一种分段扫描激光气体吸收谱拼接获取较宽谱的方法
阅读说明：本技术 一种分段扫描激光气体吸收谱拼接获取较宽谱的方法 (Method for acquiring wider spectrum by splicing segmented scanning laser gas absorption spectrum ) 是由 姚强 张施令 李新田 赫树开 钱进 刘晓波 颜相连 何洁 齐汝宾 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：一种分段扫描激光气体吸收谱拼接获取较宽谱的方法,具体包括以下步骤：(一)、扫描采集激光器电流调谐特性数据和温度调谐特性数据；(二)、根据激光器电流调谐特性数据和温度调谐特性数据,结合数据拟合算法建立激光器调谐特性模型；(三)、采集得到激光器正常工作下的m组分段气体吸收信号；(四)、将建立的调谐特性模型应用于步骤(三)中采集得到的m组分段气体吸收信号,得到m组分段吸收谱；(五)、利用吸收谱拼接整合算法将m组分段吸收谱拼接整合为一组较宽气体吸收全谱。本发明通过激光器调谐特性模型对若干组分段气体吸收信号进行数据处理,得到若干组分段吸收谱,将各组分段吸收谱拼接成较宽的吸收谱。(A method for acquiring a wider spectrum by splicing a segmented scanning laser gas absorption spectrum specifically comprises the following steps: scanning and acquiring laser current tuning characteristic data and temperature tuning characteristic data; establishing a laser tuning characteristic model by combining a data fitting algorithm according to the laser current tuning characteristic data and the temperature tuning characteristic data; acquiring m component section gas absorption signals under the normal working of the laser; applying the established tuning characteristic model to the m-component section gas absorption signals acquired in the step (III) to obtain m-component section absorption spectra; and fifthly, splicing and integrating the m component absorption spectra into a group of wider gas absorption full spectra by using an absorption spectrum splicing and integrating algorithm. According to the invention, data processing is carried out on a plurality of component section gas absorption signals through a laser tuning characteristic model to obtain a plurality of component section absorption spectrums, and the component section absorption spectrums are spliced into a wider absorption spectrum.)
技术领域
本发明涉及非接触气体的浓度检测技术领域，具体的说，涉及一种分段扫描激光气体吸收谱拼接获取较宽谱的方法。
背景技术
