一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法

一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法
(一)技术领域
1.本发明提出一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法，属于可调谐半导体激光吸收光谱技术领域。
(二)

背景技术：

2.燃烧是工业生产中最直接的能量转换方式之一，对燃烧过程进行精确监测有助于提高能量转换效率、优化燃烧器设计、降低污染物排放。在燃烧诊断中，温度参数指示了流场内的燃烧效率与化学反应速率，该参数的快速在线测量尤为重要。直接对燃烧火焰进行接触式测量难度较大，且该方法会破坏火焰流场对燃烧过程造成影响，因此非接触式测量方法具有更多的优势。非接触式温度测量方法主要以光学测量方法为主，具有不破坏流场、测温灵敏度高等优点，适用于温度场、浓度场等流场参数测量。由于可调谐半导体激光器的出现，激光吸收光谱技术得到大力发展，利用其窄线宽的优点和波长随注入电流改变的特性可对单个分子或多个很难分辨的相邻谱线进行测量，因此可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy,tdlas)成为了主要的光学测温方法之一。
3.可调谐半导体激光吸收光谱技术可通过测量吸收分子的吸收光谱，获得分子的吸收信息，是一种广泛应用于发动机燃烧诊断、环境监测等方面的光学诊断技术。2016年，发表在《气体物理》(physics of gases)第1卷，第5期，52-63页的论文《可调谐二极管激光吸收光谱诊断技术：原理和应用》(tunable diode laser absorption spectroscopy:principle and application)中对吸收光谱的发展和应用于高温反应环境温度和组分浓度的测量进行了回顾，对不同的吸收测量策略以及相应的系统组成进行了详细介绍，因其灵敏度高，鲁棒性强，已经广泛应用于各种涉及化学反应流动的研究中。2019年，发表在《光谱化学学报》(spectrochimica acta)第222卷的论文《基于tdlas使用单个2.3μm dfb激光器同时检测大气中的co和ch4》(simultaneous detection of atmospheric co and ch
4 based on tdlas using a single 2.3μmdfb laser)中使用2.33μm的单个dfb激光器实现了对大气中的co和ch4同时监测，且设计了可以48h实时测量大气中co和ch4的探测系统。2022年，发表在《流量测量及仪器》(flow measurement and instrumentation)第87卷的论文《使用tdlas测量湍流超音速蒸汽喷射流动特性》(measurement of turbulent supersonic steam jet flow characteristics using tdlas)中展开了tdlas方法在湿蒸汽喷射器中的新应用，检测出了喷射器的热流特性。
4.tdlas技术主要实现方法包括波长调制光谱法(wavelength modulation spectroscopy,wms)和直接吸收光谱法(direct absorption spectroscopy,das)。波长调制光谱法通过波长线性扫描叠加高频正弦调制激光光源，激光器输出调制后的波长和光强，通过分析高频调制信号的谐波分量的强度信息获得吸收信息，高频调制后的激光光强可以有效抑制噪声干扰，高频调制后的激光波长可以重复扫描吸收谱线，因此具有抗噪能力强、测量灵敏度高的优点。2003年，发表在《应用光学》(applied optics)第42卷，第33期，
in a solid rocket motor nozzle based on the tdlas system)中采用直接吸收光谱法对固体火箭发动机喷管燃烧进行了初步实验研究，对喷嘴中的化学反应机理与数值模拟结果进行了比较，并对喷嘴中的流动特性进行了分析，为提高固体火箭发动机的设计水平提供了参考。虽然直接吸收光谱法的测量过程简单，但其易受噪声影响，导致吸收率参数提取不准确，工业测量应用要求数据的快速获取和处理以实现温度的实时测量，因此对于参数提取速度要求高。
5.基于以上背景，本文发明一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法，可在低速采样下实现激光吸收光谱参数的快速提取。通过在直接吸收光谱法的基础上加入巴特沃斯低通滤波器，利用其在通频带具有最大平坦度的特点，在合适的截止频率下使得带有被测气体吸收光谱信息的信号被滤除高频噪声后，仍保留吸收谱线完整线型，同时降低了对测量系统采样率的要求和数据存储成本，基于物理模型辨识出光谱吸收率，提升了激光吸收光谱中吸收信息提取的速度，提高了温度测量效率，有利于测量系统的小型化和集成化。
(三)

