基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量方法及装置

1.本发明涉及气体检测技术领域，尤其是一种基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量方法及装置。


背景技术：

2.现有技术中，气体检测相关技术按照测量原理主要分为两类：光谱法和非光谱法。非光谱法主要有化学分析法、电学式气体检测法。化学分析法能够有效地分离混合气体，但响应时间较慢。电学式气体检测法灵敏度高、探测范围广，但需要接触测量环境，且鉴别气体种类的能力较差。光谱法通过测量目标气体光谱相关参数，反演气体参数信息，可以检测气体的种类多，具有非接触测量、响应时间快等优点。光谱法主要有傅里叶变换红外吸收光谱法(ftir)、可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)等。ftir技术主要基于迈克尔逊干涉仪原理，红外光源经准直透镜准直后发出平行光，经待测气体吸收后由望远镜系统接收，再经过干涉仪汇聚到探测器，从而得到待测气体的干涉信号，经傅里叶变换后即可得到不同浓度下气体的吸收光谱信息，从而计算出气体的浓度。但是ftir设备比较庞大，响应速度也相对较慢，并且价格相对昂贵。tdlas技术是基于半导体dfb激光器的窄线宽特性的一种光谱测量方法，可以实现混合气体的多组分、多参数同时测量，其通用性非常强，测量分辨率高，选择合适的待测气体特征吸收谱线即可测出痕量气体的浓度。其中，基于tdlas的波长调制光谱法(wms)的测量技术，具有非侵入不干扰测量对象、响应时间快、抗电磁干扰能力强、测量仪器设备系统占用空间小易安装等优点，已被广泛应用于监测燃烧场温度以及组分浓度。为了准确获取免标定的目标光谱，不少学者已经尝试过1f归一化、基于傅里叶变换的多参数谐波拟合、吸收线型修正、中心波长漂移修正等处理方法。其中，传统的免标定的2f/1f方法因其易操作、无需复杂的分析模型、适用于各种测量环境等优点使用最为普遍。
3.然而在复杂环境下的气体参数检测中，由于环境中湍流、强振动等干扰因素的影响，传统wms方法测量得到的信号将失真，常用的谐波提取方法提取出的二次信号在反演气体参数相关信息时存在较大误差甚至超出限定的范围。当测量环境中存在机械振动、光束抖动、窗口污染时，测量得到的归一化二次谐波信号容易受到噪声的污染，从而导致测量灵敏度和精度降低。为了消除噪声的同时增强探测灵敏度，在免标定吸收光谱学中常使用数据平均的方式。但经过分析表明环境噪声不仅导致谐波的波动，而且会导致谐波伪增强。结果就是，对测量数据平均仅能提高测量精度，但是对于噪声引起的系统误差却无能为力。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量方法及装置，目的是增强基于免标定波长调制气体参数测量系统的探测灵敏度与气体参数的检测精度，同时提升测量系统的抗噪性能。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本技术一方面提供一种基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量方法，包括以下
步骤：
7.(1)函数发生器将扫描频率为fs的信号叠加调制频率为fm的信号输入到激光控制器中，激光控制器对dfb激光器的输出波长和光强进行调谐；
8.(2)将步骤(1)所得的调制光经光纤分束器分为三束光信号，一束由激光准直器发射端i发出，穿过测量池被光电探测器i接收得到含有气体浓度信息的透射光强信号i
tm
(t)；一束由激光准直器发射端ii发出，直接由光电探测器ii接收得到不含吸收信息的背景光强信号i0(t)；另一束由激光准直器发射端iii发出，经光学标准具后被光电探测器iii接收得到含有时频关系的标准具信号i
υ
(t)；
9.(3)将所述标准具信号i
υ
(t)结合hitran数据库、初始设定浓度值x和其他已知参数转换得到基于波长的光谱吸收率信号α(υ)；
10.(4)将所述背景光强信号i0(t)与所述的光谱吸收率信号α(υ)相结合，依据beer-lambert定律得到含有气体相关信息的仿真透射光强信号
11.(5)对所述仿真透射光强信号采用功率谱密度分析算法进行分析，得到在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rs，从而可获得不同初始设定浓度值x所对应的rs，建立表示x与rs之间关系的仿真的r
s-x数据库；
12.(6)对步骤(2)测量得到的所述透射光强信号i
tm
(t)同样采用功率谱密度分析算法进行分析，得i
tm
(t)在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rm，将rm代入步骤(5)获得的r
s-x数据库，通过插值获取到气体浓度的测量值xm。
13.进一步技术方案为：
14.在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rs由下式计算得到：
[0015][0016]
式中，p
2f
、p
1f
分别为二次谐波和一次谐波，af为透射光强经傅里叶变换之后的幅值，fm是调制频率，f
c1
、f
c2
分别为一次谐波和二次谐波的截止频率；λ1、λ2分别为一次谐波和二次谐波附近无吸收频率范围内透射光强功率谱密度的平均值。
