技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测装置，具体适用于增强抗干扰性能、提高测量精度。
相关背景技术
[0002] 气体浓度是最重要的物理化学参数之一，其与日常生活，安全生产和国防工业息息相关。通过测量水蒸气，醛，苯等气体浓度，可以评定人居环境；通过测量人呼出气体二氧化碳，氧气和一氧化氮等气体成分，可以判定人体基础代谢情况；通过测量甲烷浓度，可以为煤矿井下作业提供预警；通过测量多组分气体浓度可以了评估电站锅炉，工业窑炉和航空发动机等燃烧动力装置的运行效率和排放特性。激光吸收光谱技术是典型的非接触式气体检测技术，其实现简单，系统易集成，响应速度快，具有高选择性和灵敏度，能够实现定量测量，已经被广泛的应用于工业过程检测，环境监测和高端仪器制造。
[0003] 然而在采用激光吸收光谱技术在复杂恶劣环境进行气体检测时，测量结果的稳定性和可靠性容易受到外界环境的干扰，限制了检测结果的保真度。尽管一次谐波归一化二次谐波方法和双路可调谐激光吸收光谱技术的归一化降噪方法均能够提升气体检测的灵敏度，但由于两种方法均是利用单一信号对测量结果进行映射，对测量结果的稳定性和保真度提升有限。
具体实施方式
[0025] 以下结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
[0026] 参见图1，基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测装置，包括：激光发生装置、光路测量装置5和信号采集分析装置，所述激光发生装置包括：函数发生器1、激光控制器2、激光器3、准直器4；激光器3采用波长1‑12微米范围的任意可调谐分布式半导体激光器，所述函数发生器1的发生信号输出端分别与激光控制器2和信号采集分析装置的数据采集卡9的信号输入端相连接，所述激光控制器2的驱动信号输出端与激光器3的驱动信号端相连接，所述激光器3的出射端设有准直器4。
[0027] 所述光路测量装置5为开放式测量光路或封闭式气体池的测量光路。
[0028] 所述测量光路上设有第一反射镜6和第二反射镜7，所述第二反射镜7的出射端正对信号采集分析装置的光电探测器8的光信号采集端设置。
[0029] 所述信号采集分析装置包括：光电探测器8、数据采集卡9、数据处理装置10，所述光电探测器8的光信号采集端正对光路测量装置5的出射端设置，所述光电探测器8的信号输出端与数据采集卡9信号连接，所述数据采集卡9与数据处理装置10信号连接。
[0030] 所述函数发生器1用于向激光控制器2发出扫描、调制信号，激光控制器2用于根据接收到的扫描、调制信号控制激光器3发射符合试验条件的激光，所述准直器4安装于激光器3的出射端；
[0031] 光电探测器8采用InSb和MCT材料的光电探测器；
[0032] 所述光电探测器8用于采集激光器3发出的激光，所述数据采集卡9用于采集函数发生器1的驱动信号和光电探测器8的探测信号并将其同步传输给数据处理装置10，所述数据处理装置10根据驱动信号分析探测信号的吸收光谱得到待测气体的浓度值。
[0033] 所述数据处理装置10包括：显示器11、仿真处理模块12、多次谐波计算模块13、浓度求解模块14和环境检测模块15，所述数据采集卡9的信号输出端分别与仿真处理模块12、多次谐波计算模块13的信号输入端相连接，所述仿真处理模块12的环境信号采集端与环境检测模块15的信号输出端相连接，所述仿真处理模块12、多次谐波计算模块13的信号输出端均与浓度求解模块14的信号输入端相连接，所述浓度求解模块14的信号输出端与显示器11信号连接。
[0034] 所述环境检测模块15用于检测环境温度、湿度和气压；
[0035] 所述仿真处理模块12用于根据函数发生器1的输出信号、光程和实时环境温度、湿度和气压仿真计算的一次谐波归一化高次谐波信号；
[0036] 所述多次谐波计算模块13利用接收到的激光入射信号进行计算实测一次谐波归一化高次谐波信号；