可调谐半导体激光吸收谱(TDLAS)技术结合半导体激光器可调谐的特点及气体分子对特定波长能量光的吸收特性，半导体激光器凭借灵敏度高、响应时间短等优势广泛应用于非接触气体的浓度检测。
但是半导体激光器，在固定某一工作温度下，单次的驱动电流扫描得到的气体吸收谱比较窄，改变激光器的工作温度，就可以得到待测气体更宽的吸收谱范围。目前尚未有相关技术采用驱动电流与工作温度相结合应用于非接触气体的浓度检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种分段扫描激光气体吸收谱拼接获取较宽谱的方法，本发明通过激光器调谐特性模型对若干组分段气体吸收信号进行数据处理，得到若干组分段吸收谱，将各组分段吸收谱拼接成较宽的吸收谱。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分段扫描激光气体吸收谱拼接获取较宽谱的方法，具体包括以下步骤：
（一）、扫描采集激光器电流调谐特性数据和温度调谐特性数据；
（二）、根据激光器电流调谐特性数据和温度调谐特性数据，结合数据拟合算法建立激光器调谐特性模型；
（三）、采集得到激光器正常工作下的m组分段气体吸收信号；
（四）、将建立的调谐特性模型应用于步骤（三）中采集得到的m组分段气体吸收信号，得到m组分段吸收谱（A j（λ jk），j=1, 2,···m; k=1, 2,···q）；
（五）、利用吸收谱拼接整合算法将m组分段吸收谱拼接整合为一组较宽气体吸收全谱（A（λλ k’），k’=1, 2,···p，p>q）。
步骤（一）具体为：利用光谱仪测量激光器在各个驱动电流和各个工作温度下的发射光谱，得到激光器在各个特定工作温度下的电流调谐特性数据（即扫描采集得到驱动电流与输出波长数据对（I i，λ i），i=1、 2、···n）和激光器在各个特定驱动电流下的温度调谐特性数据（即扫描采集得到工作温度与输出波长数据对（T i，λ i），i=1、 2、···n）。
步骤（二）具体为：根据步骤（一）得到的激光器电流调谐特性数据和温度调谐特性数据通过数据拟合算法建立激光器调谐特性模型，其中数据拟合算法包括线性拟合算法和非线性拟合算法，线性拟合算法为基于最小二乘方法的一阶多项式拟合算法，非线性拟合算法为基于最小二乘方法的二阶多项式拟合算法，调谐特性模型包括对各个特定工作温度下的电流调谐特性数据进行建模得到特定工作温度下的电流调谐特性模型λ（I）和对各个特定驱动电流下的温度调谐特性数据进行建模得到特定驱动电流下的温度调谐特性模型λ（T），还包括同时考虑驱动电流和工作温度两个参数的综合调谐特性模型λ（I，T）。
步骤（三）具体为：将已建立电流调谐特性模型、温度调谐特性模型或综合调谐特性模型的激光器应用于激光激光气体分析仪或其他任何基于激光吸收谱技术的仪器或实验系统中，对待检测气体进行测试，设定激光器的驱动电流（或工作温度）为定值，然后扫描工作温度（或驱动电流），采集得到一组分段气体吸收信号，然后，改变激光器的驱动电流（或工作温度）的设定值，再重复扫描工作温度（或驱动电流），采集得到另一组分段气体吸收信号，重复上述操作过程，采集得到m组相应的分段气体吸收信号，数量m的选取原则为：所设定的参数数量能够覆盖到使激光器正常工作而允许的最大范围并使所得气体分段吸收谱的波长有重合，另外一个参数的扫描范围设置为小于或等于使激光器能够正常发光的最大允许范围（如当设定工作温度为某一固定值时，驱动电流扫描范围可设置为从该工作温度下的阈值电流到最大允许电流之间）。
步骤（五）中吸收谱拼接整合算法具体为：首先对m组分段吸收谱分别进行滤波，然后对滤波后的m组数据进行横坐标数据（波长）和纵坐标数据（吸收谱）的整合，最后再进行滤波；
其中，横坐标数据整合为分别计算分段吸收谱数据中的横坐标最小间隔Δλ j，j=1, 2,···m，取其中的最小值记为Δλ，然后从m组分段吸收谱的横坐标数据中最小的波长数据λ j1开始直至最大的波长数据λ jp，搜索并计算距离该波长的差值小于0.5Δλ的所有另外其他组的波长数据λ jk（j=1, 2,···m，j≠j; k=1, 2,···q），取这些波长数据的平均值作为该横坐标位置的值，并取这些波长数据所对应的吸收谱数据的平均值作为该横坐标位置（波长位置）的纵坐标值（吸收谱值），得到拼接整合后的全谱横坐标数据系列λ k’，k’=1, 2,···p，以及全谱纵坐标系列A k’，最终得到较宽的全谱A（λ k’）。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明利用TDLAS技术，通过测试激光器的输出波长与工作温度及驱动电流的关系，建立激光器调谐特性模型，使用激光器对待检测气体进行测试，采集激光器若干组分段气体吸收信号，通过所建立的调谐特性模型对各组分段气体吸收信号的数据进行处理得到若干组分段吸收谱，再将各组分段吸收谱进行整合拼接得到较宽的气体吸收全谱，可得到气体吸收峰峰值，如此，采用气体吸收峰值下的激光器探测待检测气体的浓度最佳。