[0017]
λ1可通过下式计算获得：
[0018][0019]
λ2可通过下式计算获得：
[0020][0021]
本技术另一方面提供一种基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量装置，包括函数发生器、激光控制器、dfb激光器、光纤分束器、三个激光准直器发射端、装有待测气体的测量池、光学标准具、三个光电探测器、数据采集卡和计算机；
[0022]
所述函数发生器通过其内部通道将叠加有调制信号的扫描信号输入激光控制器中；
[0023]
所述激光控制器对dfb激光器的输出波长和光强同时进行调谐；
[0024]
所述dfb激光器发出的激光通过两个所述光纤分束器分成三束光信号，一束由激
光准直器发射端i发出，穿过测量池被光电探测器i接收并转换为电信号，得到含有气体浓度信息的透射光强信号i
tm
(t)；
[0025]
一束由激光准直器发射端ii发出，直接被光电探测器ii接收得到不含吸收信息的背景光强信号i0(t)；
[0026]
另一束由激光准直器发射端iii发射，经过光学标准具7后被光电探测器iii接收得到含有时频关系的标准具信号i
υ
(t)；
[0027]
三路信号均由数据采集卡采集并输入到计算机中进行实时分析或存储起来以进行后续信号的其他分析与处理；
[0028]
还包括信号分析与处理模块，所述信号分析与处理模块用于：
[0029]
将所述标准具信号i
υ
(t)结合hitran数据库、初始设定浓度值x和其他已知参数转换得到基于波长的光谱吸收率信号α(υ)；
[0030]
将所述背景光强信号i0(t)与所述光谱吸收率信号α(υ)相结合，依据beer-lambert定律得到含有气体相关信息的仿真透射光强信号
[0031]
对所述仿真透射光强信号采用功率谱密度分析算法进行分析，得到在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rs，建立起不同的初始设定浓度值x所对应的rs，得到仿真的r
s-x数据库；
[0032]
对所述透射光强信号同样采用功率谱密度分析算法进行分析，得在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rm，将rm代入所述r
s-x数据库，通过插值获取到气体浓度的测量值xm。
[0033]
本发明的有益效果如下：
[0034]
相比于传统基于一二次谐波信号的免标定波长调制光谱技术，本发明所提方法仅需在频域通过功率谱分析算法获取测量信号二倍频和基频的功率比值，便可通过在预先仿真的数据库中插值计算出气体的浓度，提高了气体参数测量的灵敏度与精度；同时，由于调制信号功率谱的稀疏特性，本发明能够在一定程度上消除噪声对测量结果的影响，拓展了光谱吸收法的应用范围；本发明方法具有适用性好，应用场景广泛等特点，因此本发明方法可以尝试用于航空航天发动机燃烧室等复杂环境下火焰温度、组分浓度的诊断测量中。
[0035]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
[0036]
图1为本发明方法的流程示意图。
[0037]
图2为采用传统方法和本发明方法连续测量浓度为1.10％的甲烷得到的测量结果。
[0038]
图3为采用传统方法和本发明方法测量结果的allan方差随积分时间的分析结果。
[0039]
图4为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0041]
燃烧室是航空发动机的重要部件，其通过燃烧释放燃料中的化学能，将化学能转化为热能，产生高温、高压燃气，提高发动机的做功能力。设计燃烧室时，需要保证燃烧稳定性好，燃烧效率高，排放污染少等燃烧特性。航空发动机燃烧室的燃烧产物中主要有残余空气(o2和n2)、碳氧化物(co和co2)、氮氧化物(no和no2)、未燃烃类化合物(tch)等气体以及固态细微颗粒。特征气体是反映燃烧特性的重要指示性气体。它的存在表明燃料没有完全燃烧，燃烧效率有待提高。对特征气体参数的检测，为燃烧效率优化，获得燃烧室设计、燃料当量比选择提供重要数据。对此，本技术提供一种基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量方法，参见图1，包括以下步骤：
[0042]
(1)函数发生器将扫描频率为fs的信号叠加调制频率为fm的信号输入到激光控制器中，激光控制器对dfb激光器的输出波长和光强进行调谐；
[0043]
(2)将步骤(1)所得的调制光经光纤分束器分为三束光信号，一束由激光准直器发射端i发出，穿过测量池被光电探测器i接收得到含有气体浓度信息的透射光强信号i
tm
(t)；一束由激光准直器发射端ii发出，直接由光电探测器ii接收得到不含吸收信息的背景光强信号i0(t)；另一束由激光准直器发射端iii发出，经光学标准具后被光电探测器iii接收得到含有时频关系的标准具信号i
υ
(t)；
[0044]
(3)对所述标准具信号i
υ
(t)进行寻峰拟合处理得到随时间变化的波数信号v(t)，然后结合hitran数据库中的信息、初始设定浓度值x以及其他已知参数，通过下式转换得到基于波数的光谱吸收率信号α(υ)：
[0045][0046]
式中，p、t、l、s(t)、v0分别为环境压力、温度、测量区域长度、线强、谱线中心波数；t为温度；为吸收光谱线型函数，δvc为碰撞展宽，δvd为多普勒展宽。
