| 主权项 |
一种高温水汽激光光谱在线检测系统，包括中心波长1397nm的近红外DFB半导体激光器，激光器控制模块、信号发生器，还包括1×2光纤分束器、红外光电探测器、低通滤波放大器、数据采集和处理模块、液晶显示屏以及参考吸收池、发射端和反射端，所述发射端和反射端之间为检测区域，其特征在于：通过所述激光器控制模块控制近红外DFB半导体激光器输出波长λ<sub>0</sub>激光，并调谐波长λ<sub>0</sub>到水汽的两条相邻吸收线1397.750nm和1397.673nm中间附近，采用1×2光纤分束器将该波长λ<sub>0</sub>的激光分成光束一和光束二，分别作用于参考吸收池和检测区域构成参考光路和检测光路，所述信号发生器产生的100Hz锯齿波信号叠加在该近红外DFB半导体激光器上并通过调整该锯齿波信号幅值上使波长λ<sub>0</sub>的激光在参考光路和检测光路上连续扫描水汽的1397.750nm和1397.673nm吸收光谱，扫描光谱信号被红外光电探测器接收并依次传输至低通滤波放大器以及数据采集和处理模块，所述数据采集和处理模块采用基于双光路的光谱数字对齐方法、背景信号拟合与光谱归一化处理以及光谱线强的实时温度修正方法处理扫描光谱信号最终实现水汽的温度和浓度的实时监测并在液晶显示屏上显示；所述的数据采集和处理模块采集和处理扫描光谱信号的过程如下：(1)、记参考光路的扫描光谱数据为参考吸收光谱序列D<sub>R</sub>(n)，记检测光路的扫描光谱数据为检测吸收光谱序列D<sub>o</sub>(n)；(2)、进行参考吸收光谱序列D<sub>R</sub>(n)和检测吸收光谱序列D<sub>o</sub>(n)的对齐处理：取检测吸收光谱序列D<sub>o</sub>(n)中谱线1397.750nm中心位置作为峰值参考位置n<sub>0</sub>；对参考吸收光谱序列D<sub>R</sub>(n)和检测吸收光谱序列D<sub>o</sub>(n)进行同步检测，并对参考吸收光谱序列D<sub>R</sub>(n)中谱线1397.750nm峰值寻峰并比较中心位置与参考位置n<sub>0</sub>的偏移Δn，获得检测吸收光谱序列中峰值参考位置n<sub>0</sub>发生的偏移数据点数Δn，将对应的检测吸收光谱序列D<sub>o</sub>(n)向相反方向进行频移消除检测吸收光谱D<sub>o</sub>(n)漂移，然后再进行累加平均处理；数据处理过程表示为：<img file="FDA0001168462180000021.GIF" wi="1067" he="70" />(3)、对齐处理过且累加平均后的检测光谱D<sub>o</sub>(n)进行强度归一化处理：检测光谱为叠加在斜坡背景的吸收信号，吸收强度与光强成正比，利用没有吸收的背景光谱区域数据序列拟合光强信息，进行光谱的归一化处理，背景光谱区域的光强拟合函数B(n)为：B(n)＝b<sub>0</sub>+b<sub>1</sub>n+b<sub>2</sub>n<sup>2</sup>检测光谱的归一化通过与背景函数的比值处理实现，归一化后的检测光谱数据序列表示为：<maths num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>B</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>]]></math><img file="FDA0001168462180000022.GIF" wi="286" he="127" /></maths>为了检测光谱数据处理的方便，将归一化处理后的检测光谱转化为吸收系数的吸收光谱数据序列如下：<maths num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>Δ</mi><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>B</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>]]></math><img file="FDA0001168462180000023.GIF" wi="374" he="127" /></maths>转换后的检测光谱每一数据点的数值为水汽在该点对应波长处的吸收系数；(4)、利用检测光谱进行水汽温度的反演；(a)对检测光谱ΔD(n)进行光谱谱线线型拟合，获取吸收谱线线强S(T)：针对水汽的1397.750nm和1397.673nm吸收谱线，选定光谱线型函数分别进行两条谱线线强S(T)的拟合，选定光谱线型为洛伦兹线型，拟合函数关系如下：<maths num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mi>Δ</mi><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>π</mi></mfrac><mfrac><msub><mi>γ</mi><mi>L</mi></msub><mrow><mo>[</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><msub><mi>γ</mi><mi>L</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>]</mo></mrow></mfrac></mrow>]]></math><img file="FDA0001168462180000024.GIF" wi="645" he="135" /></maths>其中，γ<sub>L</sub>为吸收线半宽，n<sub>0</sub>是谱线的中心位置数据点；(b)利用拟合得到水汽1397.750nm和1397.673nm吸收谱线的线强反演水汽温度；水汽谱线线强是温度的函数，利用实验测量得到的水汽1397.750nm和1397.673nm两条吸收谱线线强的比值关系反演水汽温度，任一温度T下的水汽1397.750nm和1397.673nm吸收谱线的谱线强度S<sub>1</sub>(T)和S<sub>2</sub>(T)与水汽温度的T的反演关系如下：<maths