.1ppb。这种测量精度的要求，是半导体传感器望尘莫及，传统可调谐半导体激光吸收光谱技术(tdlas)也无法实现的。而具有较高测量精度的测量方法如气相色谱法(gc)、质谱法(ms)或气相色谱-质谱法(gc-ms)需要采样后在实验室条件下进行待测气体分析，无法做到在线测量。

2、因此，针对上述不足，急需一种能够在线测量出温室气体浓度的方法和装置。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种温室气体的激光光谱测量方法及装置，能够在线测量出温室气体浓度。

2、第一方面，本发明实施例提供一种温室气体的激光光谱测量方法，包括：

3、利用多个波长不同的激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到多个第一吸收截面积和多个第一衰荡时间；其中，多个所述激光器的激光波长与多种温室气体的最强吸收峰波长一一对应；

4、利用多个波长不同的激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到多个第二吸收截面积和多个第二衰荡时间；其中，多个所述激光器的激光波长与多种温室气体的最弱吸收峰波长一一对应；

5、利用多个所述第一吸收截面积、多个所述第二吸收截面积、多个所述第一衰荡时间和多个所述第二衰荡时间计算所述待测气体中不同温室气体的浓度。

6、在一种可能的设计中，每个所述激光器均能得到一种温室气体的第一吸收截面积和水汽的第一吸收截面积；

7、每个所述激光器均能得到一种温室气体的第二吸收截面积和水汽的第二吸收截面积；

8、所述激光光谱测量方法还包括：

9、调节一个激光器的波长，使该激光器的波长为针对水汽产生最强吸收峰的波长；

10、利用该激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到第三吸收截面积和第三衰荡时间；

11、所述利用多个所述第一吸收截面积、多个所述第二吸收截面积、多个所述第一衰荡时间和多个所述第二衰荡时间计算所述待测气体中不同温室气体的浓度，包括：

12、利用多个所述第一吸收截面积、多个所述第二吸收截面积、多个所述第一衰荡时间、多个所述第二衰荡时间、所述第三吸收截面积和所述第三衰荡时间计算所述待测气体中不同温室气体的浓度。

13、在一种可能的设计中，所述利用多个波长不同的激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到多个第一吸收截面积和多个第一衰荡时间；其中，多个所述激光器的激光波长与多种温室气体的最强吸收峰波长一一对应，包括：

14、利用第一激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到第一甲烷吸收截面积、第一水汽吸收截面积和第一甲烷衰荡时间；其中，所述第一激光器的激光波长与甲烷的最强吸收峰波长相同；

15、利用第二激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到第一二氧化碳吸收截面积、第二水汽吸收截面积和第一二氧化碳衰荡时间；其中，所述第二激光器的激光波长与二氧化碳的最强吸收峰波长相同；

16、利用第三激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到第一氧化亚氮吸收截面积、第三水汽吸收截面积和第一氧化亚氮吸收截面积；其中，所述第三激光器的激光波长与氧化亚氮的最强吸收峰波长相同。

17、在一种可能的设计中，所述利用多个波长不同的激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到多个第二吸收截面积和多个第二衰荡时间；其中，多个所述激光器的激光波长与多种温室气体的最弱吸收峰波长一一对应，包括：

18、利用所述第一激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到第二甲烷吸收截面积、第四水汽吸收截面积和第二甲烷衰荡时间；其中，所述第一激光器的激光波长与甲烷的最弱吸收峰波长相同；

19、利用所述第二激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到第二二氧化碳吸收截面积、第五水汽吸收截面积和第二二氧化碳衰荡时间；其中，所述第二激光器的激光波长与二氧化碳的最弱吸收峰波长相同；

20、利用所述第三激光器向容纳有待测气体的衰荡腔发射激光，得到第二氧化亚氮吸收截面积、第六水汽吸收截面积和第二氧化亚氮吸收截面积；其中，所述第三激光器的激光波长与氧化亚氮的最弱吸收峰波长相同。

21、在一种可能的设计中，所述第三吸收截面积包括水汽强吸收截面积和第三甲烷吸收截面积；

22、所述待测气体中的甲烷浓度通过如下公式得到：

23、

24、其中，y为甲烷浓度，c为光速，ta1为所述第一甲烷衰荡时间，ta2为所述第二甲烷衰荡时间，ta3为所述第三衰荡时间，sha1为所述第一水汽吸收截面积，sha2为所述第四水汽吸收截面积，sha3为所述水汽强吸收截面积，sya1为所述第一甲烷吸收截面积，sya2为所述第二甲烷吸收截面积，sya3为所述第三甲烷吸收截面积。

25、在一种可能的设计中，所述待测气体中的水汽的浓度通过如下公式得到：

26、

27、其中，h为水汽的浓度。

28、在一种可能的设计中，所述待测气体中的二氧化碳浓度通过如下公式得到：

29、

30、其中，x为二氧化碳的浓度，tb1为所述第一二氧化碳衰荡时间，tb2为所述第二二氧化碳衰荡时间，shb1为所述第二水汽吸收截面积，shb2为所述第五水汽吸收截面积，sxb1为所述第一二氧化碳吸收截面积，sxb2为所述第二二氧化碳吸收截面积。

31、在一种可能的设计中，所述待测气体中的氧化亚氮的浓度通过如下公式计算得到：

32、

33、其中，z为氧化亚氮的浓度，tc1为所述第一氧化亚氮衰荡时间，tc2为所述第二氧化亚氮衰荡时间，shc1为所述第三水汽吸收截面积，shc2为所述第六水汽吸收截面积，szc1为所述第一氧化亚氮吸收截面积，szc2为所述第二氧化亚氮吸收截面积。

34、第二方面，本发明实施例还提供了一种温室气体的激光光谱测量装置，用于实现上述实施例中任一所述的方法，所述装置包括第一激光单元、第二激光单元、第三激光单元、衰荡腔和接收单元；

35、所述衰荡腔由四个腔镜构成，所述第一激光单元、所述第二激光单元和所述第三激光单元用于向所述衰荡腔发射波长可调的激光，以使激光在四个所述腔镜中反射透射；

36、所述接收单元用于接收所述衰荡腔中出射的激光，以得到衰荡时间和吸收截面积。

37、在一种可能的设计中，所述第一激光单元、所述第二激光单元和所述第三激光单元均包括激光器和光路整形模块，所述接收单元包括接收器和聚焦透镜。

38、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

39、在本实施例中，利用激光光谱测量法，能够取得高精度的气体浓度。具体地，调节多个激光器的波长，使每个激光器的波长针对每种的温室气体均产生最强吸收峰。利用多个激光器向衰荡腔中发射波长不同的激光，得到多个第一吸收截面积和多个第一衰荡时间。然后调节多个激光器的波长，使每个激光器的波长针对每种的温室气体均产生最弱吸收峰，相当于空腔衰荡时间。利用多个激光器向衰荡腔中发射波长不同的激光，得到多个第二吸收截面积和多个第二衰荡时间。多个第二吸收截面积和多个第二衰荡时间相当于标准0值，以多个第二吸收截面积和多个第二衰荡时间作为标准，结合强吸收峰下的第一吸收截面积和第一衰荡时间能够得到待测气体中不同温室气体的浓度。

40、需要说明的是，最强吸收峰和最弱吸收峰的波长均可通过计算得到。