一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法及系统，该方法确定每种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度；分别采集设定的一个目标浓度下目标气体在每个谐波联合方式中的偶次谐波分量，再获取每种谐波联合方式的谐波联合峰值并重复K次，利用执行K次后的谐波联合峰值最大值计算出谐波联合目标峰值；调整目标气体的目标浓度，并重复上述步骤直至获取到目标气体在预设的各个目标浓度下的谐波联合目标峰值；将谐波联合目标峰值、目标气体的目标浓度进行拟合得到目标气体浓度反演公式；利用目标气体浓度反演公式计算出目标气体待测浓度值。该方法挖掘了其他偶次谐波成分中蕴含的浓度信息，进一步提高了浓度反演判据的信噪比。

A Gas Concentration Inversion Method and System Based on Multiple Harmonic Joint Analysis

【技术实现步骤摘要】
一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法及系统
本专利技术属于光谱技术分析
，具体涉及一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法及系统。
技术介绍
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术利用了激光二极管的波长扫描和电流调谐特性，通过改变驱动电流来控制输出激光的波长，从而实现对气体吸收谱线的扫描，对吸收谱线进行分析获得气体参数信息，使用吸收谱线解调后的谐波峰值来反演气体浓度。现如今，基于TDLAS的波长调制光谱技术(TDLAS-WMS)成为了最常用的探测方法，它通过引入正弦调制信号改进了传统利用吸收谱线本身特性(如峰值)反演气体浓度的方法，取而代之的是利用WMS中的各次谐波信号，因为相关研究已经证明偶次谐波峰值与气体浓度近似成正比关系，而其特征具有检测极限更小，分辨率更高等优势。同时，由于二次谐波具有相对较大的峰值，信噪比相对较高，通常作为浓度反演的重要依据。然而，仅仅利用单个谐波峰值作为气体浓度反演的判据将难以抑制环境随机噪声和硬件设备不稳定输出带来的影响。事实上，除了二次谐波之外的其他偶次谐波信号同样蕴含气体浓度的信息，高次谐波信号甚至对气体参数具有更高的灵敏度，但现如今对它们的利用甚少。所以，充分联合各次谐波中蕴含的气体浓度信息可以进一步提高浓度反演判据的信噪比。目前已有的联合多个谐波反演气体浓度的技术仅限于联合二次和四次谐波，即通过四次谐波归一化处理二次谐波，可以一定程度的消除调制度和光强变化对检测精度的影响。但对于更高次的谐波信号并未做相关考虑，同时联合谐波的相关理论和技术有待继续完善与改进。因此，有必要研究一种可以适用于联合更高次谐波信号来实现气体浓度反演的技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法及系统，其挖掘了其他偶次谐波成分中蕴含的浓度信息，进一步提高了浓度反演判据的信噪比。同时还评估了多种联合方式下正弦调制信号的调制度取值。相比于传统的二次谐波峰值特征，联合多次谐波的峰值特征更为明显，有利于抑制谐波测量误差和改善硬件不稳定输出，对提升气体浓度反演的精度有显著效果。本专利技术提供一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法，包括如下步骤：S1：选取谐波联合方式，并确认选取的每种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度；其中，每种谐波联合方式中至少包括两个偶次谐波分量联合，一种谐波联合方式的最佳调制度下对应的谐波联合方式的谐波联合峰值最大，获取一种谐波联合方式下的偶次谐波分量时，将正弦调制信号的调制度调整为对应最佳调制度；S2：分别采集设定的一个目标浓度下目标气体在每个谐波联合方式中的偶次谐波分量，再根据谐波联合方式获取每种谐波联合方式的谐波联合峰值，并重复步骤S2共K次；其中，每执行一次步骤S2，则从每种谐波联合方式的谐波联合峰值中选择出