【技术实现步骤摘要】
本公开涉及光声光谱气体检测领域，尤其涉及一种基于一次谐波的光声光谱自校正方法、气体检测方法与气体检测系统。
技术介绍
1、气体检测在诸多领域有着重要作用。在众多气体检测技术中，光声光谱(photoacoustic spectroscopy,pas)是一种基于光声效应的光谱气体检测技术，具有无背景、低耗气量、高灵敏度、大动态范围等特性。光声光谱的基本原理为：波长与气体吸收峰匹配的光在经过气体时被吸收，并经过无辐射跃迁转换为热源，进而激发声信号。使用传声器探测声信号，即可反知气体的浓度。
2、光声光谱可以分为非共振光声光谱和共振光声光谱。其中，非共振光声光谱通常利用小体积的非共振光声腔和麦克风，腔内声压分布均匀，工作频率约10hz量级，容易受到低频噪声的影响。共振光声光谱利用高频调制解调和共振放大效应，实现更高的信噪比。根据共振放大的方式，共振光声光谱中最常见的三类为共振腔光声光谱、悬臂梁增强光声光谱和石英音叉增强光声光谱。共振腔光声光谱利用特殊腔形使声波在腔内形成驻波共振来放大信号，工作频率通常在khz量级。悬臂梁增强光声光谱利用悬臂梁探测声信号，并通过悬臂梁本身的共振放大声信号，工作频率通常也在khz量级。石英音叉增强光声光谱利用石英音叉自身的共振放大音叉两臂间产生的声信号，工作频率通常是商用石英音叉的标准共振频率，即32.7khz。
3、在光声光谱中，一类均匀性干扰因素会改变声信号的大小，最终影响测量的准确性。这类干扰因素包括光强波动(激光器输出光强的漂移、光路中的衰减损耗变化)、频率失配(调制频率和解
4、为解决此问题，可以人为地在无背景的光声光谱中引入背景信号，并利用背景信号归一化测量信号，获得一个与光强波动、频率失配等均匀性干扰因素无关的新信号，实现自校正。一种利用背景信号进行归一化的方法是可调谐半导体吸收光谱技术(tunablediode laser absorption spectroscopy，tdlas)中常见的2f/1f法，即使用原始信号的一次谐波信号(背景信号)归一化二次谐波信号(测量信号)，得到具有自校正特性的2f/1f信号。其中，一次谐波信号是原始信号的各频率分量中，频率等于调制频率的分量；二次谐波信号是原始信号的各频率分量中，频率等于二倍调制频率的分量。
5、现有技术中可以在非共振腔内放入石墨片作为固体吸收体，引入背景信号，并使用2f/1f法实现归一化自校正。而非共振腔没有共振频率，可以保证二次谐波信号与一次谐波信号的同时测量，但降低了系统的信噪比。
6、现有技术还可以在共振光声光谱系统中利用固体吸收引入背景信号，都使用2f/1f法实现归一化自校正。共振光声光谱系统虽然容易实现更高的信噪比，但是仅对频率等于共振频率的信号分量有放大，而对其它频率的信号分量有抑制作用，难以同时高效地获取一次谐波信号和二次谐波信号。虽然现有技术可以通过分时调制解调，分别在不同的时段获取一次谐波和二次谐波，但降低了测量速度，且不具备同时性。现有技术还可以同时获取一次谐波和二次谐波并通过设计来保证二次谐波与共振频率匹配，但这样牺牲了一次谐波测量的灵敏度。
7、现有技术还可以在石英音叉增强光声光谱系统中利用音叉表面的固体吸收引入背景信号，并且使用一次谐波信号实现了归一化自校正。相比于2f/1f法，该方法仅涉及一个频率分量，更适合于共振光声光谱。但是该技术中的1f信号处理方法忽略了较多因素，不够完善和具体，例如没有考虑基线形状及其成因故而不够准确，没有考虑气体吸收对固体声信号的影响等。此外，该系统为石英音叉增强光声光谱，音叉的微小尺寸使得该系统的光路调节更困难，音叉的固定高共振频率也使得该系统的数据处理更复杂。
8、综上所述，光声光谱的准确性受到光强波动、频率失配、传声器灵敏度变化等均匀性干扰因素的影响。现有的归一化自校正方法中，缺乏适合于共振系统的、仅使用一次谐波且更准确和完善的方法。
技术实现思路
1、有鉴于此，本公开提出了一种基于一次谐波的光声光谱自校正方法、气体检测方法与气体检测系统，能够实现一种适合共振装置、使用一次谐波信号的更完善和更准确的光声光谱自校正，以及实现准确地气体浓度检测。
2、根据本公开的一方面，提供了一种光声光谱自校正方法，包括：获取电信号的一次谐波信号，所述电信号是通过对声信号转换得到的，所述声信号是由于入射光经过气体并射在固体吸收体上时分别被吸收并转换成热源所激发出的；基于所述一次谐波信号在非吸收区的信号大小，拟合出所述一次谐波信号的基线，所述基线表示为以时间为自变量、以信号大小为因变量的n次多项式函数，n≥2，所述非吸收区包括气体不吸收入射光的时间范围；将所述一次谐波信号与所述基线相减，得到所述一次谐波信号的波动部分信号，并确定所述波动部分信号的峰峰值以及参考时间点，所述参考时间点包括气体的吸收峰中心所对应的时间点，所述峰峰值包括所述波动部分信号的最大值与最小值之间的差值；将所述参考时间点代入所述基线，得到所述参考时间点对应的偏置值，并计算所述峰峰值与所述偏置值之间的比值，得到归一化比值，所述偏置值包括所述吸收峰中心对应所述基线的信号大小，所述归一化比值用于检测所述气体的气体浓度。
