一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置
专利汇可以提供一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置，根据高 分辨率 气体分子吸收 光谱 数据库 、 二极管 激光器 的光强调制系数和 频率 调制系数等参数快速拟合出某一浓度气体的归一化各次谐波 信号 ，并与实测信号的扣除背景后归一化各次谐波信号进行最小方差拟合。当拟合方差小于设定 阈值 ，则可认为该拟合浓度即为实测气体浓度，从而实现对气体浓度的测量。本发明可大大降低计算量；且利于 嵌入式系统 实现，促进仪器的小型化，数字化。，下面是一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置专利的具体信息内容。
1.一种基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过DFB二极管激光器温度控制模块设定DFB二极管激光器的工作温度；
(2)通过DFB二极管激光器电流驱动模块设定DFB二极管激光器工作的中心电流以确保DFB二极管激光器静态工作点的原始入射光信号频率在吸收谱线中心附近；
(3)计算机控制DAC模块产生初始信号，并将初始信号传递至DFB二极管激光器电流驱动模块，经转换后形成注入电流注入二极管激光器，DFB二极管激光器受注入电流的调制发射激光；
(4)通过标准具，经光电探测器和ADC模块获得DFB二极管激光器发光频率与时间的函数关系，记为υ(t)；
(5)在待测气体未通入气体吸收池的情况下，光电探测器采集原始入射光强信号；
(6)将待测气体通入气体吸收池中，光电探测器采集透射光强信号，并将透射光强信号输入计算机，计算机对函数υ(t)、原始入射光强信号及透射光强信号进行处理得到待测气体浓度；
所述步骤(6)中计算机对信号进行处理的步骤包括：
(61)通过对υ(t)进行级数展开与傅里叶分解推导从而得到归一化线型函数φ(υ(t))各次谐波分量系数φn以及φ(υ(t))的平方g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))各次谐波分量系数gn；
(62)通过对原始入射光强拟合，确定原始入射光强信号以及频率随时间变化的傅里叶级数展开；
(63)采集透射光强信号，获取透射光强信号和扣除背景后的归一化二次谐波S2f/1f；
(64)设定初始迭代浓度参数为X0，X0与φn和gn运算即可得到仿真归一化二次谐波R2f/1f；设定一个阈值，采用交替迭代法改变迭代值Xn，使得S2f/1f与R2f/1f的方差小于所述阈值，此时的Xn即为待测气体浓度。
2.根据权利要求1所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中设所述初始信号为u＝uscos(ωst)+umcos(ωmt)，所述ωs、ωm、us、um分别为由计算机设定的扫描频率、调制角频率、扫描电压系数、调制电压系数；转换后形成的注入电流为i(t)＝iavg+cos(2πfmt)，所述iavg为瞬时平均电流，fm为调制频率。
3.根据权利要求2所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，υ(t)＝υavg+kvcos(2πfmt)，所述υavg为瞬时平均电压，kv为光强调制系数。
4.根据权利要求1所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，步骤(61)中将υ(t)代入到归一化线型函数中得到φ(υ(t))；由于归一化线型函数为偶函数，故将φ(υ(t))展开成傅里叶级数：
通过对υ(t)进行级数展开与傅里叶分解推导从而得到归一化线型函数φ(υ(t))各次谐波分量系数φn以及φ(υ(t))的平方g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))各次谐波分量系数gn；
式中，φn分别为φ(υ(t))的n次谐波的分量系数，φn分别通过相敏解调求解：
φn＝(2-δn0)conv(φ(υ(t))*cos(2πnfmt),lps_coefficient)
式中，conv表示卷积运算；lps_coefficient为低通滤波器；n＝0时，δn0为1；n>0时，δn0为
0；
由于φ(υ(t))为fm周期函数，设g(υ(t))＝φ(υ(t))·φ(υ(t))也为fm周期函数，将g(υ(t))展开成傅里叶级数如下：
其中，g(υ(t))的各次谐波分量系数gn为：
式中 φ0为直流分
量系数，φk为第k次谐波的分量系数，φn+k为第n+k次谐波的分量系数，φn-k为第n-k次谐波的分量系数。
5.根据权利要求1所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，步骤(64)中归一化二次谐波信号R2f/1f的获取包括：
设原始入射光强信号为I0(t)＝Iavg+kIcos(2πfmt)，其中，Iavg为信号的未调制时的信号输出光强，kI为光强调制幅值；则由比尔-朗伯定律得到透射光强信号为：
式中，P为气体总压，X为待测气体浓度，L为有效光程长，S(T)为线强，所述线强可通过查找HITRAN数据库获取；设A＝PLS(T)；可以将It展开成幂级数：
当PXLS(T)φ(υ)小于0.1时，
综上所述，
又因为I0(t)
＝Iavg+kIcos(2πfmt)，故It＝I0exp(-PXLS(T)φ(υ))各次谐波系数分别为式中除浓度X为未知数，其他参量均可在测量之前测得，归一化二次谐波信号R2f/1f为：
6.根据权利要求1所述的基于级数展开的气体浓度测量方法，其特征在于，步骤(63)中扣除背景后的归一化二次谐波S2f/1f的获取包括：对采集的透射光强信号进行平均滤波，经过数字锁相分别提取一次谐波分量和二次谐波分量，并进行扣除背景后归一化得到S2f/1f信号。
一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置
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具体实施方式
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