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调谐激光吸收光谱频率特征分析方法研究

调谐激光吸收光谱频率特征分析方法研究

作者：于永波河北工业大学

学位级别：硕士

调谐激光吸收光谱技术因实时性好、精度高、无需采样等优点在气体检测领域得到广泛应用。信号频率结构包含信息较多,从谱线频率特征出发,优化系统检测参数,可提高吸收光谱质量,从而提高气体组分识别、气体压强检测时的精度。针对检测参... 详细信息

调谐激光吸收光谱技术因实时性好、精度高、无需采样等优点在气体检测领域得到广泛应用。信号频率结构包含信息较多,从谱线频率特征出发,优化系统检测参数,可提高吸收光谱质量,从而提高气体组分识别、气体压强检测时的精度。针对检测参数之间的联系、组分识别精度和多个吸收峰的压强检测问题,本文从频域角度分析,主要进行检测参数优化、气体组分识别、气体压强检测方面的研究:基于频率分析的检测参数优化。实验获得气体频谱曲线,选择Savitzky-Golay平滑滤波器对信号滤波,依据滤波时处理的采样点数与滤波效果选择阶数和窗宽两个滤波参数;分析不同时间常数的最佳扫描频率;计算不同浓度各个周期信号的信噪比、均方根误差、频域幅度之比,依据三个曲线变化趋势获得最佳采样周期数;分析不同时间常数下信号的截止频率,根据谱线是否失真和滤波效果选择时间常数。综合分析检测参数对谱线的共同影响,总结检测参数的选取方法。基于时频分析的混合气体组分识别。获得系统检测参数优化后气体的二次谐波信号的时频特征矩阵,通过对待测气体与混合气体的时频特征矩阵进行列相关性分析,获得特征吸收位置。在特征吸收位置处进行行相关性分析,将相关系数与已知识别阈值比较,完成混合气体组分识别。分别计算特征吸收位置获得前后实测气体的浓度,测量精度提高了43.75%。此方法与在整个光谱区间进行相关性分析相比,降低非特征吸收位置处的干扰,提高了识别准确性与浓度计算的精确性。基于频率分析的气体压强检测技术。将时频特征矩阵与压强检测结合,利用主成分分析法对不同仿真压强下导数光谱的时频特征矩阵降维,依据累计贡献率选择第一主成分,分析不同压强下第一主成分曲线的变化特点,建立压强与小波尺度的三阶拟合数学模型。通过实测数据的分析可得,随着检测气体吸收峰增加,此模型的三阶拟合度提高,根据三个吸收峰的数学模型计算压强,实际压强和计算压强相对误差平均值大小为7.80%,验证了该数学模型的正确性。实验结果表明,综合分析系统检测参数可提高吸收光谱质量,从而提高气体检测应用时的测量准确度。本文提出的气体频域特征分析方法,对气体检测的应用有重要意义。

关键词：调谐激光吸收光谱频域分析检测参数优化气体组分识别气体压强检测

参数优化的Kalman滤波用于激光吸收光谱气体测量

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光学学报 2022年第18期42卷 199-206页

作者：李金义杨雪张宸阁薛夫振杨晓涛天津工业大学控制科学与工程学院天津市电气装备智能控制重点实验室天津300387 国家管网集团东部原油储运有限公司江苏徐州221008 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院黑龙江哈尔滨150001

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术在测量过程中不可避免地会受到光学条纹、探测器噪声和电路噪声等干扰,导致输出结果波动较大。使用Kalman滤波器对测量结果进行后处理可有效提高TDLAS系统的测量精度和抗干扰能力。重点对Kalman滤... 详细信息

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术在测量过程中不可避免地会受到光学条纹、探测器噪声和电路噪声等干扰,导致输出结果波动较大。使用Kalman滤波器对测量结果进行后处理可有效提高TDLAS系统的测量精度和抗干扰能力。重点对Kalman滤波算法中的测量噪声协方差σ_(V)^(2)与过程激励噪声协方差σ_(W)^(2)的比值g进行了研究。从滤波器输出结果的波动和输出响应时间两个维度入手,通过赋予二者不同的权重得到滤波器的综合效果评价指标R,综合研究了R-g关系,得出了最佳g值为27。同时,仿真验证了Kalman滤波比平滑滤波和扩张状态滤波在抗干扰和稳定性方面的优势。将参数优化后的Kalman滤波器用于TDLAS逃逸氨检测中,体积分数为4.7×10^(-6)的NH_(3)的浓度、体积分数为10^(8)×10^(-6)的NH_(3)的浓度、H_(2)O的浓度、温度的测量精度分别提高了3.54、3.48、3.00、2.80倍。

