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原文传递一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法及系统

专利名称：	一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法及系统
摘要：	本发明公开了一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法及系统，该方法确定每种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度；分别采集设定的一个目标浓度下目标气体在每个谐波联合方式中的偶次谐波分量，再获取每种谐波联合方式的谐波联合峰值并重复K次，利用执行K次后的谐波联合峰值最大值计算出谐波联合目标峰值；调整目标气体的目标浓度，并重复上述步骤直至获取到目标气体在预设的各个目标浓度下的谐波联合目标峰值；将谐波联合目标峰值、目标气体的目标浓度进行拟合得到目标气体浓度反演公式；利用目标气体浓度反演公式计算出目标气体待测浓度值。该方法挖掘了其他偶次谐波成分中蕴含的浓度信息，进一步提高了浓度反演判据的信噪比。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	中南大学
发明人：	阳春华;刘紫怀;罗旗舞;朱高峰;朱红求;桂卫华;钱灏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-29T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-23T00:00:00+0800
申请号：	CN201910458338.4
公开号：	CN110044844A
代理机构：	长沙市融智专利事务所(普通合伙)
代理人：	姚瑶
分类号：	G01N21/39(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号
主权项：	1.一种基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法，其特征在于：包括如下步骤： S1：选取谐波联合方式，并确认选取的每种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度；其中，每种谐波联合方式中至少包括两个偶次谐波分量联合，一种谐波联合方式的最佳调制度下对应的谐波联合方式的谐波联合峰值最大，获取一种谐波联合方式下的偶次谐波分量时，将正弦调制信号的调制度调整为对应最佳调制度； S2：分别采集设定的一个目标浓度下目标气体在每个谐波联合方式中的偶次谐波分量，再根据谐波联合方式获取每种谐波联合方式的谐波联合峰值，并重复步骤S2共K次；其中，每执行一次步骤S2，则从每种谐波联合方式的谐波联合峰值中选择出谐波联合峰值的最大值，并利用执行K次后的谐波联合峰值最大值计算出谐波联合目标峰值；在气室中充入目标浓度的目标气体，并使用激光器超气室发射激光得到吸收光谱信号，并将吸收光谱信号与对应谐波联合方式的正弦调制信号的倍频信号正交相乘滤波后得到谐波联合方式所需的偶次谐波分量； S3：调整目标气体的目标浓度，并重复步骤S2，直至获取到目标气体在预设的各个目标浓度下的谐波联合目标峰值； S4：将谐波联合目标峰值、目标气体的目标浓度进行线性拟合得到目标气体浓度反演公式；其中，采集待测目标气体浓度样品并执行步骤S2得到谐波联合目标峰值，再利用目标气体浓度反演公式计算出目标气体待测浓度值。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中一种谐波联合方式对应的正弦调制信号的最佳调制度的获取过程如下：获取谐波联合方式下偶次谐波的值，所述值最大时，谐波联合方式对应的谐波联合峰值最大；其中，Sn(0,m)为x＝0时的，S(x,m)函数归一化的洛伦兹线型的Fourier n阶展开式，n为偶数次，m为调制度，所述S(x,m)函数如下：其中，ω为调制频率，t为时间；然后，计算谐波联合方式下偶次谐波的值的最大极值时的调制度m，得到的调制度m为所述谐波联合方式下的最佳调制度。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：谐波联合方式为二次和四次谐波的联合，二次、四次和六次谐波的联合，二次、四次、六次和八次谐波的联合时，最佳调制度如下所示：其中，moptimal表示最佳调制度，N2+4、N2+4+6、N2+4+6+8分别表示二次和四次谐波的联合，二次、四次和六次谐波的联合，二次、四次、六次和八次谐波的谐波联合方式。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1选取的谐波联合方式包括二次和四次谐波的联合，二次、四次和六次谐波的联合，二次、四次、六次和八次谐波的联合。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中执行K次后的谐波联合峰值最大值的平均值为谐波联合目标峰值。 6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中谐波联合目标峰值、目标气体的目标浓度线性拟合方式为最小二乘法拟合。 7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法的系统，其特征在于：包括气室、激光器、光电探测器，FPGA模块，FPGA模块上设有锁相解调模块、加法器、处理模块；所述气室中充入目标浓度的目标气体，激光器发射端朝向所述气室，激光射入所述气室，激光波长位于目标气体的吸收波段；所述光电探测器用于采集气室中目标气体的吸收光谱信号；所述锁相解调模块与所述光电探测器连接，利用正交乘法器将吸收光谱信号与对应谐波联合方式的正弦调制信号的倍频信号正交，以及利用低通滤波器将正交信号进行滤波得到谐波联合方式所需的偶次谐波分量；所述加法器根据每种谐波联合方式将对应偶次谐波分量进行叠加得到每种谐波联合方式的谐波联合峰值；所述处理模块用于根据步骤S2-步骤S4得到目标气体浓度反演公式以及计算目标气体待测浓度值。 8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述FPGA模块上设有激光控制器、DDS模块；所述DDS模块将扫描锯齿波与正弦调制信号叠加并输入送激光控制器的激光二极管驱动器中；所述激光控制器与所述激光器连接，用于控制激光器发射的激光在目标气体的吸收波段。
所属类别：	发明专利