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免標定調制光譜測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明基于可調諧二極管激光吸收光譜，采用適應惡劣環境的波長調制技術，建立了一種免標定調制光譜測量的軟件系統，該測量系統包含數字鎖相信號解調模塊、調制光譜仿真模塊和測量參數提取模塊，共14個子模塊。其具體功能是，利用數字鎖相算法對光電信號解調得到其諧波信號；通過準確的理論計算得到諧波信號的仿真數據庫；結合諧波信號和仿真數據庫提取流場速度、溫度和組分濃度。
【專利說明】免標定調制光譜測量系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學測量【技術領域】，涉及信號處理與數值仿真等方法，提供針對氣相分子的吸收光譜測量開發的通用、可靠測量系統。
【背景技術】
[0002]光學測量技術在科研實驗、環境監測和燃燒場診斷等領域獲得了越來越廣泛的應用。吸收光譜在理論上需要同時測量吸收前和吸收后的光強信息才能獲得分子的吸收信息。在實際應用中，往往采用參考光束或函數擬合等方法確定吸收前的光強，即光譜基線。這些方法難以獲得準確的光譜基線信息。此外，調制方法雖然能明顯的提高測量信號的信噪比，但是調制光譜的信號強度與調制深度、譜線線型和強度調制等多方面的因素相關，因此調制光譜的定量測量也一直存在困難。
[0003]美國斯坦福大學K.H.Lyle, R.K.Hanson等人，曾利用調制光譜來增強航空發動機進氣道氧氣吸收光譜測量的信噪比。由于未在理論上解決調制光譜強度與線型函數間的定量對應關系，此處僅用光譜峰的中心位置來測量速度，濃度的測量則是通過直接吸收光譜實現的。此后，G.B.Rieker從理論上分析了波長調制光譜測量的原理，給出了諧波信號的表達式，著重分析了測量可能的誤差來源。研究顯示利用If信號歸一化2f信號之后，借助準確的理論仿真可實現任意壓力、濃度和溫度條件下的測量。驗證了水分子和二氧化碳濃度和燃燒場溫度的測量結果，顯示波長調制光譜較之直接吸收光譜信噪比提高約4倍。該文獻并未提出詳細的實現方法，僅討論了調制光譜測量的可行性。
[0004]南京理工大學李寧等人，采用仿真的方法得到諧波信號理論值，利用二次諧波峰谷比來消除初始光強和探測器增益對信號強度的影響。因為波峰和波谷在時間上不是同時出現的，當測量過程中初始光強波動時，波峰、波谷對應的初始光強不相同，不能消除其對信號的影響。另外，該方法必需掃描得到完整的諧波信號才能提取波峰和波谷信息，對于譜線加寬嚴重或者出現重疊時，往往難以實現。清華大學熱能工程系車璐等人，研究了利用奇數次諧波信號重建吸收譜線型。通過對吸收線型進行傅里葉級數和泰勒級數分析，得到線型函數與奇數次諧波的關系，并在實驗室條件下驗證了氨氣的濃度測量。該方法中，諧波信號的強度仍與初始光強相關。初始光強雖然可以預先測量，但是在干擾嚴重的環境下，諸多非吸收因素導致的衰減致使初始光強在測量過程中出現明顯的變化，此時測量結果將出現嚴重的偏差。因此該方法并未真正實現免標定測量，只能在實驗室條件下應用。
[0005]本發明基于可調諧半導體激光吸收光譜(tunable diode laser absorptionspectroscopy，TDLAS)技術，提供一種免標定調制光譜測量系統，不僅利用了調制光譜的優勢，而且從理論上解決了光譜基線提取的問題，可實現真正意義上的免標定測量。

【發明內容】