[0047]
(4)将所述背景光强信号i0(t)与所述的光谱吸收率信号α(υ)相结合，依据beer-lambert定律如下式，得到含有气体相关信息的仿真透射光强信号
[0048][0049]
(5)对所述仿真透射光强信号采用功率谱密度分析算法(psd)进行分析，得到在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rs，从而获得不同的初始设定浓度值x所对应的rs，通过拟合可得到形如rs＝kx b表示x与rs之间关系的仿真的r
s-x数据库；
[0050]
在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rs由下式计算得到：
[0051][0052]
式中，p
2f
、p
1f
分别为二次谐波和一次谐波，af和bf分别为透射光强及噪声经傅里叶变换之后的幅值，fm是调制频率，f
c1
和f
c2
分别为一次谐波和二次谐波的截止频率；
[0053]
方程中的噪声项可以透射光强的功率谱密度中与吸收无关的频率范围内得到。因此，上式可以转化为下式：
[0054][0055]
式中，λ1、λ2分别为一次谐波和二次谐波附近无吸收频率范围内透射光强功率谱密度的平均值。
[0056]
λ1可通过下式计算获得：
[0057][0058]
λ2可通过下式计算获得：
[0059][0060]
(6)对步骤(2)测量得到的所述透射光强信号同样采用功率谱密度分析算法进行分析，得到在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rm，将rm作为纵坐标代入步骤(5)获得的rs＝kx b形式的表示x与rs之间关系的数据库，通过插值获取到横坐标即气体浓度的测量值xm。
[0061]
如图2所示，为采用传统2f/1f方法和本实施例方法连续测量浓度为1.10％的甲烷得到的测量结果。
[0062]
其中测量条件相同，均为在实际测量环境中的噪声的影响下，由图2可知，两种测量方法最终的测量值均具有一定的波动性，但可以明显看出，本实施例所提psd分析方法的测量结果相比于传统方法误差更小、波动也更小，增加了气体参数测量系统的探测灵敏度与气体参数的检测精度。
[0063]
如图3所示，为采用传统方法和本实施例方法的测量结果的allan方差随积分时间的分析结果。可以看到，在1s到60s的积分时间范围内，本实施例psd分析方法的表现始终优于传统的2f/1f方法。通过allan方差图可以看出，当积分时间为1s时，传统的2f/1f方法和本实施例psd分析方法的ch4气体检测限分别为31.34ppmv、11.85ppmv；积分时间为60s时，传统的2f/1f方法和本实施例psd分析方法的ch4气体检测限分别降低至8.20ppmv、6.79ppmv。即本技术所提出方法具有更低的检测下限。
[0064]
本技术还提供一种基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量装置，参见图4，包括函数发生器1、激光控制器2、dfb激光器3、光纤分束器4、三个激光准直器发射端5、装有待测气体的测量池6、光学标准具7、三个光电探测器8、数据采集卡9和计算机10；
[0065]
函数发生器1通过其内部通道将叠加有调制信号的扫描信号输入激光控制器2中；
[0066]
激光控制器2对dfb激光器3的输出波长和光强同时进行调谐；
[0067]
dfb激光器3发出的激光通过两个光纤分束器4分成三束光信号，一束由激光准直器发射端i发出，穿过测量池被光电探测器i接收并转换为电信号，得到含有气体浓度信息的透射光强信号i
tm
(t)；
[0068]
一束由激光准直器发射端ii发出，直接被光电探测器ii接收得到不含吸收信息的背景光强信号i0(t)；
[0069]
另一束由激光准直器发射端iii发射，经过光学标准具7后被光电探测器iii接收得到含有时频关系的标准具信号i
υ
(t)；
[0070]
三路信号均由数据采集卡9采集并输入到计算机10中进行实时分析或存储起来以进行后续信号的其他分析与处理；
[0071]
还包括信号分析与处理模块，信号分析与处理模块用于：
[0072]
将标准具信号i
υ
(t)结合hitran数据库、初始设定浓度值x和其他已知参数转换得到基于波长的光谱吸收率信号α(υ)；
[0073]
将背景光强信号i0(t)与光谱吸收率信号α(υ)相结合，依据beer-lambert定律得到含有气体相关信息的仿真透射光强信号
[0074]
对仿真透射光强信号采用功率谱密度分析算法进行分析，得到在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rs，建立起不同的初始设定浓度值x所对应的rs，得到仿真的r
s-x数据库；
[0075]
对透射光强信号同样采用功率谱密度分析算法进行分析，得在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值rm，将rm代入r
s-x数据库，通过插值获取到气体浓度的测量值xm。
[0076]
其中，dfb激光器3即分布式反馈激光器能够按照设定的条件持续发出稳定的激光，其特征输出波长需要根据所需测量的气体而定。
[0077]
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。