本發(fā)明涉及激光光譜氣體檢測，特別是一種高精度激光氣體檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（tdlas）是氣體檢測的重要技術(shù)手段，具有檢測精度高、無需校準(zhǔn)、無零漂、不受氣體氣體交叉干擾等優(yōu)點，已成熟應(yīng)用到安全、環(huán)保、工業(yè)過程、冶金、化工、電力、醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域。根據(jù)beer-lambert定律，氣體分子光譜吸收的強度與氣體濃度、吸收光程長度、氣壓、溫度相關(guān)，故目前為提升tdlas氣體檢測精度與靈敏度，常用的方法包括：選用吸收更強的譜線、增加吸收光程、噪聲抑制等。但若采用吸收更強的遠(yuǎn)紅外激光器，則成本大幅度上升；增加吸收光程對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與成本要求都更高，且光程也不能無限度增加；噪聲抑制以提升吸收光譜信號的信噪比是最根本，最靈活，最經(jīng)濟的解決方式。在tdlas系統(tǒng)中，噪聲源包括：白噪聲、激光光源波動噪聲、光干涉噪聲、光電探測噪聲、電路噪聲。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，提供一種高精度激光氣體檢測方法，本發(fā)明通過干涉信號的相位與強度規(guī)律，擬合出氣體吸收區(qū)間波段的干涉噪聲，以去除大部分干涉噪聲的影響，從而實現(xiàn)高精度的tdlas氣體濃度測量。同時結(jié)合半光程吸收信號，可成倍的擴大待測氣體的最大檢測范圍，以達(dá)到寬量程的氣體濃度測量。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是。

3、一種高精度激光氣體檢測系統(tǒng)，包括激光器、分束器、參考?xì)獬亍⒐怆娞綔y器一、參考信號處理模塊、多次反射池、測量信號處理模塊、mcu和激光器驅(qū)動模塊；所述多次反射池包括高反射凹面鏡一、高反射凹面鏡二、取樣孔、光電探測器二和光電探測器三；所述高反射凹面鏡一設(shè)置于多次反射池上端，與設(shè)置于所述多次反射池下端的高反射凹面鏡二沿中部水平位置對稱；所述高反射凹面鏡一左側(cè)、中部和右側(cè)依次設(shè)有小孔窗一、取樣孔和小孔窗二。

4、優(yōu)選的，所述激光器輸出的激光經(jīng)分束器分束為測量光和參考光；所述參考光經(jīng)參考?xì)獬貎?nèi)標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體吸收后，由光電探測器一接收并轉(zhuǎn)化為參考電信號，所述參考電信號經(jīng)參考信號處理模塊處理后獲取參考?xì)獬貎?nèi)標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體對應(yīng)的吸收峰位置，并將所述吸收峰位置輸出至mcu，由mcu反饋調(diào)控激光器驅(qū)動模塊來鎖定激光器輸出激光的中心波長。

5、優(yōu)選的，所述測量光經(jīng)小孔窗一進(jìn)入多次反射池，通過高反射凹面鏡二和高反射凹面鏡一多次反射并經(jīng)由所述多次反射池內(nèi)待測氣體的吸收后，分別通過所述高反射凹面鏡一中部半光程的取樣孔和右側(cè)全光程的小孔窗二輸出至光電探測器二和光電探測器三，經(jīng)光電探測器二和光電探測器三同步轉(zhuǎn)化為半光程電信號和全光程電信號后輸出至測量信號處理模塊，由測量信號處理模塊同步轉(zhuǎn)換為半光程數(shù)字信號和全光程數(shù)字信號輸出至mcu，所述mcu根據(jù)噪聲消減算法和朗伯-比爾氣體吸收定理計算出待測氣體的濃度。

6、優(yōu)選的，所述測量信號和參考信號的分束比為19:1。

7、優(yōu)選的，所述多次反射池左側(cè)上端和下端分別設(shè)有用于待測氣體進(jìn)氣和出氣的進(jìn)氣口和出氣口。

8、優(yōu)選的，所述多次反射池還包括用于準(zhǔn)直激光光斑的準(zhǔn)直器。

9、優(yōu)選的，所述朗伯-比爾氣體吸收定理如下：

10、

11、其中， i0為入射光強， i t為透射光強， α( ν)是吸光度，k ν是光譜吸收系數(shù)， s(t)是與溫度相關(guān)的吸收線強，?( ν)是歸一化吸收線型函數(shù)，p是壓力，x是氣體的濃度，l是吸收光程。

12、優(yōu)選的，所述噪聲消減算法包括以下步驟：

13、步驟1：所述mcu同步獲取測量信號處理模塊輸出的半光程數(shù)字信號和全光程數(shù)字信號，并對所述半光程數(shù)字信號和全光程數(shù)字信號進(jìn)行多周期信號平均來消減白噪聲；

