基于背景扣除的弱吸收信息精确提取方法研究.pdf
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1、第 44 卷第 5 期2023 年 9 月Vol.44,No.5Sept.2023遥 测 遥 控Journal of Telemetry,Tracking and CommandWebsite:基于背景扣除的弱吸收信息精确提取方法研究张步强,牛慧文,钟翔雨,郑林,宁佳晨,史青,周建发,彭泳卿(北京遥测技术研究所 北京 100076)摘要:随着半导体器件的快速发展,基于分子振-转吸收光谱的研究日益深入,以可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)为代表的检测技术取得巨大进步,应用领域进一步扩大,已有超过一千类仪器
2、应用于连续监测以及过程控制,每年出售的气体检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5%以上,已实现不同领域组分浓度、温度、压力等参数的高精度探测。本文针对仪器开发领域目标吸收信息被完全覆盖的复杂应用环境,利用调制技术将吸收信息转移到高频部分,经过分通道背景扣除和谐波信号归一化处理提取吸收信息。以测量含硫天然气中微量H2S为例,天然气中CH4含量超过90%,目标组分H2S的吸收信息被完全覆盖,将吸收信息转移到1 kHz频率,得到的谐波信号峰值与H2S浓度呈正相关,线性参数达到0.999 9,实现了弱吸收信号的有效提取,从方法上验证了提取弱吸收信号的有效性,进一步扩展了光学气体传感的应用领域,为仪
3、器开发提供技术保障。关键词:吸收光谱;弱信号;背景扣除;精确提取中图分类号:TP212;O433.1 文献标志码:A 文章编号:2095-1000(2023)05-0119-07DOI:10.12347/j.ycyk.20221212001引用格式:张步强,牛慧文,钟翔雨,等.基于背景扣除的弱吸收信息精确提取方法研究 J.遥测遥控,2023,44(5):119125.Research on accurate extraction method of weakly absorbed information based on background deductionZHANG Buqiang,NI
4、U Huiwen,Zhong Xiangyu,Zheng Lin,Ning Jiachen,SHI Qing,ZHOU jianfa,PENG Yongqing(Beijing Research Institute of Telemetry,Beijing 100076,China)Abstract:With the rapid development of semiconductor devices,the research based on molecular vibration-rotation absorption spectroscopy has been deepened,sign
5、ificant progress has been made in detection methods represented by Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(TDLAS),the application field has gradually expanded,and more than 1 000 instruments have been used in continuous emission monitoring and industrial process control and other fields,TDLAS-ba
6、sed gas detection instruments sold every year account for more than 5%of the total number of infrared gas sensing and detection instruments,and have achieved high-precision detection of parameters such as component concentration,temperature,and pressure in different fields.In this paper,in a complex
7、 application environment where the target absorption information in the instrument development field is completely covered,modulation technology is used to transfer the absorption information to the high-frequency part,and the absorption information is extracted through multi-channel background subt
8、raction and harmonic signal normalization processing.Taking the measurement of trace H2S in sulfur-containing natural gas as an example,when the CH4 content in natural gas exceeds 90%,the absorption information of the target component H2S is completely covered,and the absorption information is trans
9、ferred to a frequency of 1 kHz.The peak value of the harmonic signal obtained is positively correlated with the H2S concentration,with a linear parameter of 0.999 9,achieving effective extraction of weak absorption signals.The method verifies the effectiveness of extracting weak absorption signals.T
