波长调制光谱中气体吸收率函数重构算法研究

Wavelength modulation spectroscopy usually use the second harmonic peak and calibration experiments to determine the gas temperature and concentration, and can not measure the gas pressure and spectroscopic constants because this technique is difficult to obtain the gas absorption shape in actual measurements. Taking into account the harmonic signals contain a wealth of information on the gas absorption shape, this study intends to reconstruct the gas absorption shape by using these harmoic signals, and thus determines the gas temperature, concentration, pressure, and spectroscopic constants according to the measured absorption shape. Firstly, we have derived the X and Y axes expressions of each harmonic based on the absorption and harmonic theories, and the relationships between the harmonic signals and gas absorption shape have been established. And then, according to the relationships between the harmonic signals, the effects of the background signal, laser intensity, and modulation index have been eliminated. Finally, a Reconstruction Algorithm used to recover the gas absorption shape has been established based on wavelength modulation spectroscopy. The Reconstruction Algorithm to be verified and optimized through numerical simulation and physical experiments. This study is expected to reconstruct the gas absorption shape accurately with wavelength modulation spectroscopy, and can measure the gas temperature, concentration, pressure, and the spectroscopic constants directly without any calibration experiments, and also broadens the scope of application of wavelength modulation spectroscopy.

由于无法获得气体吸收率函数，波长调制光谱技术一般需要通过二次谐波峰值进行复杂的标定实验来确定气体温度和浓度，且不能测量气体压力和光谱常数。本项研究利用谐波信号中丰富的气体吸收率函数信息，通过各次谐波信号重构出气体吸收率函数，进而根据气体吸收率函数直接确定气体温度、浓度、压力和光谱常数。研究通过吸收光谱理论和谐波理论推导出各次谐波X和Y轴信号的通项表达式，并根据该通项表达式建立谐波信号与气体吸收率函数的关系，利用各次谐波信号间的关系特征来消除背景信号、激光强度、调制系数等因素的影响，最终建立一种基于波长调制光谱技术的气体吸收率函数在线重构算法。重构算法拟通过数值模拟和物理实验进行验证和优化。本项研究预期可以精确重构出气体吸收率函数，使得波长调制光谱技术无需标定实验即可直接测量气体温度、浓度、压力和光谱常数，从而拓宽波长调制光谱技术的应用范围。

可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）已逐渐成为当前气体浓度在线检测技术的主要研究方向，并形成了以直接吸收法和波长调制法为主的两种主要测量方法，实现了多种环境下气体浓度的在线测量。尽管TDLAS技术取得了重要发展，当仍有诸多关键科学问题亟待解决。例如，传统的直接吸收法在测量中容易受到颗粒物浓度、激光强度波动或高压下谱线重叠等因素的影响而无法精确拟合吸收率函数。波长调制法的引入尽管推动了TDLAS技术的发展，但是到目前为止，通过波长调制法测量吸收率函数的理论和实验方法还处于探索中，还未形成一套完善的、基于波长调制法的吸收率函数在线测量方法。为此，本文在国内外研究成果的基础上，针对TDLAS技术中的关键科学问题进行了理论与实验研究，主要研究内容包括：.（1）根据吸收光谱理论、谐波理论和锁相原理，推导了各次谐波X和Y轴信号的通项表达式，研究了被检信号与参考信号之间的相位差对谐波信号的影响。.（2）基于吸收光谱理论和谐波理论提出了一种基于奇数次谐波信号的气体吸收率函数重构方法，并且证明了吸收率函数的重构精度随着采用谐波次数的增多而提高。然后以NH3分子1531nm附近特征吸收谱线为例，通过数值模拟和实验验证了上述方法重构吸收率函数的正确性和精度。.（3）通过分析一次谐波表达式的特征，建立了一种基于一次谐波信号的气体浓度在线测量方法，然后以NH3分子6529.184 cm-1特征谱线为例，利用上述方法通过数值模拟和物理实验得到了NH3的浓度。.本项研究对TDLAS技术存在的部分关键科学问题，尤其是波长调制法重构气体吸收率函数算法进行了深入地研究，建立了一种基于波长调制法的吸收率函数在线重构算法，提高了TDLAS技术在工业现场中的测量精度，同时将研究成果应用实际工业现场中，实现了氨逃逸浓度在线测量。