[0006]本發明提供了一種免標定調制光譜測量系統，實現基于可調諧半導體激光吸收光譜技術的真正意義上的免標定測量。其特征在于:[0007](I)數字鎖相信號解調模塊包括測量信號采集子模塊、解調信號生成子模塊、濾波參數輸入子模塊、數字混頻計算子模塊、低通濾波器生成子模塊、低通濾波運算子模塊；其中，測量信號采集子模塊，通過數據采集設備讀取探測光電信號、采樣率和數據長度L ；解調信號生成子模塊，根據調制頻率f、采樣率和數據長度L，生成解調用的參考信號，包括一倍頻正弦和余弦信號，以及二倍頻正弦和余弦信號；濾波參數輸入子模塊，用于創建用戶與程序的交互接口，通過鍵盤輸入濾波器的低通截止頻率和濾波階次；數字混頻計算子模塊，將一倍頻正弦、余弦信號和二倍頻正弦、余弦信號分別與載波信號相乘，得到四路混頻信號；低通濾波器生成子模塊，根據采用頻率、低通截止頻率和濾波階次，創建低通濾波算法；低通濾波運算子模塊，將得到的四路混頻信號分別經過數字濾波器運算，得到一次諧波信號的X分量(Xlf)和Y分量(Ylf)，以及二次諧波的X分量(X2f)和Y分量(Y2f)，并分別計算R量；
[0008](2)調制光譜仿真模塊包括激光參數輸入子模塊、譜線參數輸入子模塊、線型函數計算子模塊、諧波信號計算子模塊、仿真數據庫構建子模塊；其中，激光參數輸入子模塊，通過鍵盤輸入或讀取數據文件，為諧波信號仿真計算提供激光參數；譜線參數輸入子模塊，通過鍵盤輸入或讀取數據文件，為諧波信號仿真計算提供譜線參數；線型函數計算子模塊，對輸入的譜線參數進行數值積分計算，得到線型函數；諧波信號計算子模塊，利用輸入的激光參數和計算得到的線型函數，計算諧波信號；仿真數據庫構建子模塊，通過計算不同的激光參數和譜線參數對應的諧波信號，得到仿真數據庫；
[0009](3)測量參數提取模塊包括速度計算子模塊、信號高度提取子模塊、溫度、濃度求解子模塊；其中，速度計算子模塊，用于提取諧波信號的多普勒頻移量并計算流場速度；信號高度提取子模塊，通過提取諧波信號的最大值來獲得諧波信號的高度值；溫度、濃度求解子模塊，通過迭代算法用仿真諧波信號的高度值和實驗諧波信號的高度值，求解流場的溫度和濃度。
[0010]本發明利用獨特的數據處理方法和準確的數值仿真，解決了調制光譜定量測量的問題。由于算法功能齊全，簡化了測量硬件的需求，具有如下優點:
[0011](I)數字鎖相信號解調部分不僅替代了鎖相放大器，而且拓展了其功能。數字鎖相算法實現了載波與參考信號混頻和低通濾波等鎖相放大器的全部功能，還有硬件不能實現的功能。數字鎖相算法不受調制頻率的限制，原則上可以實現任意頻率的信號解調；算法可以無限制的擴展通道數量，解調更高階次的諧波信號。同時利用零相位數字濾波器算法解決了低通濾波帶來的相位延遲問題。
[0012](2)實現了波長調制光譜的免標定測量。調制光譜仿真部分，利用一次諧波歸信號一化二次諧波信號，消除初始光強對諧波信號強度的影響，在原理上實現了免標定測量。該部分從吸收光譜的基本方程出發，通過準確的理論模型計算得到諧波信號，為實驗測量提供對比值。
[0013](3)創建了一種獨特的算法，解決三維空間搜索解的問題。通過迭代來求解溫度、濃度與諧波信號高度比之間的對應關系，降低了仿真計算量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的免標定調制光譜測量系統的模塊組成框圖；[0015]圖2為本發明的線型函數和諧波信號仿真示意圖；
[0016]圖3為本發明的諧波信號及高度比與溫度的關系示意圖；
[0017]圖4為本發明的諧波信號多普勒頻移提取算法示意圖；
[0018]圖5為本發明的溫度、濃度迭代求解算法流程圖。
具體實施方案
[0019]結合附圖和實施案例對本發明的免標定調制光譜測量系統作進一步詳細描述。圖1給出了本發明的程序模塊組成框圖。
[0020]本發明的測量系統總體分為三個模塊，即數字鎖相信號解調模塊、調制光譜仿真模塊和測量參數提取模塊。每個模塊具有相對獨立的功能和兼容的輸入輸出接口，方便調用和移植。
