一种光谱仪波长漂移引起的测量误差实时补偿方法

摘要

本发明设计一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，该方法利用被测气体的实时测量光谱数据以及实验室测得的被测气体吸收截面数据库，计算光谱仪波长漂移量；并计算对应波长漂移量的波长平移后的被测气体吸收截面与被测气体吸光度用于计算被测气体浓度，实时消除由于波长漂移带来的测量误差。

主权项

一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：光谱数据去噪通入被测气体，光谱仪开始测量，取光谱仪测量数据平均值，计为测量光光谱数据I₁；在通氮气情况下，再取光谱仪测量数据平均值，计为无吸收时的参考光光谱数据I₀；步骤二：提取被测气体的吸光度根据lambert定律，针对被测气体，从I₁中提取对应有吸收的波长段λ₁～λ₂的被测气体测量光数据组I₁₁，从I₀中提取对应波长段λ₁～λ₂被测气体参考光数据组I₀₁，按照公式(一)计算被测气体的吸光度x，其中λ₁<λ₂；x是一个由个数组成的一维数组；步骤三：根据数组N₁计算得到波长平移量△_λ对应的被测气体吸收截面和被测气体相应数据长度的被测气体吸光度被测气体吸收截面数据为全波段(190nm～400nm)的，每隔0.1nm一个数据，截取其中波长λ₁到λ₂(λ₁<λ₂)的数据，一共个点，通过样条插值的方法得到每隔0.01nm一个数据，得到共个点，假设所得到的个点所组成的一维数组为δ；假设：定义数组定义一个数组N₁和一个数字n₁：如果△_λ<0，其中n₁＝ceil(abs(△_λ/0.1))；如果△_λ＝0，如果△_λ>0，其中n₁＝ceil(abs(△_λ/0.1))；根据数组N₁计算得到波长平移量△_λ对应的被测气体吸收截面和被测气体吸光度$y_{{\Delta }_{\lambda }}=\delta \left(N\right(N_1\left)\right)$$x_{{\Delta }_{\lambda }}=x\left(N_1\right)$其中，δ(N(N₁))和x(N₁)按照以下运算规则进行计算：假设有两个数组A和B，A和B分别有n_A和n_B个元素，且n_B≤n_A，当j>i时，A(j)>A(i)且B(j)>B(i)，定义一种运算如下：A(B)＝[A(B(1)) A(B(2)) … A(B(n_B))]计算所得A(B)为一个一维数组；步骤四：计算光谱仪波长漂移量根据光谱仪最小分辨率确定波长平移量范围Δλ1～Δλ2(Δλ1<Δλ2)，再按照步骤三计算得到和的范围值，之后按照公式(二)计算和的相关系数得到R_Δλ1～R_Δλ2；式二中，为X的平均值，为Y的平均值，Y_i为数组Y的第i个元素，X_i为数组X的第i个元素，n为数组X和Y的元素个数，波长平移量范围根据光谱仪最小分辨率的4倍设定；比较得到相关系数R_Δλ1～R_Δλ2的最大值R^*，判断R^*是否大于相关系数阈值R_阈，R_阈为事先设定好的，所测气体浓度大于100ppm时，R_阈＝0.9；所测气体浓度大于50ppm时，R_阈＝0.8；所测气体浓度小于50ppm时，R_阈＝0.6；如果R^*>R_阈，则R^*对应的波长平移量△_λ为光谱仪的波长漂移量如果0.3<R^*<R_阈，增大波长平移量范围，Δλ1减小0.1nm，Δλ2增大0.1nm，重复步骤四；如果R^*<0.3，光谱仪漂移量过大或实际气体中不包含被测气体，报错；步骤五：采用光谱仪波长漂移量所对应的被测气体吸收截面和相应的被测气体吸光度计算被测气体浓度C根据步骤四确定的光谱仪波长漂移量确定所对应的被测气体吸收截面和相应的被测气体吸光度假设被测气体浓度为C，且和均为列矩阵，采用最小二乘法(即公式三)计算被测气体浓度，其中和分别是和的转置矩阵，即为补偿后被测气体浓度：