[0037] 所述浓度求解模块14根据仿真处理模块12和多次谐波计算模块13的计算结果得出高精度气体浓度。
[0038] 所述显示器11用于显示测量的气体浓度值。
[0039] 本实用新型的原理说明如下：
[0040] 本设计需根据测量气体的种类不同调整激光器3，激光器3的中心频率等于待测气体的吸收光谱中心频率。用于每种气体的吸收光谱都不同，故能够针对不同气体实现浓度测量。
[0041] 所述多次谐波计算模块13用于实现如下运算：
[0042] 对数据采集卡采集的吸收信号在数据后处理程序中进行软件解调和基线拟合，获得一次谐波信号1f，二次谐波信号2f，三次谐波信号3f，……n次谐波信号nf(5≤n≤10)和光谱吸收度DAS数据；
[0043] 信号采集分析装置对得到的多次谐波信号分别进行归一化处理，通过运算获得一次谐波归一化的二次谐波信号 一次谐波归一化的三次谐波信号 ……一次谐波归一化的n次谐波信号 (5≤n≤10)。
[0044] 得到的n‑1个一次谐波归一化高次谐波光谱信号和一个光谱吸光度进行后处理，利用光谱拟合求优算法对目标气体的组分浓度进行反演，获得n‑1个由一次谐波归一化高次谐波光谱信号求得相应的浓度值Xabs_2f/1f，Xabs_3f/1f，……Xabs_nf/1f和一个由光谱吸光度求得的浓度值Xabs_DAS。
[0045] 所述仿真处理模块12用于实现如下仿真运算：
[0046] 根据当前测试环境，确定当前的温度、湿度、光程和气压，在信号采集分析装置内部数据库中查找对应气体对应环境的理论吸光度，利用吸收原始光强信号及与实验参数对应的吸光度参数进行仿真计算得到仿真计算的一次谐波归一化高次谐波信号[0047] 仿真计算的一次谐波归一化k次谐波信号 的计算方式如下：
[0048] 通过以下公式描述激光频率和光强非线性效应：
[0049]
[0050]
[0051] 其中， 是电流扫描信号对应的中心频率，ωm是调制信号的角频率，a[cm‑1]是频率调制深度；为激光器出光中心频率处的光强，ij为归一化的j次非线性强度调制幅度，ψj为j次非线性光强调制和频率调制的相位差；
[0052] 当一束频率为v的单色激光通过待测吸收气体时，其吸收规律遵循如下的Beer‑Lambert定律：
[0053]
[0054] 式中：τ(v(t))为随时间变化的透过率，I0为入射光强，It为透射光强；L为吸收光程，S(T)为线强度，X为吸收组分浓度，P为气体总压，以上四项参数的乘积A被称为吸收率积分值， 为线型函数，采用Voigt函数对其进行描述；对时域上的透过率τ(v)进行傅里叶级数展开，可得到：
[0055]
[0056] 式中：ωm为激光电流调制频率，Hk和Jk为透过率的k阶傅里叶系数，其表达式如下：
[0057] J0＝0
[0058]
[0059] 将(1)、(4)式中的I0和It代入到公式(3)中，并进行傅里叶展开，可得到kωm倍频对应的傅里叶系数，将其定义为Xkf和Ykf，该系数即为透射光强在X轴和Y轴上的k次谐波(2≤k≤n)，其通项表达式如下：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 通过上述仿真计算的一次谐波归一化k次谐波信号
[0065] 所述浓度求解模块14用于实现浓度计算：
[0066] 利用多个一次谐波归一化高次谐波光谱信号，通过最小二乘法对最终浓度进行求解获得浓度的最优解：利用最小二乘算法对目标气体浓度进行反演求解时采用以下四种方法之一：
[0067] 方法1：根据所选的n‑1个归一化高次谐波光谱信号，所将以下函数作为优化的目标函数，对气体浓度参数Xabs进行求解：
[0068]
[0069] 其中，k为谐波次数(2≤k≤n)，kf为k次谐波， 表示对应一次谐波归一化k次谐波的吸收峰值，exp代表实验值，sim代表仿真值；
[0070] 方法2：根据所选的n‑1个归一化高次谐波光谱信号，所将以下函数作为优化的目标函数，对气体浓度参数Xabs进行求解：
