[发明专利]一种基于三角波调制的免标定气体参数测量方法

摘要

本发明公开了一种基于三角波调制的免标定气体参数测量方法，该方法在扫描信号上叠加高频三角波信号，并针对该调制方式建立了DFB激光器的时间频率响应模型，将三角波调制波形简化为若干正弦波叠加的形式，通过拟合标准具信号来提取模型各参数。基于此模型，实现了气体浓度的免标定测量。本发明提出的调制方法与传统正弦调制方式相比较，能够显著提高测量系统的信噪比；另外，与其他三角波调制方法相比，本发明提出的免标定气体浓度测量方法，不需要使用标准气体进行标定，更适用于恶劣环境下气体参数的测量。

主权项

一种基于三角波调制的免标定气体参数测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，建立气体参数测试系统，所述测试系统包括激光发射系统、信号采集系统、标准具光路和待测光路，所述激光发射系统包括函数发生器，所述函数发生器输出端与激光控制器输入端相连，所述激光控制器输出端与DFB激光器受激励端相连，所述DFB激光器发出的光通过分束器分为两路光，分别通过所述标准具光路和所述待测光路，所述标准具光路中光束通过标准具，所述待测光路中光束依次通过准直透镜和气池，所述气池中通入待测气体，所述信号采集系统包括两个探测器分别接收所述标准具光路和待测光路出射的激光信号，所述探测器的信号输出端分别连接数据采集处理系统；步骤2，通过函数发生器产生低频扫描信号，并叠加三角波调制信号，对DFB激光器的波长进行周期性的调谐；通过信号采集系统对标准具光路和待测光路的出射光信号进行采集，获得透射光强无吸收时的背景光强测量的DFB激光器时间频率响应关系V(t)；步骤3，根据Beer‑Lambert定律，建立吸收率模型：α(v)=-ln(It(t)I0(t))=P·x·L·S(T)·φ(V(t),ΔVC,ΔVD,v0)---(1)]]>式(1)中，α(ν)为吸收率，L为激光穿过待测气体长度，I0(t)和It(t)分别为激光的入射光强度和经过气体吸收后的透射光强度，P(atm)为压力，T(K)为气体温度，x为气体浓度，φ为吸收谱线的线型函数。φ是DFB激光器时间频率响应关系式V(t)、谱线的碰撞加宽ΔVC、多普勒展宽ΔVD和中心频率v0的函数，S(T)为吸收谱线在温度T时的谱线强度；步骤4，根据线型函数满足归一化条件，即对式(1)两边积分，可得吸收率α(ν)的积分值A(cm‑1)，表示如下：A=∫-∞+∞α(v)dv=P·x·L·S(T)---(2)]]>步骤5，将无气体吸收时探测器测量到的信号作为背景光强信号。实验获得的透射光强和背景光强分别经过数字锁相滤波处理，得到对应的各次谐波的X和Y方向分量，该过程表述为：XnfM=ItM(t)·cos(n·2πfmt)⊗Lowpassfilter---(3)]]>YnfM=ItM(t)·sin(n·2πfmt)⊗Lowpassfilter---(4)]]>Xnf0=I0M(t)·cos(n·2πfmt)⊗Lowpassfilter---(5)]]>Ynf0=I0M(t)·sin(n·2πfmt)⊗Lowpassfilter---(6)]]>式(3)～(6)中n为谐波的次数，fm是激光器的调制频率，测量光信号的表述为：S2f/1fM=(X2fMX1fM-X2f0X1f0)2+(Y2fMY1fM-Y2f0Y1f0)2---(7)]]>步骤6，结合背景光强和式(1)，按照步骤5对仿真信号光强进行同样的处理得到仿真信号的步骤7，根据最小二乘拟合算法，当和残差最小时，得到最佳拟合参数A，在光程长L、气体压力P和温度T已知的条件下，气体浓度由下式计算得到：x=AP·L·S(T)---(8)]]>