[0021]本發明免標定調制光譜測量系統，實施步驟如下:
[0022]步驟一、建立軟件平臺
[0023]所述測量系統基于LabVIEW軟件平臺開發，實現信號采集、處理，仿真建模、圖像處理等功能。第一步是在計算機上安裝LabVIEW8.5以上的版本。
[0024]步驟二、任務模塊分配
[0025]所述的測量方法包含三個模塊，即數字鎖相信號解調、調制光譜仿真和測量參數提取。共分為14個子模塊:測量信號采集子模塊(1)，解調信號生成子模塊(2)，濾波參數輸入子模塊(3)，數字混頻計算子模塊(4)，低通濾波器生成子模塊(5)，低通濾波運算子模塊(6)，激光參數輸入子模塊(7)，譜線參數輸入子模塊(8)，線型函數計算子模塊(9)，諧波信號計算子模塊(10)，仿真數據庫構建子模塊(11 )，速度計算子模塊(12)，信號高度提取子模塊(13)，溫度、濃度求解子模塊(14)。將所有子模塊按照其邏輯關系組合，即得到免標定調制光譜測量系統。
[0026]步驟三、各子模塊開發
[0027]對免標定調制光譜測量系統的各子模塊獨立開發，邏輯上相連的模塊采用統一的數據輸入輸出格式，各模塊實施方案如下:
[0028]①、測量信號采集(I)
[0029]測量信號采集子模塊，由數據采集設備(如數據采集卡)讀取探測光電信號、采樣率4和數據長度L。探測光電信號是經過調制的高頻載波信號，包含了被測流場的信息。采樣率和數據長度L傳遞至解調信號生成子模塊(2)。為了節省數據流量和存儲空間，原始載波信號可根據采集卡的模擬數字轉換(ADC)位數采用整形格式。例如，數據采集卡采用N1-PCI6115，ADC為12位，滿量程設定為±1V。數據可采用12或16 (16位較為通用)位帶符號整形格式，數據中整數+2047 (2n-l)代表信號為IV。軟件默認實數為64為雙精度格式，采用16為整形格式可節省3/4的存儲空間。該模塊的數據輸入包括采樣率和數據長度L，數據輸出包括采樣率、數據長度L和載波信號。
[0030]②、解調信號生成(2)
[0031]該子模塊根據調制頻率f、采樣率和數據長度L，生成解調用的參考信號，包括一倍頻正弦和余弦信號，以及二倍頻正弦和余弦信號。參考信號的采樣率和數據長度與探測信號相同，信號頻率等于調制頻率。該模塊的數據輸入包括采樣率、數據長度L和調制頻率f，數據輸出包括四個一維數組。
[0032]③、濾波參數輸入(3)
[0033]該模塊的功能在于創建用戶與程序的交互接口，通過鍵盤輸入濾波器的低通截止頻率和濾波階次。將該模塊與低通濾波器生成模塊分開，是為了方便后者的移植。
[0034]④、數字混頻計算(4)
[0035]數字混頻計算子模塊，相當于鎖相放大器中的混頻器，即將載波信號與參考信號相乘。為了求解一次諧波信號的X分量(Xlf)和Y分量(Ylf)，以及二次諧波的X分量(X2f)和Y分量(Y2f)，需要將一倍頻正弦、余弦信號和二倍頻正弦、余弦信號分別與載波信號相乘，得到四路混頻信號。由于參考信號和載波信號具有相同的采樣率和長度，故將載波信號數組與參考信號數組分別點對點相乘即可。
[0036]⑤、低通濾波器生成(5)
[0037]根據采用頻率、低通截止頻率和濾波階次，創建低通濾波算法，即低通濾波器。本方法采用巴特沃斯(Butterworth)濾波器，因為其幅度響應曲線在通帶內具有最平坦的特性，且在通帶和阻帶內幅度響應曲線是單調變化的。
[0038]⑥、低通濾波運算(6)
[0039]將得到的四路混頻信號分別經過數字濾波器運算，得到一次諧波信號的X分量(Xlf)和Y分量(Ylf)，以及二次諧波的X分量(X2f)和Y分量(Y2f)。并分別計算R量。引入采用零相位數字濾波算法，將消除諧波信號引濾波而產生的相位延遲，具體做法是將混頻信號濾波運算、反向、再次濾波運算、再次反向。
