可调谐二极管吸收光谱痕量气体浓度算法的研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第32卷第5期光学技术Vo1．32No．52006年9月OPTICALTECHNIQUESep．2006文章编号：1002—1582(2006)05—0717—03可调谐二极管吸收光谱痕量气体浓度算法的研究王晓梅，张玉钧，刘文清，阚瑞锋，王铁栋，王敏，刘建国，董凤忠(中国科学院环境光学与技术重点实验室，中国科学院安徽光学精密机械研究所，合肥230031)摘要：基于可调谐二极管激光吸收光谱学的大气痕量气体在线监测分析仪具有高灵敏、快速响应和高选择性的特点。分析了可调谐二极管激光吸收光谱(T

2、DL)二次谐波信号的特征，以高浓度谐波信号作为标准，采用线性最小二乘拟合的方法对谐波信号进行数值拟合，高精度的反演出了痕量气体浓度值。并对标准信号和检测信号之间的相关系数和浓度反演规律进行了研究。以甲烷气体的测量信号和浓度反演为例，验证了算法。关键词：可调谐二极管激光吸收光谱(TDIAs)；数字信号处理；最小二乘拟合中图分类号：TN2文献标识码：AStudyonthearithmeticoftracegasc0ncentrati0nbasedontunablediodeabsorptionspectroscopyWANGxiao-me

3、i，ZHANGYu．iun，LIUWen—qing，KANRui—fengWANGTie-dong，WANGMin，LIUJian．guo，DONGFeng．zhong(KeyLab．ofEnvironmentalOptics&Technology，AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics，ChineseAcademyofSciences，Hefgi230031，China)Abstract：Gasanalyzersbasedontunablediode-laserabsorptionspectro

4、scopy(TDLAS)isprovidewithhighsensitivity，fastresl~onseandhighlyspecificinsitumeasurementofatmospherictracegases．Characteristicsofthesecondharrnomcsign~withTDLASwereana1划．Amethodofthelinearleast—squaresfittingusedtodealwithsecondharmomcsign~ofthemea—suredtracegasbasedont

5、hesignalofhighconcentrationwaspresented．Theconcentrationsoftracegaseswereobtainedwithhig~yprecision．TherelationshipbetweenconcentrationsandthecorrelationcoefficientWasstudied．S锄emeasurementsofmethanewerepresentedanddiscussed．Keywords：tunableNode-laserabsorptionspectrc~,

6、copy(11]IAS)；digitaJsignalprocessing；linearleast-squaresfitting很大的影响，对二次谐波检测技术而言，会导致实际0引言测量得到的二次谐波信号出现偏差，尤其是待测气可调谐二极管吸收光谱技术与长光程吸收池相体浓度比较低的时候。虽然通过扣除背景的方法，结合构成的痕量气体检测系统具有高灵敏、高精度、可以有效降低固定光学噪声的影响，但是由于系统反应快等优点，在大气痕量气体检测、工业过程控的不稳定以及某些噪声因素随时间而变化，使得背制、污染源排放检测等方面得到了广泛地应景光谱总是会发生微

7、小改变。所以，从测量光谱信用[1m5]。对大多数痕量气体分子，其检测限一般都号中扣除背景光谱成分，并不能完全消除噪声带来可达到ppb量级，甚至ppt量级。的干扰。因此利用二次谐波信号的幅度直接进行浓研究表明_6]，在相同的调制条件下，气体吸收度反演会带来一定的误差，表现为在测量中气体浓光谱二次谐波信号的幅度是与浓度直接成正比关系度值的起伏变化。为了降低各种噪声对测量信号的的。因此，可以根据检测到的光谱信号来反演气体影响，提高检测的精度，除了采用不同检测方法和仔的浓度。在反演前，必须找到一个标准，一般是浓度细调整光路降低系统原理性误差外

8、，对采集到的谐(C)比较高的同种气体，得到其二次谐波信号的幅波信号应用数字信号处理方法进行处理，充分利用度，然后进行实际的测量，得到待测气体的二次谐波信号的形状特征，采用波形拟合的方法，是降低谐波信号幅度，这样待测浓度C