基于激光吸收光谱的温度快速提取方法与设计方案
一种基于hitran数据库的吸收光谱快速获取方法
一种基于hitran数据库的吸收光谱快速获取方法
基于HITRAN（高分辨分子能级）数据库的吸收光谱快速获取方法是通过利用HITRAN数据库中存储的大量分子光谱线参数，结合光谱模拟和数据处理技术，实现对吸收光谱进行快速获取的方法。
下面将分为三个步骤进行具体介绍。
第二步：光谱模拟
第三步：数据处理和分析
通过实验测量得到的吸收光谱与模拟的理论光谱进行对比。
可以利用吸收光谱实验数据与模拟曲线的差异，进一步进行数据处理和分析。
常用的数据处理方法包括拟合、傅里叶变换、小波变换等。
可以通过数据处理得到吸收峰的位置、强度和宽度等参数。
同时，还可以进行吸收光谱的定量分析，如浓度测量、光谱分解等。
在实际应用中，为了提高吸收光谱的获取速度和减少数据处理的复杂度，可以采用以下方法进行优化：
1.优化吸收光谱的测量条件，如选择合适的光源和探测器，调整测量时间和信号积分时间等，以提高光谱的信噪比和测量精度。
2.利用线性回归等数学方法，对吸收光谱数据进行快速处理和分析，减少计算量和时间消耗。
3.利用并行计算和分布式计算等技术，将大规模数据处理任务分解成多个子任务进行并行处理，进一步提高计算速度。
综上所述，基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法通过选择合适的数据文件、光谱模拟和数据处理等步骤，可以实现对吸收光谱的快速
获取和分析。
这种方法可以广泛应用于光谱分析、环境监测、气体检测等领域，具有较高的实用价值和应用前景。
气体检测技术方案
气体检测技术方案一、引言随着工业化进程的加快，气体泄露、污染等问题逐渐凸显，对于气体检测技术的需求也越来越迫切。
气体检测技术能够快速、准确地检测出各种有害气体的浓度和分布情况，为环境保护和人类健康提供重要支持。
本文将介绍几种常见的气体检测技术方案。
二、传感器检测技术1. 电化学传感器电化学传感器是最常用的气体传感器之一，通过电化学反应来检测气体浓度。
传感器中的电极与待测气体发生反应，产生电流或电势变化，从而实现气体浓度的测量。
电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，常用于检测有毒气体如一氧化碳、氮氧化物等。
2. 热导率传感器热导率传感器是一种基于气体导热性质的检测技术，适用于测量可燃气体浓度。
传感器中的加热元件和测温元件组成一个微小的热电偶，当气体通过传感器时，由于气体导热性质的不同，导致传感器温度变化，进而实现气体浓度的检测。
三、光学检测技术1. 红外吸收光谱法红外吸收光谱法是一种基于气体吸收红外辐射的检测技术，适用于检测多种气体。
该技术利用气体分子对特定波长的红外光吸收的特性，测量光线透过气体时的强度变化，从而推算气体浓度。
红外吸收光谱法具有高灵敏度、高选择性等优点，常用于检测甲烷、二氧化碳等气体。
2. 激光散射光谱法激光散射光谱法是一种基于气体分子散射激光光束的检测技术，适用于检测细颗粒物和大气污染物。
该技术利用激光束与待测气体作用后产生的散射光信号，通过测量散射光的强度和频率变化来推断气体浓度。
激光散射光谱法具有高灵敏度、高分辨率等优点，常用于大气环境监测。
四、电离检测技术电离检测技术是一种通过测量气体中电离粒子的数量来判断气体浓度的方法。
该技术利用气体分子在电场中发生电离产生的离子，通过测量离子的电流或电荷量来推测气体浓度。
电离检测技术具有高精度、高灵敏度等优点，常用于检测空气中的放射性物质和放电等现象。
五、总结气体检测技术方案多种多样，每种技术都有其适用的场景和优势。
在实际应用中，可以根据不同的需求选择合适的气体检测技术，以达到准确、高效地检测和监测气体浓度的目的。
激光吸收光谱气体检测中谱线的自动筛选
总第190期2020年第6期山西化工SHANXI CHEMICAL INDUSTRYTotal190No.6,2020堂桩导测述用DOI：10.16525/l4-1109/tq.2020.06.07激光吸收光谱气体检测中谱线的自动筛选李梅秀1,邵欣八，王芳1,付作伟3(1.内蒙古阿拉善生态环境监测站，内蒙古阿拉善盟750306；2.天津中德应用技术大学智能制造学院，天津300350；3.中创精仪(天津)科技有限公司，天津300301)摘要：激光吸收光谱(LAS)技术进行气体检测具有高选择性、高灵敏度、快速响应、可多组分多参量同时非接触测量等优势，被广泛用于环境监测、污染排放检测、工业过程控制等领域。
