一种可调谐激光吸收光谱法的数据采集及处理方法

1.本发明涉及激光吸收光谱技术领域，尤其涉及一种可调谐激光吸收光谱法的数据采集及处理方法。


背景技术：

2.在减少柴油机车氮氧化物及工业脱硝过程中，广泛采用氨气作为还原剂，在催化剂作用下将氮氧化物还原成无害的氮气。为了充分反应掉尾气中的氮氧化物，一般情况下会加入过量的氨气参与反应，而氨气本身也是一种有毒气体，需要严格控制其排放，因此，对脱硝过程中进行氨气浓度检测显得尤为重要。目前，氨逃逸检测广泛采用了光谱法，其中，可调谐激光吸收光谱法由于其高分辨率、高灵敏性、实时、快速的优点应用前景最被看好。
3.然而，可调谐激光吸收光谱技术在使用过程中还存在诸多问题需要解决，比如，待测样气的吸收光谱一般比较微弱，尤其是氨气浓度比较低的情况下，容易受到系统噪声的干扰，信噪比低。
4.基于此，本技术提出了一种可调谐激光吸收光谱法的数据采集及处理方法，可有效提高数据的信噪比，提高检测仪器的精度和稳定性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种可调谐激光吸收光谱法的数据采集及处理方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种可调谐激光吸收光谱法的数据采集及处理方法，包括以下步骤：
8.s1、确认处理器接收信号的有效性；
9.s2、对处理器接收到的两路信号进行预处理；
10.s3、利用氨气标准气数据扣背景，消除部分系统噪声；
11.s4、剔除粗大误差，并通过数字滤波降低白噪声；
12.s5、利用小波变换与逆变换重构信号，提高信噪比；
13.s6、数据修正，消除使用环境产生的影响；
14.s7、计算氨气浓度并输出。
15.优选地，所述步骤s2中的两路信号包括样气吸收光谱数据以及氨气标准气吸收光谱数据。
16.优选地，所述步骤s2中的预处理方式为：保证两路信号的起始点对齐，样气吸收光谱数据存入一个矩阵内，氨气标准气吸收光谱数据存入另一个矩阵，两个矩阵分别进行多周期平均。
17.优选地，所述步骤s3中的消除部分系统噪声的方式为：
18.1)低通滤波缩小检测的带宽，降低探测器噪声；
19.2)提高检测频率，降低1/f噪声；
20.3)检测系统采用恒流源、恒温制冷和参考池的方法降低激光额外噪声；
21.4)利用氨气标准气扣背景方法降低剩余幅度调制偏移噪声和光学干涉条纹。
22.优选地，所述步骤s4中的数字滤波的方法为算数平均滤波、五点三次滤波、滑动平均滤波和非线性最小二乘滤波的其中一种。
23.优选地，所述步骤s5中的重构信号的方式为：通过在不同尺度上选取合适阈值，将小于该阈值的小波系数置零，从而保留大于阈值的小波系数，使信号中的噪声得到有效抑制，再经过小波逆变换得到重构信号。
24.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
25.本技术中，在确认处理器接收信号的有效性之后，对信号进行预处理、扣背景消除系统噪声、数字滤波消除白噪声、小波变换重构信号、数据修正的步骤，可反算出气体浓度，可以有效提高可调谐激光吸收光谱方法的信噪比，提高氨逃逸检测的精度和稳定性。
附图说明
26.图1示出了根据本发明实施例提供的可调谐激光吸收光谱技术原理图；
27.图2示出了根据本发明实施例提供的二次谐波信号处理流程。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
29.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：
30.为提高信噪比，信号发生器在原锯齿信号的基础上叠加一个高频(一般几十khz)正弦信号，激光便以高频率周期性扫描气体的吸收线，同时在吸收中心波长附近进行调制，经过气体吸收后的调制光进行相敏检测，得到高信噪比的谐波信号。信号发生器发出频率为f的调制信号给激光器，同时发出频率为nf参考信号到锁相放大器，理论上，各次谐波信号都可用来检测气体浓度，但实际应用中常用二次谐波信号，因为二次谐波信号在吸收线的中心处为峰值，且具有较高的信噪比。激光器发射的调制光经气体吸收后被光电探测器接受并转换成电信号，最后经过前置放大器输出至锁相放大器，锁相放大器输出了波长调制光谱二次谐波信号。
31.一种可调谐激光吸收光谱法的数据采集及处理方法，包括以下步骤：
32.s1、确认处理器接收信号的有效性，如果数据有误，则排查故障；如果数据有效，则开始测量；
33.s2、通常激光器输出的特定波长的激光通过50％的激光分路器进入光纤进行传输，其中一路光信号通过一米的光程池被探测器探测并转化为电信号，另一路光信号通过标准气块后同样被光电探测器探测并转化为电信号，两路电信号由前置放大器放大，作为待测信号输入锁相放大器后，与参考信号即高频正弦调制信号进行混频后，输出谐波信号；
34.两路信号包括样气吸收光谱数据以及氨气标准气吸收光谱数据，预处理方式为：
保证两路信号的起始点对齐，样气吸收光谱数据存入一个矩阵内，氨气标准气吸收光谱数据存入另一个矩阵，两个矩阵分别进行多周期平均；
35.s3、得到的二次谐波光谱信号较弱，且包含大量系统噪声，主要包括探测器噪声、激光额外噪声、剩余振幅调制噪声和光学噪声等，需要利用氨气标准气数据扣背景，消除部分系统噪声，其方式为：
36.1)低通滤波缩小检测的带宽，降低探测器噪声；
37.2)提高检测频率，降低1/f噪声；
38.3)检测系统采用恒流源、恒温制冷和参考池的方法降低激光额外噪声；
39.4)利用氨气标准气扣背景方法降低剩余幅度调制偏移噪声和光学干涉条纹；
40.s4、剔除粗大误差，并通过数字滤波降低白噪声，数字滤波的方法为算数平均滤波、五点三次滤波、滑动平均滤波和非线性最小二乘滤波的其中一种，其中，算数平均滤波对白噪声的抑制效果比较明显；
41.s5、利用小波变换与逆变换重构信号，提高信噪比，重构信号的方式为：通过在不同尺度上选取合适阈值，将小于该阈值的小波系数置零，从而保留大于阈值的小波系数，使信号中的噪声得到有效抑制，再经过小波逆变换得到重构信号，小波滤波过程主要包括四个步骤：1)信号初始化；2)信号小波分解；3)分解高频系数并作非线性处理，滤除噪声；4)小波逆变换；
42.s6、数据修正，消除使用环境产生的影响，其中，由于氨浓度的测量环境往往比较恶劣，伴随着温度和压力波动，对测量过程中谱线的幅度和宽度有一定程度影响，需要在处理器的算法中加入修正，修正公式可以通过标准浓度样气的标定获取。另外，采样管路长度及算法延时也要在计算气体浓度时加以修正；
43.s7、计算氨气浓度并输出。
44.实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。