10、he effectiveness of extracting weak absorption signals is verified,which further expands the application field of optical gas sensing and provides technical support for instrument development.Keywords:Absorption spectrum;Weak signal;Background subtraction;Precise extractionCitation:ZHANG Buqiang,NIU
11、 Huiwen,Zhong Xiangyu,et al.Research on accurate extraction method of weakly absorbed 基金项目:中国航天科技集团自主研发项目收稿日期:2022-12-12 修回日期:2023-03-29第 44 卷第 5 期张步强等,基于背景扣除的弱吸收信息精确提取方法研究information based on background deductionJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2023,44(5):119125.引 言TDLAS技术是一种非入侵式高分辨光谱多参数
12、原位测量,最早可以追溯至20世纪60年代,已成功应用于各种环境气体介质参数的精确测量,如气体温度、环境总压、气流速度等,具有高选择性、高灵敏以及实时测量的特点1。按照注入激光器的电流类型,分为直接吸收(Direct Absorption,DA)和 波 长 调 制(Wavelength Modulation,WM)技术,直接吸收的应用集中在吸收线相对孤立、受临近干扰吸收较弱、能够产生高信噪比的环境2,3。对于较弱的吸收,如目标气体浓度较低,直接测量难以获得理想的信噪比;或者受到复杂背景吸收的影响,目标吸收被整体淹没,直接吸收技术一般不能通过拟合或积分方式得到精确的吸光度,也就不能得到准确的流场参
13、数信息。纯粹应对目标浓度低的情况可以通过增加光程实现,但是背景干扰严重时,光程作为共有条件的变化难以实现目标吸收的有效剥离,此时需要利用有效的背景扣除方法实现目标吸收信息的精确提取4。在基于光学原理的弱吸收信号检测方面,普林斯顿大学5研制的CO2测量装置,该装置同时使用直接吸收和波长调制技术获得了ppm量级的检测限;普林斯顿大学6研制的N2O和CO同时测量装置,使用最小二乘拟合方法进行浓度反演,当调制参数达到最优即2.2时,两种气体的检测限均能够到 10-9量级;莱斯大学7实现了 N2O、CH4、H2O的同时探测,改变压强使其降低,从而实现背景有效扣除,检测限分别能够到 ppm 量级以上。国内
14、关于叠加光谱信号有效提取的研究相对较晚,研究单位主要有中国科学院安徽光学精密机械研究所8,9、天津大学10,11等,但是应用到测量设备上的公开报道较少,还是以实验室的研究为主。吸收光谱产生的原因是介质与电磁波的相互作用,物质对光的吸收光谱位置由能级差决定。图1表示单波长光源穿过气体吸收介质,当激光器的出光频率正好等于分子振-转能级差时,分子将吸收光子,实现低能级到高能级的跃迁。对于理想的均匀介质,光束的强度和流场参数信息遵循朗伯比尔定律(Beer law):()=(ItI0)=exp()j-Sj(T)Pxlj(1)其中,表示透过率,表示激光器输出频率(通常用波数cm-1表示,与波长关系为:=1
15、/),I0和It分别是吸收前和吸收后的光强,Sj、j分别表示分子j跃迁的吸收线强和线性函数,T、P、l、x分别表示气体温度、环境总压、有效吸收光程和体积分数。另外线性函数在频域范围具有归一化的特点,即-+jd=1,则吸光度A可表示为:A=PXLS(T)(2)本文基于调制光谱技术背景精确扣除方法,实现复杂测量环境中弱吸收信号的有效提取。1波长调制基本原理当给激光器注入持续扫描的锯齿波和频率为f的调制波形时,出光频率可以描述为:(t)=v(t)+acos(t)(3)其中,v(t)为中心波长,为调制信号的角频率(其中=2f),a表示调制深度。激光器频率被调制的同时强度同样被调制,此时光强可表示为:I
16、0(t)=I01+i0cos(t+1)+i2cos(2t+2)(4)其中,I0表示平均光强,i0、i2分别为被I0归一化的调制幅度,1、2分别是线性和非线性相位差,此处只考虑前两阶强度响应,这些参数依赖于激光器的频率和光强响应特性,激光束穿过气体介质后的光强表示为:It(t)=I0(t)(v(t)+acos(t)(5)其中,表示透过率,对其进行傅里叶级数展开:图1激光传输路径上气体分子的吸收跃迁示意图Fig.1Schematic diagram of gas molecules on the laser path due to absorption transition1202023 年 9
17、月遥 测 遥 控(v(t)=k=0Hk(v a)cos(kt)(6)其中,Hk为的傅里叶系数,结合公式(1),可以得出Hk的表达式:H0=12-exp()jSj(T)j(v+acos)PxjL d (7)Hk=1exp()jSj(T)j(v+acos)PxiL coskd(8)由图2可知,对于任意调制深度,H的峰值随阶数的增加而降低,并且偶次H分量的峰值与吸收谱线的中心频率重合,而奇次H分量的峰值不在中心频率处,中心频率初值为0。1.1背景扣除原理在利用调制吸收光谱技术用于仪器开发时,最常用的处理方法即利用公式8给出的H分量与吸收气体的浓度呈正相关关系,通常选择二次谐波实现组分含量计算。获取谐
18、波分量的过程即光谱解调,将探测器接收到的调制吸收光强信号It(t)与参考信号相乘,使得对应的谐波成分转移到直流部分,对于单通道解调的参考信号即cos(2nf),其中n为谐波次数,对于双通道解调的参考信号为两个正交信号cos(2nf)和sin(2nf),再通过低通滤波提取,得到各阶次谐波。以2次谐波为例,经解调的2f信号X分量和Y分量表示为:X2f=GI02 H2+i02(H1+H3)cos1+i2()H0+H42cos2(9)Y2f=-GI02 i02(H1-H3)sin1+i2()H0-H42sin2(10)其中,G表示光电增益系数,双通道R2f表示为:R2f=X22f+Y22f(11)测量
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