ftir光谱拟合方法在反演气体浓度中的应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第25卷，第10期光谱学与光谱分析v01．25，№．10，pp1573—15762005年10月SpectroscopyandSpectralAnalysisOctobel"，2005FTIR光谱拟合方法在反演气体浓度中的应用朱军，刘文清，刘建国，高闽光，赵雪松，张天舒，徐亮1．中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥2300312．安徽大学电子科学与技术学院，安徽合肥230039摘要研究用FTIR光谱测量系统反演气体浓度的方法，在WINDOWS操作系统下应用非线性最小二乘拟合算法实现了CO气体的定量分析。在FTIR光谱拟合中，使用HIT

2、RAN数据库中的光谱作为校准训练集，使测量的CO红外透过率谱与计算的参考光谱达到最佳拟合得到了该气体的浓度，反演结果的绝对准确度达到1％～5％。主题词红外傅里叶变换；非线性最小二乘算法；透过率谱；浓度反演中图分类号：0657．3文献标识码：A文章编号：1000—0593(2005)10—1573—04浓度信息。引言光谱拟合方法用于气体浓度反演，具有快速、可再生以及灵活方便等特点，它是基于样品池的气体分析的实用基础。另外，它在开放光路测量等不容易测量到真实的校准谱或参考谱的情况下，该方法具有很大的优越性J。对于采用该方法进行分析的物质种类必须有可以用的线参数，HIT—Fig．1Schema

3、ticdiagramofFrillmeasurementsystemRAN和其他已经开发的分子数据库是公开可用的，在一些校准训练集中可以采用其中的光谱。在通过实测的透过率光谱反演气体浓度的过程中，获得本文采用的非线性峰值拟合方法适用于长光程开放测量拟合校准谱的方法非常关键，本文通过吸收线参数的数据库或者密封池测量时的气体浓度反演。在不服从Beer定律的情HITRAN_5’63计算拟合校准谱。在软件中采用了标准的吸收况下该方法具有独特的优势，因为光谱拟合不需要假定浓度线参数，修正并按比例转换成浓度，为计算的谱设定光程、和测量的吸收之间满足线性。首先，通过FTIR光谱仪测量温度和压强，将它们

4、与压强及多普勒线型分量作卷积以提供分析得到气体的透过率光谱；然后，将实测光谱与HITRAN真正的单色大气透过率光谱。然后单色光谱与仪器线形函数数据库中的计算光谱拟合，每次拟合迭代必须重新计算光作卷积，仪器线形函数包括有限分辨率效应、视场的发散、谱；最终，由最佳拟合光谱可以得到气体的浓度信息。切趾和谱移位。计算的光谱可以仿真光谱仪上测量的光谱，以它们作为气体浓度信息分析的训练集。根据我们给定的初1基本工作原理始浓度通过迭代计算以达到计算的光谱与实测光谱的最佳拟合，这样就可以获得未知气体的浓度。将实测的透过率光谱FTIR测量系统如图1所示，主要由傅里叶变换红外光减去拟合光谱可以得到剩余光谱，

5、剩余光谱中明显存在的光谱仪、计算机、红外光源和辅助光路等组成。其中，FTIR光谱结构可能表示其他没有预测到的分子的存在。谱仪测量入射红外辐射的光谱辐射曲线；红外光源提供标准辐射源；辅助光路系统将被测气体或红外光源的辐射引入2光谱拟合与误差评价FTIR光谱仪。计算机采集探测器信号，并利用傅里叶变换完成时域干涉图到频域光谱图的转换，得到被测气体的红外对于实测光谱的拟合采用非线性峰值拟合算法，它可以准确地确定峰值的位置、宽度、高度和一些重叠的峰值区辐射透过率光谱，再通过光谱拟合分析计算得到实测气体的收稿日期：2004—03—28。修订日期：2004—06—26基金项目：国家自然科学基金项目(1

6、0274080)和安徽省高校优秀中青年骨干教师项目资助作者简介：朱军，女，1968年生，中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生维普资讯http://www.cqvip.com1574光谱学与光谱分析第25卷域，通过迭代计算光谱去拟合测量的光谱直到在计算的和测光谱、对应的拟合光谱以及光谱拟合分析后的残留光谱。量的光谱之间的残差收敛到可接受的最小量。最佳拟合搜索算法中的匹配度按照下式计算mi-ci)⋯⋯——了_式中7"／表示拟合区域中数据点数，厂是所有峰值和基线函数中总的变量数，7"／～厂表示自由度；m和C分别为单点的测量数据和计算数据；N表示拟合区域实测数据的均方根噪声估算值。算法在一

7、次尝试中迭代调整各峰的每个变200020502100215022002250量以减小即减小计算值和测量数据之间的加权差。峰值Wavenumber／em一0拟合可以采用高斯、洛伦兹和Voigt等峰值函数。当的值Fig．2(b)Thefittedspectrumofco(4900ppm)--·-··减小到小于给定值时结束上述计算。均方根噪声是对输入数．Fitted据中所混入的噪声的度量，利用三次多项式对实测光谱数据实现Savitsky-