谐波联合峰值的最大值，并利用执行K次后的谐波联合峰值最大值计算出谐波联合目标峰值；在气室中充入目标浓度的目标气体，并使用激光器超气室发射激光得到吸收光谱信号，并将吸收光谱信号与对应谐波联合方式的正弦调制信号的倍频信号正交相乘滤波后得到谐波联合方式所需的偶次谐波分量；S3：调整目标气体的目标浓度，并重复步骤S2，直至获取到目标气体在预设的各个目标浓度下的谐波联合目标峰值；S4：将谐波联合目标峰值、目标气体的目标浓度进行线性拟合得到目标气体浓度反演公式；其中，采集待测目标气体浓度样品并执行步骤S2得到谐波联合目标峰值，再利用目标气体浓度反演公式计算出目标气体待测浓度值。进一步优选，步骤S1中一种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度的获取过程如下：获取谐波联合方式下偶次谐波的值，所述值最大时，谐波联合方式对应的谐波联合峰值最大；其中，Sn(0,m)为x＝0时的，S(x,m)函数归一化的洛伦兹线型的Fouriern阶展开式，n为偶数次，m为调制度，所述S(x,m)函数如下：其中，ω为调制频率，t为时间；然后，计算谐波联合方式下偶次谐波的值的最大极值时的调制度m，得到的调制度m为所述谐波联合方式下的最佳调制度。根据激光器当前中心频率等于气体吸收光谱的中心频率时的目标气体被吸收后的吸收谱线的偶次谐波峰值公式获知最大时，谐波联合方式对应的偶次谐波峰值的联合峰值最大因此本专利技术得到的最佳调制度m是基于谐波联合方式对应的偶次谐波峰值的联合峰值最大进一步优选，谐波联合方式为二次和四次谐波的联合，二次、四次和六次谐波的联合，二次、四次、六次和八次谐波的联合时，最佳调制度如下所示：其中，moptimal表示最佳调制度，N2+4、N2+4+6、N2+4+6+8分别表示二次和四次谐波的联合，二次、四次和六次谐波的联合，二次、四次、六次和八次谐波的谐波联合方式。进一步优选，步骤S1选取的谐波联合方式包括二次和四次谐波的联合，二次、四次和六次谐波的联合，二次、四次、六次和八次谐波的联合。进一步优选，步骤S2中执行K次后的谐波联合峰值最大值的平均值为谐波联合目标峰值。进一步优选，步骤S4中谐波联合目标峰值、目标气体的目标浓度线性拟合方式为最小二乘法拟合。本专利技术提供的一种基于上述方法的系统，包括气室、激光器、光电探测器，FPGA模块，FPGA模块上设有锁相解调模块、加法器、处理模块；所述气室中充入目标浓度的目标气体，激光器发射端朝向所述气室，激光射入所述气室，激光波长位于目标气体的吸收波段；所述光电探测器用于采集气室中目标气体的吸收光谱信号；所述锁相解调模块与所述光电探测器连接，利用正交乘法器将吸收光谱信号与对应谐波联合方式的正弦调制信号的倍频信号正交；以及利用低通滤波器将正交信号进行滤波得到谐波联合方式所需的偶次谐波分量；所述加法器根据每种谐波联合方式将对应偶次谐波分量进行叠加得到每种谐波联合方式的谐波联合峰值；所述处理模块用于根据步骤S2-步骤S4得到目标气体浓度反演公式以及计算目标气体待测浓度值。进一步优选，所述FPGA模块上设有激光控制器、DDS模块；所述DDS模块将扫描锯齿波与正弦调制信号叠加并输入送激光控制器的激光二极管驱动器中；所述激光控制器与所述激光器连接，用于控制激光器发射的激光在目标气体的吸收波段。有益效果1、本专利技术提供的一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法，其选取的气体浓度反演判据联合了多个偶次谐波峰值，不再仅仅是二次谐波，充分利用了其他偶次谐波中蕴含的气体浓度信息，进一步提高气体浓度反演判据的信噪比，提高了最终气体浓度反演计算的可靠性。2、本专利技术基于谐波联合方式的谐波联合峰值最大的机理来获取各个谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制幅值。而在最佳调制度下，联合谐波峰值将取到这一联合方式下的最大值，此时，用于浓度反演的谐波峰值判据也最为突出，信噪比也最大。进而提高系统的抗噪声能力，提升气体浓度反演的精度。