技术实现要素：

6.本文发明了一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法，属于可调谐半导体激光吸收光谱技术领域；该方法在直接吸收光谱法的基础上引入巴特沃斯低通滤波器，通过对测量光强信号进行滤波，滤除高频分量，保留有用的吸收光谱信息，可利用较低采样率满足测量要求，并在低速采样条件下实现光谱参数的快速提取，提高了温度测量的总体效率。
7.实现装置包括：可调谐半导体激光器、分束器、准直镜、标准具、光电探测器、巴特沃斯低通滤波器、数据采集模块和计算机。
8.本发明采用的技术方案是：利用锯齿波调制可调谐半导体激光器101和102，使其完整扫描被测气体106不同的吸收谱线，激光器输出的激光由分束器103分为两路，其中一束激光输入到标准具105，用于标定输出调制激光信号的相对波数；另外一束经过准直镜104准直后穿过被测气体106，获得光路上气体的光谱信息，之后被光电探测器107探测并转换为电压信号输出，电压信号通过巴特沃斯低通滤波器109后进行低速采样；测量被测气体在两个不同波长下的吸收光谱信息，并提取被测气体106在对应吸收谱线处的积分吸收面积，利用比色法即可解算得到被测气体106的温度值。
9.具体实施步骤如下：
10.步骤一：利用锯齿波调制可调谐半导体激光器101和102，分别输出完整扫描被测气体106不同吸收谱线的激光束；
11.步骤二：将激光接入分束器103分束后得到两束激光，其中一束激光接入标准具105后输出到光电探测器108被转换为电压信号，利用数据采集模块110单独进行高速采集，得到激光的相对波数变化信息，另外一束接入准直镜104准直后穿过被测气体106，并被光电探测器107探测，得到带有被测气体106吸收信息的电信号；
12.步骤三：将带有吸收信息的电信号接入截止频率为激光器扫描频率40倍的巴特沃斯低通滤波器109，通过数据采集模块110对输出信号进行低速采样得到测量光强信号i
t
；
13.步骤四：选取测量光强信号i
t
中首尾段无吸收部分进行多项式拟合得到原始光强
信号i0，i
t
与i0的关系可表示为：
14.i
t
(t)＝i0(t)exp(-α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
15.其中，α为被测气体106的吸收率；
16.步骤五：根据巴特沃斯低通滤波器(109)的参数获得其传递函数，通用表达式为：
[0017][0018]
其中，n为巴特沃斯低通滤波器109的阶数，b0，b1…bn-1
为分母不同阶次的系数，a0，a1…an-1
为分子不同阶次的系数；
[0019]
步骤六：求取巴特沃斯低通滤波器109输出信号的表达式，在频域可表示为：
[0020][0021]
步骤七：获得巴特沃斯低通滤波器109输出信号的时域表达式，可表示为：
[0022]
o(t)＝l-1
{o(s)}＝l-1
{h(s)
·it
(s)}＝h(t)*i
t
(t)＝h(t)*[i0(t)exp{-α}]
ꢀꢀ
(4)
[0023]
其中，h(t)为巴特沃斯低通滤波器109的时域表达式，可通过对表达式(2)进行拉式反变换获得；
[0024]
步骤八：利用表达式(4)数值计算出低速采样数据中的吸收率参数α，对吸收率进行线型拟合得到积分吸收面积，利用比色法获得被测气体106的温度。
[0025]
本发明的优点在于：1.构建了带有低通滤波器模型的直接吸收光谱法，探测信号在被采集前，利用巴特沃斯低通滤波器滤除了高频噪声，提高了抗噪声能力；2.巴特沃斯低通滤波器在不破坏光谱信息的情况下可防止低速采样带来的频谱混叠，降低了测量系统对采样率的要求；3.利用实际物理模型提取低数据量下吸收谱线的积分吸收面积参数，减少温度解算时间，提高了测量效率。
(四)附图说明
[0026]
图1是本发明涉及的一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法实施的一种典型结构示意图。
