基于激光吸收光谱的温度快速提取方法与设计方案

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本技术提出一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域，用于待测气体温度快速提取。该温度快速提取

方法包括以下步骤：获取波数扫描的激光穿过待测气体后的吸收谱；计算吸收谱随波数变化曲线的一阶微分和二阶微分；建立温度快速提取模型；

使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体温度值。本技术仅利用一个激光吸收光谱即可进行温度快速提取，有效利用吸收

谱的形状信息，简化了传统的双吸收谱线温度提取方式。同时温度快速提取方法计算时间短，适于硬件实现，在温度实时测量方面具有广阔的前

景。

技术要求

1.一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，所述的温度提取方法首先使波数扫描的激光经光纤分束器后，一路接入马赫曾德干涉仪后直接被01号光电探镜准直后，穿过待测气体，然后被02号光电探测器接收，综合两个探测器的信号和压力计测量的待测气体压力获得激光穿过待测气体后的吸收谱，然后计算微分，接着建立温度快速提取模型，最后使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体的温度值。

2.按照权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，其特征在于该温度快速提取方法包括以下步骤：

步骤一、获取激光穿过待测气体后的吸收谱；激光器输出中心波数为ν0[cm-1]、波数扫描的激光，激光经光纤分束器后，一路接入马赫曾德干涉仪后直接被0从时间到相对波数的转换关系f，结合用于待测气体压力初步测量的压力计示数pm得到K个采样点处的绝对波数νa与时间t的关系：

va＝f(t)+v0+pmδ (1)

式中，δ为该吸收谱线的压致频移系数，另一路光纤分束器输出的激光接入准直镜准直后，穿过待测气体，然后被02号光电探测器接收，获得透射信号光强I 收的位置拟合激光光强基线I0(t)，根据吸收率的定义，激光穿过待测气体后随时间变化的吸收率α(t)的计算公式为：

结合式(1)与式(2)得到随绝对波数变化的吸收率α(νa)，即吸收谱；

步骤二、计算吸收谱的一阶微分和二阶微分；对绝对波数值νa进行预处理：

获得预处理后的吸收谱α(ν)，计算预处理后的吸收谱α(ν)的三次样条插值函数Sp(ν)，即在所有波数点ν上选择(s+1)个节点w0,w1,…,ws，各节点间满足下述关系vmin＝w0＜w1＜…＜ws-1＜ws＝vmax (4)

式中，νmin和νmax分别是波数点的最小值和最大值，使得三次样条插值函数Sp(ν)在每个小区间[wi-1,wi](i＝1,2,...,s)上是三次多项式，且在每个节点处函数值、续：

式中，s1,i,s2,i,s3,i和s4,i是第i个小区间内三次多项式的系数，和分别是是三次样条插值函数Sp(ν)在第(i+1)个节点wi左侧区间和

波数点两端点的三阶导与这两端点的临近点的三阶导相等的非扭结边界条件唯一确定三次样条插值函数Sp(ν)，然后获得其一阶微分和二阶微分作为吸收谱的

分

步骤三、建立温度快速提取模型；Voigt线型函数是Gauss线型和Lorentz线型的卷积，记高斯线型的半高宽为m，洛伦兹线型的半高宽为ΔC，并有半宽比参数a

吸收谱α(ν)与标准Voigt线型F的关系为：

式中，为吸收率对全波长的积分，即积分吸收率，波数ν与无量纲化波数x的关系为：

式中，n＝-2ln2Δ，其中Δ为压力导致的频率移动；

由于标准Voigt线型F和无量纲化波数x在任意波数x处满足微分方程：

式中，将式(8)和式(9)带入式(10)，并考虑到m和A不为零，得到：

上式对任意一个波数点ν均成立，联立K个波数点处的微分方程，得到线性方程组：

式中：

步骤四、使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体的温度值；使用多元线性回归算法求解线性模型(12)：

C＝(XTX)-1XTY (15)

得到反演系数C2,C4,C5和C6，然后根据式(14)从反演系数中可以得到Gauss线型的半高宽mR，压力导致的频移ΔR，Lorentz线型的半高宽ΔC,R和积分吸收率A

其中根据Gauss线型的半高宽mR可以进一步得到待测气体的温度TR：

式中，M为待测气体摩尔质量。

技术说明书

一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法

技术领域

本技术提出一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域。该方法用于使用一个激光吸收光谱进行待测气体温度快背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术由于其非侵入、高速、测量准确、系统简单成本低、抗干扰能力强等优度和典型产物浓度的测量。2019年Chang Liu等人发表在《应用光谱学综述》(Applied Spectroscopy Reviews)第54卷第1期1-44页的论文《激光吸收光谱学应用于述》(Laser absorption spectroscopy for combustion diagnosisin reactive flows：Areview)中综述了激光吸收光谱学在关键原理、传感器和仪器方面的进展和实际燃的TDLAS温度提取是使用比色法测量均匀气体温度或路径平均气体温度。2011年Fei Li等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第50卷第36期6697-6707页的论光传感器对超燃冲压发动机多流动参数特性的同时测量》(Simultaneous measurements of multiple flow parameters forscramjet characterization using tunable diode-l 数为7185cm-1和7444cm-1的两条H2O吸收谱线在超燃冲压发动机的三个不同位置同时测量得到速度、温度和H2O分压三个参数。比色法提取气体温度利用的吸收光谱的积分值之比，而没有利用到吸收光谱的形状信息。

