结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法
【专利摘要】本发明属于气体检测领域，具体是一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法。一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，由采用基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置采集数据的方法以及对采集到的数据采用卡尔曼滤波器进行分析的方法组成；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置包括一个激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器，声光调制器的出射光路上顺次设有耦合透镜以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔，光学腔的出射光路上设有第一光电探测器。本发明结合了卡尔曼滤波器，对腔衰荡信号进行后续处理，从而减小了系统误差，提高了腔衰荡光谱的准确度。
【专利说明】结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于气体检测领域，具体是一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法。
【背景技术】[0002]气体检测技术作为一种发展长久的技术，广泛应用于生产生活之中。随着人们对大气环境质量的关切日益增加，对空气污染物，尤其是PM2.5的检测越发的重要。在工业中，对原料气体以及生成气体的检测与控制可以大大提高生产效率，减小经济成本，如在火力发电厂中对NO2的检测。在农业中，通过测量大棚中的CO2含量可以获知农作物生长状况，从而控制不同肥料的添加。常见的气体检测方式有传统的化学检测法和新型的光谱技术检测法。传统的化学检测法常常需要对气体进行取样，实验室分析，不能实时反映气体浓度变化。而新型的光谱技术检测法由于其具有实时、在线、高灵敏度等优点得到广泛认可。光谱技术检测法是基于气体分子对特定频率激光的吸收，根据光强的衰减情况演化得到气体浓度，这种方法不会对气体成分形成破坏。常见的光谱检测法包括直接吸收光谱技术、波长调制光谱技术、频率调制光谱技术、腔增强光谱技术、腔衰荡光谱技术等。其中直接吸收光谱技术与波长调制光谱技术已经大量应用于生产中。但这两种光谱技术都存在光程不长，灵敏度相对较低，受外界因素影响大，需要标气进行校准等缺点。而光腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)是一种近些年发展迅速的高灵敏直接吸收光谱技术，它是通过测量腔内光场的衰荡时间来获得吸收介质浓度的。由于该技术测量的是信号的时间行为，所以不受激光强度起伏的影响。CRDS技术所采用的光学腔精细度很高，腔内的有效吸收路径可以很长(~km)，相当于多通道池技术的效果，而且这种技术的光学装置相对简单。CRDS的探测灵敏度与光声光谱(PAS)及腔内吸收光谱(ICLAS)相当，能够达到10_7，使得该技术很快应用到了社会生产生活中。
[0003]CRDS的思想是在测量不断提高镜面反射率精度的过程中诞生的，最初在1980年，Herberlin使用光学腔相移技术来测量镜片的反射率。1984年Anderson通过激光强度的指数衰减测量镜片的反射率，可测量的镜面反射率达到99.99%。到1988年O’ Keefe和Deacon首次阐述了 CRDS的基本操作原理，并使用脉冲激光器对氧气分子可见光区域的吸收线进行了探测，最小探测吸收精度达到lppm，但是测量得到的光谱分辨率很低，这是由于脉冲激光器频率稳定性较差，频率的线宽大于腔的自由光谱区。而到了 1996年D.Romanini提出基于连续激光器CRDS (CW-CRDS)，并对乙炔(HCCH)在570nm附近的吸收线进行了探测，噪声等效吸收达到10_9/cm，由于连续激光器的高重复率、高光谱精度和较好的信噪比，使得CRDS的应用前景扩展到很大的空间。
[0004]腔衰荡光谱技术原理如图1所示，当初始光强为Itl的激光束进入光学腔，由于腔镜散射、透射以及腔内介质吸收，将在光学腔后检测到随指数衰减的光:
[0005]
【权利要求】