在应用LAS技术进行气体检测时，首要工作就是选择合适的目标谱线。
目前对谱线的筛选都是基于人工观察完成，费时费力，效率低下。
设计了一款自动化谱线筛选软件，对于给定波段范围，基于LAS检测原理和谱线筛选原贝9,结合测量的环境条件对HITRAN光谱数据库中的相关谱线数据进行分析，根据吸光度和谱线的线宽等对灵敏度和谱线干扰进行判断，最终输出筛选的目标谱线或测温谱线对。
该方法大大提高了谱线的筛选效率，可用于LAS气体检测之前目标谱线的自动化筛选，对于气体的浓度检测和温度测量具有重要意义。
关键词：激光吸收光谱，HITRAN光谱数据库，谱线筛选，气体检测中图分类号.0657.38文献标识码:A文章编号:1004-7050(2020)06-0018-05引言环境问题是21世纪全球共同关注的重点问题之一，环境监测技术和环境保护工作愈发受到重视。
我国的污染现状不容小视，大量的环境监测站应运而生，旨在对大气环境等的实时监测，及时掌握事故及污染发生和发展实况，尽一切可能减轻污染带来的危害，这对污染控制、环境保护以及安全生产都有非常重要的意义。
激光吸收光谱(LAS)技术是一种先进的检测技术，其灵敏度高、实时性好(可达毫秒量级)，可以做到多组分、多参量的同时测量，并且在动态快速的同时兼具高选择性皿。
生物样本处理中的技术创新
生物样本处理中的技术创新生物样本是指从人体或动物体内获取的各种生物组织、液体或细胞等。
生物样本处理是指对这些生物样本进行分离、提取、纯化等一系列步骤，以获得可用于分析和研究的样品。
在现代医学和生物学研究中，生物样本处理技术一直是重要的研究前提和基础，科学家们通过不断地技术创新，使得生物样本处理工作变得更加高效、精准和可靠。
一、样本分离技术创新在提取生物样本时，必须将样本中不同种类的组织、细胞、蛋白质等分离开来，以得到更精确的数据和结论。
这方面的技术创新主要包括：1.微流控技术微流控技术是指使用微型通道和微型阀门等微型器件，通过液体的微小操控，实现对样本的分离和分析。
这项技术在细胞排序和分离、分子筛选、蛋白质组学等领域有很大的应用潜力。
2.免疫磁珠技术免疫磁珠技术是利用特别制作的磁性微球，配合特定抗体对样本中的特定细胞、蛋白质等进行分离和富集。
该技术优点是简便高效，而且可以定量分析。
3.电泳技术电泳是一种将带电物质分离的技术。
随着电泳仪器的不断改进，其分离精度和速度都得到了极大提高，现已成为生物样本分离的重要手段之一。
二、样本提取技术创新提取生物样本中所需的目标物质，是生物样本处理的一个重要步骤。
技术创新主要包括：1.快速提取技术为了缩短样本提取时间，科学家们不断尝试新的方法。
例如，磁性吸附、离子交换、柱层析、超声波等方法都可以快速提取目标分子，并且可以一次性处理多种不同类型的样本。
2.自动提取技术传统的样本提取方法往往需要大量的人力物力，不仅费时费力，而且难以保证提取的准确性和一致性。
因此，自动化样本处理设备的开发具有重大的意义。
目前已经有不少厂商推出了用于生物样本提取的自动化设备，对于高通量、高精度的生物样本处理研究非常有帮助。
三、样本分析技术创新对于不同的研究目的，需要对生物样本中的各种成分进行定量、定性等不同形式的分析。
技术创新主要包括：1.质谱技术质谱技术是近年来发展最快的生物分析技术之一，它能够同时检测数千种蛋白质、代谢物等，对于疾病的早期诊断和治疗非常有帮助。
基于TDLAS的非均匀流场温度分布的测量
基于TDLAS的非均匀流场温度分布的测量作者：屈东胜洪延姬王广宇潘虎来源：《现代电子技术》2013年第12期摘要：基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）温度测量技术，使用多条谱线能够实现非均匀流场的气体温度分布的测量，主要有剖面拟合和温度离散两种方法。