14、步驟2：對步驟1中消減白噪聲后的半光程數(shù)字信號和全光程數(shù)字信號進(jìn)行峰值歸一化處理，保證半光程數(shù)字信號和全光程數(shù)字信號的幅度相同；

15、步驟3：對步驟2中峰值歸一化處理后的半光程數(shù)字信號和全光程數(shù)字信號進(jìn)行fir濾波處理；

16、步驟4：判斷步驟3中fir濾波處理后的全光程數(shù)字信號的吸收信號是否超過設(shè)定閾值；

17、步驟5：若全光程數(shù)字信號的吸收信號≥設(shè)定閾值，則采用半光程數(shù)字信號對應(yīng)的吸收信號，并結(jié)合朗伯-比爾氣體吸收定理計算待測氣體的濃度；

18、步驟6：若全光程數(shù)字信號的吸收信號＜設(shè)定閾值，則采用雙路信號比對方法消除激光器波動噪聲、前半光程干涉噪聲和光電探測器噪聲，得到雙路比對信號；

19、步驟7：通過步驟6中雙路比對信號的兩翼無吸收區(qū)域的干涉信號，結(jié)合光干涉airy模型函數(shù)擬合出后半光程吸收區(qū)域的干涉波形，最終消除后半光程的干涉噪聲，再采用全光程數(shù)字信號對應(yīng)的吸收信號，結(jié)合朗伯-比爾氣體吸收定理計算待測氣體的濃度。

20、優(yōu)選的，所述設(shè)定閾值為5%vol。

21、優(yōu)選的，所述雙路信號比對方法包括如下步驟：

22、步驟s1：光電探測器二檢測到的半光程干涉信號d1和光電探測器三檢測到的全光程干涉信號d2如下：

23、

24、

25、其中，sl為全光程干涉信號的氣體吸收信號強度；sl/2為半光程干涉信號的氣體吸收信號強度；n激光器為激光器波動噪聲；n前半光程干涉為前半光程的干涉噪聲；n后半光程干涉為后半光程的干涉噪聲；n光電探測器表示光電探測器二或光電探測三的噪聲；

26、步驟s2：當(dāng)全光程數(shù)字信號的吸收信號＜設(shè)定閾值時，全光程干涉信號的氣體吸收信號強度sl近似與半光程干涉信號的氣體吸收信號強度2sl/2相等，則雙路比對信號2（d2-d1）為：

27、

28、其中，sl為全光程干涉信號的氣體吸收信號強度；n后半光程干涉為后半光程的干涉噪聲。

29、優(yōu)選的，所述光干涉airy模型函數(shù)如下：

30、

31、其中， r為高反射凹面鏡一和高反射凹面鏡二之間的距離； i r為半光程干涉信號和全光程干涉信號形成的干涉信號； δ為半光程干涉信號或全光程干涉信號的相位。

32、由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果。

33、（1）本發(fā)明通過參考信號反饋驅(qū)動激光器實現(xiàn)激光輸出中心波長的鎖定。通過設(shè)置微小的半光程取樣孔，實現(xiàn)半光程與全光程干涉信號的雙路采集，通過在全光程數(shù)字信號的吸收信號＜設(shè)定閾值時，采用雙路信號比對方法消除激光器波動噪聲、前半光程干涉噪聲和光電探測器噪聲去除激光光源波動噪聲與光電探測噪聲，得到雙路比對信號可極大消除白噪聲、激光光源波動噪聲、光干涉噪聲、光電探測器等噪聲信號，極大提高了超低濃度激光氣體監(jiān)測的精度。

34、（2）本發(fā)明通過雙路比對信號的兩翼無吸收區(qū)域的干涉信號，結(jié)合光干涉airy模型函數(shù)擬合出后半光程吸收區(qū)域的干涉波形，最終消除后半光程的干涉噪聲，可進(jìn)一步提升低濃度時待測氣體的測量精度。

35、（3）本發(fā)明通過在全光程數(shù)字信號的吸收信號≥設(shè)定閾值即采樣的干涉光對應(yīng)的氣體吸收強度較高時，采用半光程信號可直接有效的增加測量量程，在滿足高精度測量的同時，達(dá)到寬量程的測量范圍。

36、（4）本發(fā)明通過干涉信號的相位與強度規(guī)律，擬合出氣體吸收區(qū)間波段的干涉噪聲，可有效去除激光光源波動噪聲與光電探測噪聲，實現(xiàn)待測氣體濃度的高精度測量。同時，本發(fā)明結(jié)合半光程吸收信號，可成倍擴大待測氣體濃度檢測上限，達(dá)到寬量程的氣體濃度檢測技術(shù)效果。