[0027]
附图标示
[0028]
101、激光器 102、激光器 103、分束器 104、准直镜 105、标准具
[0029]
106、被测气体 107、光电探测器 108、光电探测器 109、巴特沃斯低通滤波器
[0030]
110、数据采集模块 111、计算机
[0031]
图2是本专利方法与传统的直接吸收光谱法温度解算结果对照图。
[0032]
图3是本专利方法与传统的直接吸收光谱法温度解算时间对照图。
(五)具体实施方式
[0033]
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
[0034]
实例在以下条件下实施，被测气体106为温度均匀分布的水蒸气，压力为1个标准大气压，水蒸气温度从308.15k变化到358.15k，步长为10k，总共6个温度点，两个可调谐半导体激光器101和102分别在中心波数为7185.6cm-1
和7444.4cm-1
处扫描，扫描频率为1khz，可覆盖水蒸气在7185.6cm-1
和7444.4cm-1
处的吸收谱线，巴特沃斯低通滤波器109选用8阶
巴特沃斯低通滤波器，截止频率为激光器扫描频率的40倍即40khz，测量路采样频率为巴特沃斯低通滤波器109截止频率的20倍即800khz；具体包括以下步骤：
[0035]
步骤一：利用锯齿波调制两个可调谐半导体激光器101和102发出中心波数分别为7185.6cm-1
和7444.4cm-1
的扫描激光；
[0036]
步骤二：将激光接入分束器103分束后得到两束激光，其中一束激光接入标准具105后输出到光电探测器108被转换为电压信号，利用数据采集模块110单独进行高速采集，得到激光的相对波数变化信息，另外一束接入准直镜104准直后穿过被测气体106，并被光电探测器107探测，得到带有被测气体106吸收信息的光强信号；
[0037]
步骤三：将带有吸收信息的光强信号接入巴特沃斯低通滤波器109，并通过数据采集模块110对输出信号进行低速采样；
[0038]
步骤四：选取测量光强信号i
t
中首尾段无吸收部分进行多项式拟合得到原始光强信号i0，i
t
与i0的关系可表示为：
[0039]it
(t)＝i0(t)exp(-α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0040]
其中，α为被测气体106的吸收率；
[0041]
步骤五：根据巴特沃斯低通滤波器109的参数获得其传递函数，8阶巴特沃斯滤波器的归一化表达式为：
[0042][0043]
步骤六：求取巴特沃斯低通滤波器109输出信号的表达式，在频域可表示为：
[0044][0045]
步骤七：获得巴特沃斯低通滤波器109输出信号的时域表达式，可表示为：
[0046]
o(t)＝l-1
{o(s)}＝l-1
{h(s)
·it
(s)}＝h(t)*i
t
(t)＝h(t)*[i0(t)exp{-α}]
ꢀꢀ
(4)
[0047]
其中，h(t)为巴特沃斯低通滤波器109的时域表达式，可通过对表达式(2)进行拉式反变换获得；
[0048]
步骤八：利用表达式(4)数值计算出低速采样数据中的吸收率参数α，对吸收率进行线型拟合得到被测气体106在7185.6cm-1
和7444.4cm-1
处的积分吸收面积，利用比色法计算得到被测气体106的温度；本专利所提方法得到的温度与20mhz采样频率下的传统直接吸收光谱法得到的温度对照结果如附图2所示，本专利所提方法得到的温度测量结果与20mhz采样频率下的传统直接吸收光谱法的温度测量结果保持一致，与设置温度的相对误差均在1％以内，但本专利方法所用采样率仅为传统直接吸收光谱法的1/25；本专利所提方法在解算时间上具有较大的优势，如附图3所示，在相同硬件条件下分别计算100组样本，本专利所提方法具有更快的解算速度，提高了温度测量效率。
[0049]
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

