基于拟合的吸收光谱反演算法研究
发布时间：2021-12-17 09:46
可调谐半导体吸收光谱技术作为一种先进的光谱检测手段,已广泛应用于大气环境监测、工业过程控制等领域,实现不同领域组分浓度、温度、压力等参数的高精度探测。技术分为直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术,通过选取不同的目标函数,验证拟合算法在吸收光谱技术中的可行性,两种技术均可通过构建合适的目标函数结合拟合算法实现吸收信息的精确反演,依据物理过程建立吸收模型,分别将直接吸收技术的光强、吸光度及透过率和波长调制光谱技术的光强及谐波信号作为拟合对象,实现了拟合参数的精确计算,从理论上验证了处理方法的准确性,扩展了拟合算法在检测仪器开发方面的应用,为各领域的发展提供了技术保障。
【文章来源】：遥测遥控. 2020,41(05)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
TDLAS技术原理Fig.1ThediagramofTDLAStechnology()T（1）
1exp{()(())}cos()dπkHPLSTtk（7）其中，t，处理吸收信号用到的L-M拟合利用测量值与模拟值对应点的差值平方和作为目标函数，根据该值确定收敛条件，配合设定初值及计算的迭代方向和步长，以得到最优拟合参数，待拟合参数为积分吸光度A、吸收中心0、高斯展宽D以及压力展宽C。根据相关理论，直接吸收和波长调制均可通过拟合获得某条吸收线的积分吸光度，用于反演测量环境参数。2模型建立及吸收信息传递TDLAS技术目标分子吸收信息的传递过程，如图2所示。根据分子吸收物理过程，模拟吸收信息首先反映到吸光度，再通过透过率反映到光强信号；对于波长调制技术，再将吸收信息转移到高频谐波信号，根据工程经验，光强的噪声水平估计设为千分之五，以贴近实际吸收。由于高斯展宽707.163210DTM，其中，0表示吸收中心，T表示温度，M表示分子摩尔质量，对于选定的目标分子，同一温度下，扫描范围跨度不大的情况可认为高斯展宽为常数，拟合时不作为拟合参数，通过改变积分吸光度、吸收中心及压力展宽，使拟合目标函数无限接近模拟结果，使其收敛，得到拟合变量，用于流场参数反演。3拟合验证3.1直接吸收吸收模型选择H2O作为目标分子，选取HITRAN数据库[9]中两条常温常压环境较强的吸收线，谱线参数如表1所示。表1所选吸收谱线参数Table1Theparametersoftheselectedabsorptionline吸收中心（cm–1）线强（cm–2·atm–1）空气展宽系数（cm–1/atm）自展宽系数（cm–1/atm）低态能级（cm–1）温度依赖
态能级（cm–1）温度依赖系数（forair0）压力频移系数（cm–1/atm）7183.0161.02E–020.1010.492134.90160.69–0.01117185.5971.97E–020.04210.1951045.0580.62–0.01346激光器扫描频率为1kHz，扫描范围为7182cm1~7187cm1，采样率为10M/s，根据工程经验，激光器噪声水平设为扫描平均强度的1%，预设环境参数分别为：压强P=1atm，组分浓度3%，有效光程L=100cm，温度T=296K，激光器出光强度和频率随时间的变化如图3所示。在单个扫描周期内，根据时序出光强度变大而频率减小，重复扫描吸收谱线获得完整吸收，根据所选扫描范围，包含两条水汽吸收谱线，当以吸收后的光强直接作为拟合对象时，拟合结果如图4所示，绝对残差数量级为1016，满足设置的收敛条件。直接吸收技术在实际应用时，难以实时获取无吸收光强，以光强为目标的拟合依赖于精确的光强-时间响应。对吸收光强信号根据公式（1）处理得到吸光度，以吸光度为目标函数拟合，其结果如图5图2吸收信息传递过程Fig.2Theschematicdiagramofabsorptioninformationtransmissionprocess图3光强及频率的时间响应Fig.3Thetimeresponseoflightintensityandfrequency
【参考文献】：
期刊论文
[1]二极管激光腔衰荡光谱技术测量大气NO2[J]. 胡仁志,王丹,谢品华,陈浩,凌六一. 光学学报. 2016(02)