本发明通过激光器调谐特性模型对若干组分段气体吸收信号进行数据处理，得到若干组分段吸收谱，将各组分段吸收谱拼接成较宽的气体吸收全谱。
附图说明
图1是本发明的工作原理框图。
图2是本发明的不同特定工作温度下ICL激光器输出波长与驱动电流的关系曲线图。
图3是本发明的不同特定驱动电流下ICL激光器输出波长与工作温度的关系曲线图。
图4是本发明的35℃下ICL激光器的驱动电流与输出波长的拟合图。
图5是本发明的80mA时ICL激光器的工作温度与输出波长的拟合图。
图6是本发明的ICL激光器的工作温度及驱动电流与输出波长的拟合图。
图7是本发明的ICL激光器25 ℃时的SO2F2吸收谱图。
图8是本发明的ICL激光器30 ℃时的SO2F2吸收谱图。
图9是本发明的ICL激光器35 ℃时的SO2F2吸收谱图。
图10是本发明的ICL激光器40 ℃时的SO2F2吸收谱图。
图11是本发明的ICL激光器在不同温度下SO2F2完整的高精度吸收谱图。
图12是本发明的ICL激光器不同温度下扫描拼接形成的SO2F2在3612 nm—3624 nm的吸收谱图与HITRAN数据库中该处吸收谱图对比图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-12所示，一种分段扫描激光气体吸收谱拼接获取较宽谱的方法，具体包括以下步骤：
（一）、扫描采集激光器电流调谐特性数据和温度调谐特性数据；
（二）、根据激光器电流调谐特性数据和温度调谐特性数据，结合数据拟合算法建立激光器调谐特性模型；
（三）、采集得到激光器正常工作下的m组分段气体吸收信号；
（四）、将建立的调谐特性模型应用于步骤（三）中采集得到的m组分段气体吸收信号，得到m组分段吸收谱（A j（λ jk），j=1, 2,···m; k=1, 2,···q）；
（五）、利用吸收谱拼接整合算法将m组分段吸收谱拼接整合为一组较宽气体吸收全谱（A（λ k’），k’=1, 2,···p，p>q）。
ICL激光器发射的激光具有线宽较窄的特点，ICL激光器的输出波长具有随着工作温度和驱动电流的变化而变化的特征，该特征是TDLAS技术的基础，因此，本实施例结合波长计对ICL激光器的输出波长与工作温度及驱动电流的关系进行测试，其中，ICL激光器的工作温度范围为20 ℃—40 ℃，驱动电流范围为40 mA—120 mA。
步骤（一）具体为：将ICL激光器的温度控制器设置5个温度梯度：20 ℃、25 ℃、30℃、35 ℃和40 ℃ ，在每个温度梯度下，将ICL激光器的电流驱动器设置9个驱动电流梯度：40 mA、50 mA、60 mA、70 mA、80 mA、90 mA、100 mA、110 mA和120 mA，利用波长计采集在每个特定温度下不同驱动电流对应的ICL激光器的输出波长以及在每个特定驱动电流下不同温度对应的ICL激光器的输出波长，如此得到ICL激光器在各个特定工作温度下的电流调谐特性数据（即扫描采集得到驱动电流与输出波长数据对（I i，λ i），i=1、 2、···n）和ICL激光器在各个特定驱动电流下的温度调谐特性数据（即扫描采集得到工作温度与输出波长数据对（T i，λ i），i=1、 2、···n）。
步骤（二）具体为：将ICL激光器在各个特定工作温度下的电流调谐特性数据进行处理，以驱动电流为横坐标、输出波长为纵坐标，得到不同特定工作温度下ICL激光器输出波长与驱动电流的关系曲线图，如图2所示；同理将ICL激光器在各个特定驱动电流下的温度调谐特性数据进行处理，以工作温度为横坐标、输出波长为纵坐标，得到不同特定驱动电流下ICL激光器输出波长与工作温度的关系曲线图，如图3所示；