[0071]
[0072] 其中，k为谐波次数(2≤k≤n)，kf为k次谐波， 表示对应一次谐波归一化k次谐波的特征范围内的吸收值，exp代表实验值，sim代表仿真值；
[0073] 方法3：根据所选的n‑1个归一化高次谐波光谱信号，所将以下函数作为优化的目标函数，对气体浓度参数Xabs进行求解：
[0074]
[0075] 其中，k为谐波次数(2≤k≤n)，kf为k次谐波， 表示对应一次谐波归一化k次谐波的吸收峰值，(Skf)v0代表吸收峰位置的k次谐波数值，exp代表实验值，sim代表仿真值；
[0076] 方法4：根据所选的n‑1个归一化高次谐波光谱信号，所将以下函数作为优化的目标函数，对气体浓度参数Xabs进行求解：
[0077]
[0078] 其中，k为谐波次数(2≤k≤n)，kf为k次谐波， 表示对应一次谐波归一化二次谐波的特征范围内的吸收值，(Skf)v表示k次谐波的特征范围内的吸收值，exp代表实验值，sim代表仿真值。
[0079] 实施例1：
[0080] 基于多谐波信息融合激光吸收光谱技术气体浓度检测装置，包括：激光发生装置、光路测量装置5和信号采集分析装置，所述激光发生装置包括：函数发生器1、激光控制器2、激光器3、准直器4；激光器3采用波长1‑12微米范围的任意可调谐分布式半导体激光器，所述函数发生器1的发生信号输出端分别与激光控制器2和信号采集分析装置的数据采集卡9的信号输入端相连接，所述激光控制器2的驱动信号输出端与激光器3的驱动信号端相连接，所述激光器3的出射端设有准直器4。
[0081] 所述光路测量装置5为开放式测量光路或封闭式气体池的测量光路。
[0082] 所述测量光路上设有第一反射镜6和第二反射镜7，所述第二反射镜7的出射端正对信号采集分析装置的光电探测器8的光信号采集端设置。
[0083] 所述信号采集分析装置包括：光电探测器8、数据采集卡9、数据处理装置10，所述光电探测器8的光信号采集端正对光路测量装置5的出射端设置，所述光电探测器8的信号输出端与数据采集卡9信号连接，所述数据采集卡9与数据处理装置10信号连接。
[0084] 实施例2：
[0085] 实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
[0086] 所述函数发生器1用于向激光控制器2发出扫描、调制信号，激光控制器2用于根据接收到的扫描、调制信号控制激光器3发射符合试验条件的激光，所述准直器4安装于激光器3的出射端；
[0087] 光电探测器8采用InSb和MCT材料的光电探测器；
[0088] 所述光电探测器8用于采集激光器3发出的激光，所述数据采集卡9用于采集函数发生器1的驱动信号和光电探测器8的探测信号并将其同步传输给数据处理装置10，所述数据处理装置10根据驱动信号分析探测信号的吸收光谱得到待测气体的浓度值。
[0089] 所述数据处理装置10包括：显示器11、仿真处理模块12、多次谐波计算模块13、浓度求解模块14和环境检测模块15，所述数据采集卡9的信号输出端分别与仿真处理模块12、多次谐波计算模块13的信号输入端相连接，所述仿真处理模块12的环境信号采集端与环境检测模块15的信号输出端相连接，所述仿真处理模块12、多次谐波计算模块13的信号输出端均与浓度求解模块14的信号输入端相连接，所述浓度求解模块14的信号输出端与显示器11信号连接。
[0090] 所述环境检测模块15用于检测环境温度、湿度和气压；
[0091] 所述仿真处理模块12用于根据函数发生器1的输出信号、光程和实时环境温度、湿度和气压仿真计算的一次谐波归一化高次谐波信号；
[0092] 所述多次谐波计算模块13利用接收到的激光入射信号进行计算实测一次谐波归一化高次谐波信号；
[0093] 所述浓度求解模块14根据仿真处理模块12和多次谐波计算模块13的计算结果得出高精度气体浓度。
[0094] 所述显示器11用于显示测量的气体浓度值。