[2]基于TDLAS的长光程环境大气痕量CO监测方法研究[J]. 姚路,刘文清,刘建国,阚瑞峰,许振宇,阮俊,戴云海. 中国激光. 2015(02)
[3]基于可调谐半导体激光吸收光谱的大气水汽检测方法研究[J]. 许振宇,刘文清,阚瑞峰,张玉钧,张帅,束小文,何莹,张亮,汤媛媛. 大气与环境光学学报. 2011(02)
本文编号：3539872
【文章来源】：遥测遥控. 2020,41(05)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
TDLAS技术原理Fig.1ThediagramofTDLAStechnology()T（1）
1exp{()(())}cos()dπkHPLSTtk（7）其中，t，处理吸收信号用到的L-M拟合利用测量值与模拟值对应点的差值平方和作为目标函数，根据该值确定收敛条件，配合设定初值及计算的迭代方向和步长，以得到最优拟合参数，待拟合参数为积分吸光度A、吸收中心0、高斯展宽D以及压力展宽C。根据相关理论，直接吸收和波长调制均可通过拟合获得某条吸收线的积分吸光度，用于反演测量环境参数。2模型建立及吸收信息传递TDLAS技术目标分子吸收信息的传递过程，如图2所示。根据分子吸收物理过程，模拟吸收信息首先反映到吸光度，再通过透过率反映到光强信号；对于波长调制技术，再将吸收信息转移到高频谐波信号，根据工程经验，光强的噪声水平估计设为千分之五，以贴近实际吸收。由于高斯展宽707.163210DTM，其中，0表示吸收中心，T表示温度，M表示分子摩尔质量，对于选定的目标分子，同一温度下，扫描范围跨度不大的情况可认为高斯展宽为常数，拟合时不作为拟合参数，通过改变积分吸光度、吸收中心及压力展宽，使拟合目标函数无限接近模拟结果，使其收敛，得到拟合变量，用于流场参数反演。3拟合验证3.1直接吸收吸收模型选择H2O作为目标分子，选取HITRAN数据库[9]中两条常温常压环境较强的吸收线，谱线参数如表1所示。表1所选吸收谱线参数Table1Theparametersoftheselectedabsorptionline吸收中心（cm–1）线强（cm–2·atm–1）空气展宽系数（cm–1/atm）自展宽系数（cm–1/atm）低态能级（cm–1）温度依赖
态能级（cm–1）温度依赖系数（forair0）压力频移系数（cm–1/atm）7183.0161.02E–020.1010.492134.90160.69–0.01117185.5971.97E–020.04210.1951045.0580.62–0.01346激光器扫描频率为1kHz，扫描范围为7182cm1~7187cm1，采样率为10M/s，根据工程经验，激光器噪声水平设为扫描平均强度的1%，预设环境参数分别为：压强P=1atm，组分浓度3%，有效光程L=100cm，温度T=296K，激光器出光强度和频率随时间的变化如图3所示。在单个扫描周期内，根据时序出光强度变大而频率减小，重复扫描吸收谱线获得完整吸收，根据所选扫描范围，包含两条水汽吸收谱线，当以吸收后的光强直接作为拟合对象时，拟合结果如图4所示，绝对残差数量级为1016，满足设置的收敛条件。直接吸收技术在实际应用时，难以实时获取无吸收光强，以光强为目标的拟合依赖于精确的光强-时间响应。对吸收光强信号根据公式（1）处理得到吸光度，以吸光度为目标函数拟合，其结果如图5图2吸收信息传递过程Fig.2Theschematicdiagramofabsorptioninformationtransmissionprocess图3光强及频率的时间响应Fig.3Thetimeresponseoflightintensityandfrequency
【参考文献】：
期刊论文
[1]二极管激光腔衰荡光谱技术测量大气NO2[J]. 胡仁志,王丹,谢品华,陈浩,凌六一. 光学学报. 2016(02)
[2]基于TDLAS的长光程环境大气痕量CO监测方法研究[J]. 姚路,刘文清,刘建国,阚瑞峰,许振宇,阮俊,戴云海. 中国激光. 2015(02)
[3]基于可调谐半导体激光吸收光谱的大气水汽检测方法研究[J]. 许振宇,刘文清,阚瑞峰,张玉钧,张帅,束小文,何莹,张亮,汤媛媛. 大气与环境光学学报. 2011(02)
本文编号：3539872
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