由图2观察到，ICL激光器输出波长与驱动电流的关系呈非线性关系，以ICL激光器工作温度在35℃为例，ICL激光器注入不同的驱动电流所对应的输出波长值如表1所示：
表1、35℃下ICL激光器的驱动电流与输出波长对应表
以ICL激光器的驱动电流I为横坐标数据，输出波长λ为纵坐标数据，进行非线性拟合，建立电流调谐特性模型λ（I），非线性拟合算法为：
（1）
式（1）中，k 1 、k 2 和C 1 均为常数；
35℃下ICL激光器的驱动电流与输出波长的拟合图如图4所示，拟合曲线k 1 =0.0002741，k 2 =0.05572，C 1 =3613，如此得到35℃下ICL激光器的驱动电流I与输出波长λ之间的关系表达式为：
（2）
图4中拟合优度R2为0.9999，表明所建立的ICL激光器的驱动电流与输出波长的电流调谐特性模型λ（I）吻合度非常高；
由图3观察到，ICL激光器输出波长与工作温度的关系呈线性关系，以ICL激光器驱动电流在80mA为例，ICL激光器在不同工作温度下所对应的输出波长值如表2所示：
表2、 80 mA时ICL激光器的工作温度与输出波长对应表
以ICL激光器的工作温度T为横坐标数据，输出波长λ为纵坐标数据，进行线性拟合，建立温度调谐特性模型λ（T），线性拟合算法为：
（3）
式（3）中k 3 和C 2 均为常数；
80mA时ICL激光器的工作温度与输出波长的拟合图如图5所示，拟合曲线k 3 =0.3514， C 2 =3607，如此得到80mA时ICL激光器的工作温度T与输出波长λ之间的关系表达式为：
（4）
图5中拟合优度R2为0.9999，表明所建立的ICL激光器的工作温度与输出波长的温度调谐特性模型λ（T）吻合度较高；
由上分析可建立综合调谐特性模型λ（I，T），ICL激光器输出波长λ与工作温度T及驱动电流I所构成的关系式为：
（5）
将所测数据代入式（5）进行拟合，输出波长λ为Z坐标数据，工作温度T为y坐标数据，驱动电流I为x坐标数据，则拟合图如图6所示，k 1 =0.00026，k 2 =0.0503，k 2 =0.3355，C 3 =3601，拟合优度R2为0.998，所建立的ICL激光器的工作温度及驱动电流与输出波长的综合调谐特性模型λ（I，T）吻合度较高。
步骤（三）具体为：首先，设置ICL激光器电流驱动器，驱动电流设为80mA，电压电流转换比为200 mA/V档，信号发生器输出波形为锯齿波，频率为10 Hz，然后分别将N2及SO2F2气体通入光程池中（N2为背景气），调节ICL激光器工作温度依次为25 ℃、30 ℃、35 ℃、40℃，采集不同温度下背景及SO2F2吸收信号。
步骤（四）具体为：将采集到的不同温度下背景及SO2F2吸收信号中背景信号扣除，将温度调谐特性模型λ（T）应用于SO2F2吸收信号，分别得到ICL激光器25 ℃时的SO2F2吸收谱图（图7）、ICL激光器30 ℃时的SO2F2吸收谱图（图8）、ICL激光器35 ℃时的SO2F2吸收谱图（图9）、ICL激光器40 ℃时的SO2F2吸收谱图（图10）。
步骤（五）具体为：将ICL激光器25 ℃时的SO2F2吸收谱图（图7）、ICL激光器30 ℃时的SO2F2吸收谱图（图8）、ICL激光器35 ℃时的SO2F2吸收谱图（图9）、ICL激光器40 ℃时的SO2F2吸收谱图（图10）的横坐标数据及纵坐标数据进行整合拼接得到ICL激光器在不同温度下SO2F2完整的高精度吸收谱图（图11），其中由光谱仪实测及HITRAN数据库中查到的SO2F2吸收谱分辨率均在0.5 cm-1左右，分辨率较低，由ICL激光器不同温度下扫描拼接形成的SO2F2在3612 nm—3624 nm的吸收谱图与HITRAN数据库中该处吸收谱图对比如图12所示，图12中左侧为ICL激光器不同温度下扫描拼接形成的SO2F2在3612 nm—3624 nm的吸收谱图，图12中右侧为HITRAN数据库中该处吸收谱图，ICL激光器不同温度下扫描拼接形成的SO2F2在3612 nm—3624 nm的吸收谱图的分辨率明显提高，而且根据SO2F2完整的高精度吸收谱图可知SO2F2在3612 nm—3624 nm的吸收谱存在两个吸收峰，3619.3nm处吸收峰峰值强大最大，因此，对SO2F2浓度探测使用3619.3 nm处较强吸收峰最佳。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。