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原文传递一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法

专利名称：	一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法
摘要：	一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术领域。该方法采用正弦波调制可调谐半导体激光器输出波长，通过对透射光强进行快速傅里叶变换，提取蕴含吸收信息的特征频谱重构透射光强，可有效消除颗粒物、光强波动等其他频率噪声信号干扰；结合中间变量η建立激光光强与波长之间的关系，以η为自变量对重构得到的透射光强进行拟合，实现入射光强与气体吸收率同步在线测量。该方法操作简便，应用范围广，解决了直接吸收法基线拟合不确定度大、波长调制法无法准确测量吸收率的问题，有效地提高了气体吸收率测量精度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	清华大学
发明人：	彭志敏;杜艳君;丁艳军
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-15T00:00:00+0800
发布日期：	2019-04-30T00:00:00+0800
申请号：	CN201910036652.3
公开号：	CN109696415A
代理机构：	北京鸿元知识产权代理有限公司
代理人：	邸更岩
分类号：	G01N21/39(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100084 北京市海淀区100084信箱82分箱清华大学专利办公室
主权项：	1.一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法，其特征是该方法包括如下步骤： 1)通过信号发生器(1)产生频率为ω的正弦信号，输入给激光控制器(2)，用以调制激光控制器(2)的输出电流，进而调制可调谐半导体激光器(3)输出激光的波长在待测谱线中心v0附近； 2)将可调谐半导体激光器(3)产生的激光通过光纤分束器(4)分为两路，一路经过准直后穿过气室(5)，通过第一光电探测器(6)接收透射光强；另一路激光射入干涉仪(7)，通过第二光电探测器(8)探测干涉仪的出射光强，通过采集卡(9)采集第一和第二光电探测器光信号，并将其转换为电信号传入计算机(10)； 3)令可调谐半导体激光器(3)输出激光瞬时波长为：式中t为探测时间序列，f为调制频率，为激光中心波长，a1、a2、a3分别为线性和非线性波长调制幅值，为基倍频初始相位角、和为二倍频和三倍频相位角； 4)令入射到气室(5)前的瞬时入射光强为：式中为光强平均值，i1为线性光强调制幅度，i2和i3分别为二倍频和三倍频幅度，θ1为光强与频率调制基频相位差，θ2和θ3分别为光强与频率调制二倍频和三倍频相位差； 5)定义中间变量将其代入公式(I)，得到激光波长与中间变量η的关系：其中，v(η)是以η为自变量的激光波长，“±”分别代表频率上升和下降沿； 6)将η代入到公式(II)中，利用下式得到入射光强与中间变量η的关系：其中，I0(η)是以η为自变量的入射光强，B1＝i1cosθ1-3i3cosθ3,B2＝2i2cosθ2,B3＝4i3cosθ3,B4＝i1sinθ1-i3sinθ3,B5＝2i2sinθ2,B6＝4i3cosθ3； 7)穿过气室(5)的瞬时透射光强展开为傅里叶级数形式：其中，R0为直流项振幅，Rk和ψk为透射光强的k次谐波振幅和初始相位角；将η代入到公式(V)中，得到透射光强与中间变量η的关系：其中，It(η)为以η为自变量的透射光强； 8)对第二光电探测器(8)接收到的瞬时透射光强进行快速傅里叶变换，得到各频率处的谐波振幅和初始相位角，提取直流项振幅R0和kf频率处的谐波振幅Rk和初始相位角ψk，其中k＝1,2…，将R0、Rk和ψk代入到公式(VI)中，令η在[-1,1]范围内均匀变化取值，即可重构出透射光强； 9)根据比尔-兰伯特定律，穿过气室(5)的以η为自变量的透射光强与以η为自变量入射光强之间满足关系：其中，α(v)为待测气体吸收率，A为积分面积，为待测谱线线型函数； 10)将公式(III)和(IV)代入公式(VII)中，通过该关系式对步骤8)中重构出的透射光强以η为自变量进行拟合，得到以η为自变量的入射光强I0(η)、积分面积A、待测谱线高斯线宽γD、洛伦兹线宽γL及迪克收敛系数β； 11)将待测谱线高斯线宽γD、洛伦兹线宽γL及迪克收敛系数β代入相应谱线线性函数中，计算待测谱线线型函数结合步骤10)中所得积分面积A，利用公式计算出待测气体吸收率α(v)。 2.根据权利要求1所述的一种基于快速傅里叶变换的气体吸收率在线测量方法，其特征是：所述的待测谱线线型函数选用高斯、洛伦兹、福伊特、Rautian或Galatry函数。
所属类别：	发明专利