技术特征：
1.一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法，所用元件包括可调谐半导体激光器、分束器、准直镜、标准具、光电探测器、巴特沃斯低通滤波器、数据采集模块与计算机，方法的特征在于，锯齿波调制可调谐半导体激光器101和102发出的激光经过分束器103后分为两路，其中一路激光经过标准具105后直接被光电探测器108接收并转换为电压信号，利用数据采集模块110对其单独进行高速采样，精确记录激光的相对波数变化信息；另外一路激光经过准直镜104准直后从被测气体106的一端穿过，光电探测器107在被测气体106另一端将其探测并转换为电压信号，该电压信号被接入一个巴特沃斯低通滤波器109，利用数据采集模块110对巴特沃斯低通滤波器的输出信号进行低速采样，最终得到包含吸收光谱的低速采样数据；将采集数据上传至计算机111，基于巴特沃斯低通滤波器109的物理模型对吸收率参数进行辨识，提取出被测气体106在特定吸收谱线处的积分吸收面积，利用比色法获得被测气体106的温度。2.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法，其特征在于通过加入巴特沃斯低通滤波器109，利用其在通频带内的平坦度特点，使得带有被测气体106吸收光谱信息的信号被滤除高频噪声后，仍保留吸收谱线完整线型，可进行低速采样而不发生频谱混叠，实现过程包括以下步骤：步骤一：利用锯齿波调制可调谐半导体激光器101和102，分别输出完整扫描被测气体106不同吸收谱线的激光束；步骤二：将激光接入分束器103分束后得到两束激光，其中一束激光接入标准具105后输出到光电探测器108被转换为电压信号，利用数据采集模块110单独进行高速采集，得到激光的相对波数变化信息，另外一束接入准直镜104准直后穿过被测气体106，并被光电探测器107探测，得到带有被测气体106吸收信息的电信号；步骤三：将带有吸收信息的电信号接入截止频率为激光器扫描频率40倍的巴特沃斯低通滤波器109，以保证吸收谱线的线型完整，通过数据采集模块110对输出信号进行低速采样；步骤四：结合相对波数变化信息，基于物理模型对吸收率参数进行辨识，提取被测气体106在特定吸收谱线处的积分吸收面积，利用比色法获得被测气体106的温度。3.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法，其特征在于低速采样下被测气体106的积分吸收面积按照如下步骤提取：步骤一：选取测量光强信号i
t
中首尾段无吸收部分进行多项式拟合得到原始光强信号i0，i
t
与i0的关系可表示为：i
t
(t)＝i0(t)exp(-α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，α为被测气体106的吸收率；步骤二：根据巴特沃斯低通滤波器109的参数获得其传递函数，通用表达式为：其中，n为巴特沃斯低通滤波器109的阶数，b0，b1…
b
n-1
为分母不同阶次的系数，a0，a1…
a
n-1
为分子不同阶次的系数；步骤三：求取巴特沃斯低通滤波器109输出信号的表达式，在频域可表示为：
步骤四：获得巴特沃斯低通滤波器109输出信号的时域表达式，可表示为：o(t)＝l-1
{o(s)}＝l-1
{h(s)
·
i
t
(s)}＝h(t)*i
t
(t)＝h(t)*[i0(t)exp{-α}]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，h(t)为巴特沃斯低通滤波器109的时域表达式，可通过对表达式(2)进行拉式反变换获得；步骤五：利用表达式(4)数值计算出低速采样数据中的吸收率参数α，对吸收率进行线型拟合得到积分吸收面积。

技术总结
本发明提出一种基于激光吸收光谱低速采样参数辨识的温度测量方法，属于可调谐半导体激光吸收光谱技术领域。所用元件包括可调谐半导体激光器、分束器、准直镜、标准具、光电探测器、巴特沃斯低通滤波器、数据采集模块与计算机；本发明在直接吸收光谱法的基础上，通过加入巴特沃斯低通滤波器，利用其在通频带内的平坦度特点，使得带有被测气体吸收光谱信息的信号被滤除高频噪声后，仍保留吸收谱线完整线型，可进行低速采样而不发生频谱混叠，降低直接吸收光谱法对采样率的要求，在低速采样下实现吸收光谱参数的快速提取，降低数据采集、存储和计算成本，可有效提高直接吸收光谱法的温度测量效率。度测量效率。度测量效率。


技术研发人员：徐立军 谭雨田 曹章 周文彬 李泓瑶
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/9