关键词：光谱学调谐激光吸收光谱 Kalman滤波测量精度参数优化

基于高斯/洛伦兹线型拟合比的谐波检测压强反演研究(特邀)

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红外与激光工程 2023年第8期52卷 159-166页

作者：高楠于永波杜振辉李金义孟召宗张宗华河北工业大学机械工程学院天津300130 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387

调谐激光吸收光谱(TLAS)技术具有非接触、抗干扰、高灵敏度等优势,可对气体进行浓度、温度、压强的测量。目前已有的压强检测模型中多以谱线的有限特征点进行提取与计算,存在易受干扰、测量误差较大的问题,因而有必要建立新的抗干扰、... 详细信息

调谐激光吸收光谱(TLAS)技术具有非接触、抗干扰、高灵敏度等优势,可对气体进行浓度、温度、压强的测量。目前已有的压强检测模型中多以谱线的有限特征点进行提取与计算,存在易受干扰、测量误差较大的问题,因而有必要建立新的抗干扰、稳定性强的压强检测模型。针对此问题,文中根据吸收线宽的气体压力测量方法,提出了低压与高压范围内压强与谱线线型拟合函数的数学模型。结合谱线展宽原理,对不同压强下的二次谐波吸收线进行仿真研究。通过改变Gauss线型函数和Lorentz线型函数的半高宽比例关系模拟压强变化,分析信号拟合度的变化趋势,仿真结果表明,在理想情况以及激光器线宽、白噪声、背景干扰影响下,Gauss/Lorentz线型拟合度之比与压强之间存在三阶拟合关系,拟合度均保持在0.9980以上,且与传统模型相比在动态噪声和背景干扰下具有更好的稳定性。最后对CO_(2)气体1580 nm位置的实测信号进行处理,实验结果表明,实际检测谱线Gauss/Lorentz线型拟合度之比与压强之间的三阶拟合度为0.9863,略低于仿真的拟合度0.9987,符合仿真分析结果。文中提出的方法可以根据吸收谱线的拟合比曲线反演气体压强,为气体压强检测提供了解决方案。

关键词：调谐激光吸收光谱谱线展宽曲线拟合压强检测

一种基于TDLAS的高分辨率二维温度场重建算法及数值仿真

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实验流体力学 2014年第3期28卷 63-71页

作者：李金义朱可柯杜振辉周涛姚宏宝天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 天津津航技术物理研究所天津300308

发展了一种基于TDLAS正交光路的二维燃烧场温度重建算法,为了评价该重建方法,数值仿真了2 N(N≥3)条视线(Light-of-sight,LOS)测量路径呈N×N均匀排布时对两种不同的温度场的二维重建结果,并定义了最大偏差和平均偏差两个物理量来描述N... 详细信息

发展了一种基于TDLAS正交光路的二维燃烧场温度重建算法,为了评价该重建方法,数值仿真了2 N(N≥3)条视线(Light-of-sight,LOS)测量路径呈N×N均匀排布时对两种不同的温度场的二维重建结果,并定义了最大偏差和平均偏差两个物理量来描述N值对重建结果的影响。结果表明,对于对称的单峰非均匀温度场,重建的温度场最大偏差在50K(2.5%)以内,最大偏差随N的奇偶而波动,其总体趋势随N增大而减小;平均偏差随着N的增大而减小,N≥9时最大偏差和平均偏差的改善均已不明显;对于双峰温度场,用该方法二维重建的结果最大偏差超过350K(15.2%),平均偏差大于0.03,并出现严重失真,此时可通过额外布置斜穿待测场的测量路径来改善测量结果。研究结果对实际的二维测量系统的搭建和应用有指导意义。

关键词：二维温度场重建调谐激光吸收光谱正交光路数值仿真