3、在一种可能的实现方式中，所述获取电信号的一次谐波信号，包括：使用正交数字锁相放大器解调所述电信号，得到初始一次谐波信号，所述初始一次谐波信号为所述一次谐波信号的模量；识别所述初始一次谐波信号的反弹效应区，并对所述反弹效应区内的信号大小取反，得到所述一次谐波信号，所述反弹效应区包括信号大小为0且导数相反的两个时间点所限定的时间范围。
4、在一种可能的实现方式中，所述入射光是由可调谐激光器产生的，所述可调谐激光器的驱动电流包括低频三角扫描信号叠加高频正弦调制信号所得到的信号电流；所述低频三角扫描信号用于将入射光的中心波长扫描过整个气体吸收峰，所述非吸收区包括入射光对应的中心波长不处于气体吸收峰内且气体不吸收入射光的时间范围；所述气体对入射光的吸收度小于0.05。
5、根据本公开的另一方面，提供了一种气体检测方法，包括：利用所述的自校正方法，确定待检测气体对应的归一化比值；基于所述待检测气体对应的比值-浓度关系标定曲线以及所述待检测气体对应的归一化比值，得到所述待检测气体的气体浓度，其中，所述比值-浓度关系标定曲线是预先利用所述的自校正方法得到不同标准浓度下的标准归一化比值并对不同标准浓度下的标准归一化比值进行线性拟合所得到的曲线。
6、根据本公开的另一方面，提供了一种气体检测系统，包括：激光器调制装置、可调谐激光器、共振装置、传声器以及计算装置；所述激光器调制装置，用于输出驱动电流至所述可调谐激光器，所述驱动电流包括低频三角扫描信号叠加高频正弦调制信号所得到的信号电流；所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光声光谱自校正方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取电信号的一次谐波信号，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射光是由可调谐激光器产生的，所述可调谐激光器的驱动电流包括低频三角扫描信号叠加高频正弦调制信号所得到的信号电流；所述低频三角扫描信号用于将入射光的中心波长扫描过整个气体吸收峰，所述非吸收区包括入射光对应的中心波长不处于气体吸收峰内且气体不吸收入射光的时间范围；
4.一种气体检测方法，其特征在于，包括：
5.一种气体检测系统，其特征在于，包括：激光器调制装置、可调谐激光器、共振装置、传声器以及计算装置；
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括器件式锁相放大器，用于对所述传声器所转换为的电信号进行解调，得到所述电信号的一次谐波信号并发送所述一次谐波信号至所述计算装置；或者，
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述共振腔包括T形共振腔，所述T形共振腔包括缓冲腔与谐振管，所述谐振管的第一端与所述缓冲腔的第一端连接，所述
8.根据权利要求5或7所述的系统，其特征在于，所述可调谐激光器包括光纤激光器，或，空间光激光器；所述光纤激光器用于产生光纤光，所述空间光激光器用于产生空间光；
9.根据权利要求5或7所述的系统，其特征在于，所述传声器包括传统麦克风，或，悬臂梁式麦克风；
10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述激光器调制装置包括：第一信号发生器、叠加器以及激光控制器；
11.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述激光器调制装置包括：第二信号发生器以及激光控制器；
...【技术特征摘要】
1.一种光声光谱自校正方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取电信号的一次谐波信号，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射光是由可调谐激光器产生的，所述可调谐激光器的驱动电流包括低频三角扫描信号叠加高频正弦调制信号所得到的信号电流；所述低频三角扫描信号用于将入射光的中心波长扫描过整个气体吸收峰，所述非吸收区包括入射光对应的中心波长不处于气体吸收峰内且气体不吸收入射光的时间范围；
4.一种气体检测方法，其特征在于，包括：
5.一种气体检测系统，其特征在于，包括：激光器调制装置、可调谐激光器、共振装置、传声器以及计算装置；
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括器件式锁相放大器，用于对所述传声器所转换为的电信号进行解调，得到所述电信号的一次谐波信号并发送所述一次谐波信...
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