本發明專利技術公開了一種基于雙光譜吸收線和波形匹配的激光甲烷濃度測量方法，使半導體激光器波長線性掃描、覆蓋兩個指定吸收線，通過待測氣體的激光經接收電路進行窄帶帶通濾波和高速采集等處理后與參考吸收線進行波形匹配、去除各種噪聲和干擾、保留實際吸收線，最后采用雙光譜吸收線濃度反演算法、對待測氣體濃度進行實時反演。本發明專利技術解決了目前激光吸收光譜技術氣體濃度測量應用中廣泛存在的量程范圍和最低檢測限難以兼顧的矛盾、確保了激光甲烷濃度測量最低檢測限的同時提高濃度測量范圍，解決了光和電干擾造成測量系統濃度誤報問題、確保了測量的準確性。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及激光光譜學領域中的可調諧半導體激光吸收光譜測量技術，涉及激光 光譜信號處理中信號調制技術及微弱信號處理方法，尤其是一種基于雙光譜吸收線和波形 匹配的激光甲烷濃度測量方法。
技術介紹
瓦斯（主要成分：甲烷）突出及爆炸問題已成為煤礦安全的重要威脅，加強對瓦斯 類危險氣體的檢測，已成為現代煤礦產業安全的基本保障。 采用氣體分子激光吸收光譜技術實現的氣體檢測，具有精度高、反應快、抗氣體干 擾性強及非接觸測量等特征，已成為現代氣體檢測的重點發展技術。對比目前常用的催化 燃燒式檢測技術，氣體分子激光光譜吸收技術利用甲烷分子對激光吸收波長的獨特性，確 保儀器僅對甲烷氣體產生感應檢測，杜絕了其他氣體對甲烷氣體檢測的干擾。而且，催化燃 燒式甲烷檢測技術在高濃度甲烷測量時，受氧氣含量的影響，反而會出現濃度越高測量值 越小的二值性誤測問題，氣體分子激光光譜吸收技術則從原理上杜絕了這種情況的發生。 另外，由于氣體分子激光光譜吸收技術采用的是甲烷分子與激光光子之間的作用效應，其 測量過程的反應速度是其他任何技術都無法比擬的。隨著半導體激光器工藝的發展和成本 的降低，氣體分子激光光譜吸收技術在氣體檢測行業中的廣泛應用已成為必然趨勢。 為了提高激光吸收光譜技術應用于氣體濃度檢測時的靈敏度，往往需要選擇較 強的氣體吸收線，但是這就形成了最低檢測限和量程之間的矛盾。以甲烷氣體為例，利用氣 體分子激光光譜吸收技術實現高濃度氣體檢測時，強烈的甲烷氣體吸收會使得吸收譜線信 號飽和，造成測量值不能隨著濃度的增加繼續升高，量程受到限制。為解決問題，在保證測 量精度的同時，提升測量量程范圍達到0-100%，設計了一種基于雙光譜吸收線波長線性掃 描技術的激光甲烷濃度測量方法。該方法利用鄰近雙光譜吸收線的線性特性，實現了甲烷 高/低濃度檢測算法的自動切換，既確保了甲烷檢測時的最低濃度檢測限，又保證了高低 濃度甲烷氣體的全量程測量。 激光光譜測量技術應用過程中另一個難題是光路和電路中無處不在的干擾，常見 情況包括： (1)由于測量光路暴露在待測氣體環境中，接收光電探測器很容易受到各種環境 光的干擾； (2)通過反射或者散射路徑回到光電探測器的激光往往非常微弱，光電檢測放大 電路中的電噪聲對光譜吸收波形的信噪比影響很大； (3)有些測量環境，測量過程中反射激光的背景會發生變化，信號突變同樣會對吸 收波形造成干擾。 這些情況一旦發生，干擾就會改變甚至淹沒實際氣體吸收信號，導致的結果就是 影響測量結果準確性，在一些有氣體濃度報警要求的系統中會出現誤報警情況。 本專利技術專利正是針對激光吸收光譜測量中存在的這些問題，采用波形匹配技術， 根據標準吸收波形特征、剔除出現在兩條吸收線附近的各種干擾和噪聲，從而大大降低激 光吸收光譜技術用于氣體濃度測量時的誤報率。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于雙光譜吸收線和波形匹配的激光甲烷濃度測量方 法，在保證激光甲烷濃度測量最低檢測限的同時提高濃度測量范圍，解決目前激光氣體濃 度測量技術中廣泛存在的量程范圍和最低檢測限難以兼顧的矛盾，同時根據直接吸收波形 特征進行實時波形匹配、解決激光吸收光譜測量過程中光路和電路中的干擾造成誤報的問 題。 本專利技術采用的技術方案是： -種基于雙光譜吸收線和波形匹配的激光甲烷濃度測量系統，其特征在于：包括 有半導體激光器、光電探測器，半導體激光器發射的激光穿過待測甲烷氣團由光電探測器 接收，光電探測器的信號輸出端與高線性度低噪聲前置放大電路的信號輸入端連接，高線 性度低噪聲前置放大電路的信號輸出端與帶通濾波與放大電路的信號輸入端連接，帶通濾 波與放大電路的信號輸出端與數據采集與處理電路的信號輸入端，信號采集與處理電路的 信號輸出端一方面與帶線性補償的調制信號生成器的信號輸入端連接，帶線性補償的調制 信號生成器的信號輸出端與電流驅動電路的信號輸入端連接，電流驅動電路的信號輸出端 與半導體激光器控制連接；信號采集與處理電路的信號輸出端另一方面通過采用與線性補 償調制信號對應的吸收波形匹配算法和雙光譜吸收線濃度反演方法計算出待測甲烷氣團 的濃度并輸出。 