事实上，激光吸收光谱的形状中包含待测气体的压力、温度和浓度信息，因此，利用单一吸收光谱的形状信息可以进行温度提取。对于吸收光谱形状的准确等人发表在《传感器》(Sensors)第18卷第12期4295页的论文《用于提高近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术的数学方法和算法》(Mathematical Methods and Near-Infrared Tunable Diode-Laser AbsorptionSpectroscopy)中介绍了一系列处理激光吸收光谱信号的数学方法，为获取更高精度的吸收光谱形状信息提供了一些地，TDLAS中的吸收光谱采用Voigt线型描述，Voigt线型是Gauss线型和Lorentz线型的卷积，没有解析表达式，计算成本高。2018年JinyiLi等人发表在《近红外Physics&Technology)第92期6-12页的论文《使用单一谱线Voigt线型退化反褶积的多燃烧参数反演》(Resolving multiplecombustion parameters from a single transi deconvolutionof Voigt lineshape)使用Gauss线型和Lorentz线型的加权和作为Voigt线型的近似，使用Levenberg-Marquardt算法迭代获取线型参数，从而利用单一吸但是，该方法的线型参数求解过程仍然采用迭代拟合的方式，计算速度还有提升空间。2016年Lijun Xu等人发表在《科学仪器综述》(Review of Scientific Instr 的论文《基于数字信号处理器的高精度在线直接吸收光谱Voigt线型拟合》(Digital signal processor-based high-precision on-line Voigt lineshapefitting for direct abs

查找表计算Voigt线型，并在片上实现Voigt线型拟合，再使用比色法得到温度和浓度。但是为保证测量精度，大型的查找表对片上存储带来较大考验。1993年表在《波罗尼卡物理学报》(ActaPhysica Polonica A)第83卷第4期425-430页的论文《非对称Voigt剖面的微分方程》(Differential Equation for Asymmetric Voigt P 特定的二阶线性微分方程，为实现基于吸收光谱形状的温度快速提取提供了可能。但是，目前没有适用于硬件实现的温度提取的快速计算方法和系统。

基于以上背景，本文技术了一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法。根据标准Voigt线型满足的二阶微分方程，在多个波数点处联立微分方程，建立基于提取模型，使用多元线性回归算法求解模型系数，快速提取待测气体的温度值。本方法的优点是使用一个激光吸收光谱提取温度，简化了传统的利用两个吸统。同时本方法提出的线性温度提取方法计算量少，计算时间大大缩短，有望在硬件上实现温度实时测量。

技术内容

针对待测气体的温度提取，本文技术了一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，该方法基于激光吸收光谱在不同波数点均满足的二阶微分方程，建立温单一吸收光谱上的有限采样波数点实现待测气体温度的快速提取。

温度快速提取系统包括激光器、光纤分束器、准直镜、光电探测器两个、马赫曾德干涉仪、压力计、数据采集系统、计算机等。温度快速提取方法首先获取气体后的吸收谱，然后计算吸收谱的一阶微分和二阶微分，接着建立温度快速提取模型，最后使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测下步骤：

步骤一、获取激光穿过待测气体后的吸收谱；激光器输出中心波数为ν0[cm-1]、波数扫描的激光，激光经光纤分束器后，一路接入马赫曾德干涉仪后直接被0从时间到相对波数的转换关系f，结合用于待测气体压力初步测量的压力计示数pm得到K个采样点处的绝对波数νa与时间t的关系：

va＝f(t)+v0+pmδ (1)

式中，δ为该吸收谱线的压致频移系数，另一路光纤分束器输出的激光接入准直镜准直后，穿过待测气体，然后被02号光电探测器接收，获得透射信号光强I 吸收的位置拟合激光光强基线I0(t)，根据吸收率的定义，激光穿过待测气体后随时间变化的吸收率α(t)的计算公式为：

结合式(1)与式(2)得到随绝对波数变化的吸收率α(νa)，即吸收谱；

步骤二、计算吸收谱的一阶微分和二阶微分；对绝对波数值νa进行预处理：

获得预处理后的吸收谱α(ν)，计算预处理后的吸收谱α(ν)的三次样条插值函数Sp(ν)，即在所有波数点ν上选择(s+1)个节点w0,w1,…,ws，各节点间满足下述关系vmin＝w0＜w1＜…＜ws-1＜ws＝vmax (4)