[0040]⑦、激光參數輸入(7)
[0041]該子模塊的功能是為諧波信號仿真計算提供激光參數，激光參數可以通過鍵盤輸入或讀取數據文件。輸入參數包括:歸一化強度調制幅度io、激光頻率調制深度a，以及強度調制和頻率調制間的相位延遲Ψ。這些參數由實驗預先測量得到。
[0042]⑧、譜線參數輸入(8)
[0043]該子模塊的功能是為諧波信號仿真計算提供譜線參數，譜線參數可以通過鍵盤輸入或讀取數據文件。輸入參數包括:室溫譜線強度、低態能及、譜線空氣碰撞加寬和自碰撞加寬系數和溫度指數。
[0044]⑨、線型函數計算(9)
[0045]氣相分子的吸收光譜線型函數通常以Voigt線型函數描述，Voigt線型函數是Gauss線型函數和Lorentz線型函數的卷積,沒有解析解,只能通過數值積分計算。
[0046]⑩、諧波信號計算(10)
[0047]諧波信號計算子模塊是數值仿真部分的核心，其目的是根據理論計算特定壓力、濃度、溫度條件下，某一譜線的諧波信號。諧波信號不僅與被測環境有關，還與譜線參數和激光參數有關，建立準確的理論模型，是溫度與濃度測量的基礎。
[0048]激光穿過距離為L的均勻介質時，光強隨傳播距離呈指數衰減，可由Beer-Lambert 定律表不:
【權利要求】
1.一種免標定調制光譜測量系統，包括數字鎖相信號解調模塊、調制光譜仿真模塊和測量參數提取模塊，其特征在于: (1)數字鎖相信號解調模塊包括測量信號采集子模塊、解調信號生成子模塊、濾波參數輸入子模塊、數字混頻計算子模塊、低通濾波器生成子模塊、低通濾波運算子模塊。其中， 測量信號采集子模塊，通過數據采集設備讀取探測光電信號、采樣率和數據長度L ；解調信號生成子模塊，根據調制頻率f、采樣率和數據長度L，生成解調用的參考信號，包括一倍頻正弦和余弦信號，以及二倍頻正弦和余弦信號； 濾波參數輸入子模塊，用于創建用戶與程序的交互接口，通過鍵盤輸入濾波器的低通截止頻率和濾波階次； 數字混頻計算子模塊，將一倍頻正弦、余弦信號和二倍頻正弦、余弦信號分別與載波信號相乘； 低通濾波器生成子模塊，根據采樣頻率、低通截止頻率和濾波階次，創建低通濾波算法; 低通濾波運算子模塊，將得到的四路混頻信號分別經過數字濾波器運算，得到一次諧波信號的X分量(Xlf)和Y分量(Ylf)，以及二次諧波的X分量(X2f)和Y分量(Y2f)，并分別計算R量； (2)調制光譜仿真模塊包括激光參數輸入子模塊、譜線參數輸入子模塊、線型函數計算子模塊、諧波信號計算子模塊、仿真數據庫構建子模塊。其中， 激光參數輸入子模塊，通過鍵盤輸入或讀取數據文件，為諧波信號仿真計算提供激光參數； 譜線參數輸入子模塊，通過鍵盤輸入或讀取數據文件，為諧波信號仿真計算提供譜線參數； 線型函數計算子模塊，對輸入的譜線參數進行數值積分計算，得到線型函數； 諧波信號計算子模塊，利用輸入的激光參數和計算得到的線型函數，計算諧波信號； 仿真數據庫構建子模塊，通過計算不同的激光參數和譜線參數對應的諧波信號，得到仿真數據庫； (3)測量參數提取模塊包括速度計算子模塊、信號高度提取子模塊、溫度、濃度求解子模塊。其中， 速度計算子模塊，用于提取諧波信號的多普勒頻移量并計算流場速度； 信號高度提取子模塊，通過提取諧波信號的最大值來獲得諧波信號的高度值； 溫度、濃度求解子模塊，通過迭代算法用仿真諧波信號的高度值和實驗諧波信號的高度值，求解流場的溫度和濃度。
【文檔編號】G01N21/39GK103852444SQ201410101741
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】洪延姬, 王廣宇, 潘虎, 趙文濤 申請人:中國人民解放軍裝備學院