3、本专利技术提供的反演方法区别于现有联合二次和四次谐波技术(通过四次谐波归一化处理二次谐波一定程度的消除调制度和光强变化对检测精度的影响)，本专利技术是将多个偶次谐波峰值进行叠加得到谐波联合峰值，同时还考虑到气体的吸光程度会受到温度、压强、光路长度等外部因素以及硬件系统工作中的噪声的影响，因此每个目标浓度下均执行了K组，利用重复试验来降低外部因素的影响，进而最终得到谐波联合目标峰值，并构建出谐波联合目标峰值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：选取谐波联合方式，并确认选取的每种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度；其中，每种谐波联合方式中至少包括两个偶次谐波分量联合，一种谐波联合方式的最佳调制度下对应的谐波联合方式的谐波联合峰值最大，获取一种谐波联合方式下的偶次谐波分量时，将正弦调制信号的调制度调整为对应最佳调制度；S2：分别采集设定的一个目标浓度下目标气体在每个谐波联合方式中的偶次谐波分量，再根据谐波联合方式获取每种谐波联合方式的谐波联合峰值，并重复步骤S2共K次；其中，每执行一次步骤S2，则从每种谐波联合方式的谐波联合峰值中选择出谐波联合峰值的最大值，并利用执行K次后的谐波联合峰值最大值计算出谐波联合目标峰值；在气室中充入目标浓度的目标气体，并使用激光器超气室发射激光得到吸收光谱信号，并将吸收光谱信号与对应谐波联合方式的正弦调制信号的倍频信号正交相乘滤波后得到谐波联合方式所需的偶次谐波分量；S3：调整目标气体的目标浓度，并重复步骤S2，直至获取到目标气体在预设的各个目标浓度下的谐波联合目标峰值；S4：将谐波联合目标峰值、目标气体的目标浓度进行线性拟合得到目标气体浓度反演公式；其中，采集待测目标气体浓度样品并执行步骤S2得到谐波联合目标峰值，再利用目标气体浓度反演公式计算出目标气体待测浓度值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：选取谐波联合方式，并确认选取的每种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度；其中，每种谐波联合方式中至少包括两个偶次谐波分量联合，一种谐波联合方式的最佳调制度下对应的谐波联合方式的谐波联合峰值最大，获取一种谐波联合方式下的偶次谐波分量时，将正弦调制信号的调制度调整为对应最佳调制度；S2：分别采集设定的一个目标浓度下目标气体在每个谐波联合方式中的偶次谐波分量，再根据谐波联合方式获取每种谐波联合方式的谐波联合峰值，并重复步骤S2共K次；其中，每执行一次步骤S2，则从每种谐波联合方式的谐波联合峰值中选择出谐波联合峰值的最大值，并利用执行K次后的谐波联合峰值最大值计算出谐波联合目标峰值；在气室中充入目标浓度的目标气体，并使用激光器超气室发射激光得到吸收光谱信号，并将吸收光谱信号与对应谐波联合方式的正弦调制信号的倍频信号正交相乘滤波后得到谐波联合方式所需的偶次谐波分量；S3：调整目标气体的目标浓度，并重复步骤S2，直至获取到目标气体在预设的各个目标浓度下的谐波联合目标峰值；S4：将谐波联合目标峰值、目标气体的目标浓度进行线性拟合得到目标气体浓度反演公式；其中，采集待测目标气体浓度样品并执行步骤S2得到谐波联合目标峰值，再利用目标气体浓度反演公式计算出目标气体待测浓度值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中一种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度的获取过程如下：获取谐波联合方式下偶次谐波的值，所述值最大时，谐波联合方式对应的谐波联合峰值最大；其中，Sn(0,m)为x＝0时的，S(x,m)函数归一化的洛伦兹线型的Fouriern阶展开式，n为偶数次，m为调制度，所述S(x,m)函数如下：其中，ω为调制频率，t为时间；然后，计算谐波联合方式下偶次谐波的值的最大极值时的调制度m，得到的调制度m为所述谐波联合方式下的最佳调制度。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳春华，刘紫怀，罗旗舞，朱高峰，朱红求，桂卫华，钱灏，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43