num="0004"><math><![CDATA[<mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mo>[</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>E</mi><mn>1</mn><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>E</mi><mn>2</mn><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msubsup><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>T</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001168462180000031.GIF" wi="1044" he="135" /></maths>(5)、水汽检测光谱的温度修正：水汽吸收光谱线强是温度的函数，检测温度T下吸收光谱吸收线线强S(T)与参考温度下的光谱吸收线线强S(T<sub>0</sub>)关系为：<maths num="0005"><math><![CDATA[<mrow><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>E</mi><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msup><mo>/</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>E</mi><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msup><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>v</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>v</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mfrac></mrow>]]></math><img file="FDA0001168462180000032.GIF" wi="1082" he="135" /></maths>其中：Q(T)为分子在温度T下的总内配分函数，T<sub>0</sub>为参考温度(取为300K)，E″为分子跃迁低态能级，ν<sub>0</sub>为跃迁频率，c<sub>2</sub>＝hc/k，h是普朗克常量，c是光速，k是玻耳兹曼常量；配分函数Q(T)取为多项式形式：Q(T)＝a+bT+cT<sup>2</sup>+dT<sup>3</sup>利用水汽分子光谱参数，结合前步骤反演得到的水汽温度将在检测温度T下的水汽光谱线强修正到参考温度T<sub>0</sub>下进行水汽浓度反演，消除检测温度的变化对水汽测量的影响；本发明采用检测光谱中较强的1397.750nm线进水汽浓度反演，对其进行光谱温度修正，用以实时反演水汽浓度；1397.750nm谱线线强的温度修正关系为：<maths num="0006"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>E</mi><mn>1</mn><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>E</mi><mn>1</mn><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msubsup><mo>/</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>v</mi><mn>01</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>v</mi><mn>01</mn></msub><mo>/</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mfrac></mrow>]]></math><img file="FDA0001168462180000033.GIF" wi="1109" he="135" /></maths>其中：S<sub>1</sub>(T)和S<sub>1</sub>(T<sub>0</sub>)分别为1397.750nm谱线温度修正前和修正后的谱线线强，E″<sub>1</sub>和ν<sub>01</sub>分别是1397.750nm谱线的跃迁低态能级和中心频率；(6)、利用温度修正过的1397.750nm光谱线强S<sub>1</sub>(T<sub>0</sub>)反演检测水汽的浓度C水汽浓度的校准是利用仪器预存的校准光谱进行的，校准光谱的获取是在参考温度T<sub>0</sub>下，通过在检测光路中插入已知高浓度(C<sub>0</sub>)密封水汽标准样品池获得，标准样品池中光路长度为L<sub>0</sub>，校准光谱中1397.750nm线的线强用S<sub>01</sub>(T<sub>0</sub>)表示，若检测光谱的1397.750nm谱线的温度修正后的线强用S<sub>1</sub>(T<sub>0</sub>)表示，检测光路的光程长度为L<sub>1</sub>，则检测光路水汽浓度的C反演关系为：<maths num="0007"><math><![CDATA[<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>01</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001168462180000041.GIF" wi="365" he="135" /></maths> |