1.一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，其特征在于，由采用基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置采集数据的方法以及对采集到的数据采用卡尔曼滤波器进行分析的方法组成；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置包括一个激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器(3)，声光调制器(3)的出射光路上顺次设有耦合透镜(4)以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔(5)，所述光学腔(5)位于光路上的两端均为高反镜且两个高反镜的反射面相对，其中一个高反镜固定在压电陶瓷上，压电陶瓷顺次连接有一个高压放大器(8)和函数发生器(9);光学腔(5)的出射光路上设有第一光电探测器(6),第一光电探测器(6)的信号输出端分为两路,一路连接有计算机(15)，另一路通过一个阈值电路(7)与声光调制器(3)的信号输入端相连接；所述阈值电路(7)包括一个定时器以及一个比较器；所述比较器的同向输入端与第一光电探测器(6)的信号输出端相连接，比较器的反向输入端连接有一个电位器R5，比较器的信号输出端与定时器的第六管脚相连接；所述定时器的第三管脚与声光调制器(3)的信号输入端相连接；比较器的第七管脚以及定时器的第八管脚均与外部电源相连接；定时器的第三管脚还通过电阻R3连接有电容C2，定时器的第二管脚与电容C2相连接；电容C2的另一端接地；定时器的第四管脚与外部电源相连接，定时器的第七管脚通过电阻Rl与外部电源相连接；定时器的第一管脚接地；所述比较器的第四管脚接地，定时器的第六管脚通过电阻R2接地；电位器R5的一端接地，另一端通过电阻R4与外部电源相连接；电位器R5两端并联有稳压管Dl ;所述定时器采用LM555CN，比较器采用TLV3501 ;所述计算机(15)在内设的基于Iabview平台的CRDS采集及拟合程序软件的支持下，采用卡尔曼滤波器分析方法对由上述装置采集并得到的气体浓度数据进行分析，进而得出优化后待测气体的浓度；所述卡尔曼滤波器分析方法包括以下步骤: 设k时刻真实的气体浓度为Ck，浓度的变化为Wlri，则k+Ι时刻的浓度值可表示为:
Ck = Ck-1+Wk-1 通过实验系统测量得到浓度值为Zk，测量误差为vk，则有:
zk = Ck+Vk 其中，Wk和Vk为高斯白噪声，二者方差分别为Ow2和Ov2; 卡尔曼滤波过程是一个递归过程，包括5个公式: 预测过程: 在k-Ι时刻估计k时刻的值，浓度不会发生突变，则假设k时刻的浓度值等于k-Ι时刻得到的最佳估计值:
Cklk-1 — Ck-! IJ5-! 计算先验误差，先验误差用来表征使用k-Ι时刻值估算k时刻值的估计误差，它等于k-Ι时刻的后验误差加浓度C的变化方差:
2.如权利要求1所述的结合卡尔曼滤波器的基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测方法，其特征在于，所述激光发射装置包括一个半导体激光器(I)以及用于驱动半导体激光器(I)的激光控制器(14);所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置还包括位于半导体激光器(I)的出射端的光纤分束器(2),光纤分束器2将出射激光分为两路,一路通过光纤与声光调制器(3)相连接，另一路通过光纤将激光输入至一个内部充有与待测气体成分相同的标气池(10);标气池(10)的出射光路上设有第二光电探测器(11),第二光电探测器(11)的信号输出端顺次连接有一个内部设有函数发生器的锁相放大器(12)和PID控制器(13);所述锁相放大器(12)的同步信号输出端与激光控制器(14)的信号输入端相连接；PID控制器(13)的信号输出端与激光控制器(14)的信号输入端相连接。
3.如权利要求1或2所述的结合卡尔曼滤波器的基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测方法，其特征在于，所述光学腔(5)内的高反镜采用一对反射率都为99.95%的平面镜与凹面镜，其中凹面镜固定在压电陶瓷上。
4.如权利要求1或2所述的结合卡尔曼滤波器的基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测方法，其特征在于，所述光纤分束器(2)采用1:99的光纤分束器。
5.如权利要求3所述的结合卡尔曼滤波器的基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测方法，其特征在于，光纤分束器(2)采用1:99的光纤分束器。
【文档编号】G01N21/39GK103884679SQ201410156271
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】赵刚, 马维光, 李志新, 谭巍, 尹王保, 贾锁堂 申请人:山西大学