一種，其特征在于主要包 括以下步驟： (1)采用雙光譜吸收線波長線性掃描技術對半導體激光器進行調制，輸出波長線 性掃描，掃描范圍覆蓋兩個指定吸收線； (2)通過待測甲烷氣團的激光經光電探測器接收后進行前置放大、帶通濾波放大 和高速采集等處理后，采用吸收波形匹配算法與參考吸收線進行波形匹配，去除各種噪聲、 干擾，保留實際吸收線； (3)采用雙光譜吸收線濃度反演算法對待測甲烷氣團濃度進行實時反演。 所述的，其特征在于，所 述的步驟（1)中提到的雙光譜吸收線波長線性掃描技術，包括以下步驟： (1)對半導體激光器進行線性掃描，采集光電轉換后的信號，并進行二次多項式擬 合，記錄多項式參數； (2)根據不同半導體激光器參數，對上一步驟中得到的多項式求反函數，并用此對 激光器調制掃描函數進行線性補償，產生波長線性掃描所需的調制信號波形數據； (3)利用單片機和高位DA產生經過線性補償的調制信號波形數據，配合溫度控制 模塊和激光器電流驅動模塊驅動半導體激光器進行波長線性掃描，獲得穩定的寬譜線波長 掃描激光輸出。 所述的，其特征在于，所 述的步驟（2)中提到的吸收光譜波形匹配算法，包括以下步驟： (1)為了突出吸收波形的特征，用于匹配算法的光譜吸收波形源自于對光電探測 器獲取的直接吸收信號進行交流放大和濾波結果； (2)利用標準濃度氣體獲得參考光譜吸收波形，記錄該光譜吸收的幾個特征，包括 起始值大小、吸收峰位置、吸收谷位置以及峰值谷值比值； (3)根據波形匹配要求的嚴格程度和干擾強弱，設置上述特征的取值區間； (4)依次將起始值大小、吸收峰位置、吸收谷位置以及峰值谷值比值與參考光譜吸 收波形進行比較，只要其中一個參數不在所設置的取值區間內，就認定是干擾，同樣，只有 以上參數都在取值區間范圍內，才判斷是真實吸收。 所述的，其特征在于，所 述的步驟（1)中提到的雙光譜吸收線濃度反演算法，包括以下步驟： (1)利用Hitran2008數據庫中獲取兩條相鄰且吸收線強相差兩個量級左右的甲 烷氣體吸收線； (2)根據波形匹配和濾波去噪后的直接吸收信號波形特點，選擇處理后的兩條光 譜吸收線作為濃度反演的依據； (3)設置強吸收線峰值飽和門限值，當檢測到的峰值大于該值時，認定吸收飽 和； (4)優先選擇強吸收線用于濃度反演，強吸收線飽和之后改選弱吸收線，從而實現 對激光甲烷氣體高/低濃度算法的自動切換； (5)根據Beer-Lambert吸收定律，利用檢測到的接收光強和直接吸收波形峰峰值 等參數，反演出目標氣體濃度。 本專利技術的理論依據在于： 本專利技術利用半導體激光器的波長可調諧性與窄線寬特性，通過電流控制掃描獲得 調制的激光光譜；當激光頻率與甲烷氣體分子振動頻率一致時，甲烷分子受激光光子激發 吸收光子產生能級躍迀。根據Beer-Lambert吸收定律，頻率為V強度為I。的入射光經過 氣體吸收后，其透射光強為： K v) = I0(v) exp 其中S(T)為吸收線線強，為溫度T的函數，Φ (v-V(]，T)為歸一化的吸收線線形 函數，為頻率和溫本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于雙光譜吸收線和波形匹配的激光甲烷濃度測量系統，其特征在于：包括有半導體激光器、光電探測器，半導體激光器發射的激光穿過待測甲烷氣團由光電探測器接收，光電探測器的信號輸出端與高線性度低噪聲前置放大電路的信號輸入端連接，高線性度低噪聲前置放大電路的信號輸出端與帶通濾波與放大電路的信號輸入端連接，帶通濾波與放大電路的信號輸出端與數據采集與處理電路的信號輸入端，信號采集與處理電路的信號輸出端一方面與帶線性補償的調制信號生成器的信號輸入端連接，帶線性補償的調制信號生成器的信號輸出端與電流驅動電路的信號輸入端連接，電流驅動電路的信號輸出端與半導體激光器控制連接；信號采集與處理電路的信號輸出端另一方面通過采用與線性補償調制信號對應的吸收波形匹配算法和雙光譜吸收線濃度反演方法計算出待測甲烷氣團的濃度并輸出。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：李幼安，白薇，
申請(專利權)人：安徽中科瀚海光電技術發展有限公司，
類型：發明
國別省市：安徽;34
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