对剖面拟合方法进行理论分析和仿真，并且假设电炉上方0.5 cm处的温度分布为二次函数ax2+bx+c，采用剖面拟合方法进行测量，与热电偶测量的温度进行对比，温度最大波动为49 K。
关键词：可调谐半导体激光吸收光谱；温度测量；剖面拟合；温度离散；非均匀流场中图分类号： TN911⁃34； O433.1 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）12⁃0021⁃04随着我国航空航天、石油化工、生产制药等行业的迅速发展，温度的实时在线测量对其生产和研究过程的优化控制尤为重要。
对于温度测量，目前常用的是热电偶等测量设备，虽然成本较低，但只能实现单点测量，且存在反应时间慢，对温度场有一定影响等缺点，因此，快速、灵敏有效的非接触式温度检测手段的需求非常迫切。
可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技术主要是利用半导体激光器的波长调谐特性，获得被测气体特征光谱范围内的吸收光谱，实现对被测气体的定性或定量分析[1⁃2]。
基于TDLAS的温度测量技术是一种新型的非接触式测量技术，与热电偶等接触式测温方法相比，具有响应快、可靠性高、不会对被测环境造成扰动等突出优点，在工业过程监测控制、发动机流场诊断、燃烧过程分析、爆炸检测等领域得到了广泛的应用[3⁃7]。
使用传统的TDLAS方法测量温度时，通常假设流场近似均匀，但在实际的流场区域内，由于流场边界层效应、流动混合及化学反应等，可能会存在温度或浓度梯度，非均匀流场区域的温度分布测量需要使用多条谱线进行测量，国内外很多研究者进行过相关研究[8⁃11]。
基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究
基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究近年来，气体检测技术在环境监测、工业生产、安全保障等领域得到了广泛应用。
其中，基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统由于其高精度、高灵敏度和快速响应等特点而受到了研究者的关注。
红外激光吸收光谱技术是基于分子物质对红外辐射产生吸收和发射的原理进行气体检测的一种方法。
红外激光可以通过调整其波长，选择适合被检测气体的特征吸收线，从而实现气体的精确检测。
对于大气环境中常见的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害气体，红外激光吸收光谱技术能够提供高精度的定量测量结果。
此外，红外激光吸收光谱技术还具有实时性强、非接触式探测等优点，在被检测物质浓度变化较快的情况下表现出较好的适应性。
在构建基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统时，一般包括光源、光学系统、探测器和信号处理等组成部分。
光源是红外激光的产生装置，常用的有半导体激光器、红外激光二极管等。
光学系统的作用是将光源发出的激光通过聚焦、分束等方式将其引导到检测区域。
探测器是光信号的接收器，将光强信号转化为电信号。
信号处理部分则对接收到的电信号进行分析和处理，得到气体浓度信息。
在实际应用中，基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统可以用于工业安全监测、环境保护等方面。
例如，工业生产过程中常常会释放出一些有害气体，如苯、甲醛等。
通过布置红外激光吸收光谱传感器，可以及时监测这些有害气体的浓度，当浓度超过一定阈值时，及时发出报警信号，保障工作人员的生产安全。
同时，红外激光吸收光谱技术还可以用于环境监测。
城市中的汽车尾气、工业排放等会导致空气中有害气体浓度的变化。
通过在定点或移动设备上部署气体检测系统，可以实时监测环境中有害气体的浓度，及时采取措施改善环境质量。
虽然基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统已经取得了很大的应用进展，但仍然存在一些挑战和需要解决的问题。
首先，红外激光吸收光谱系统成本高、体积大，限制了其在实际中的应用范围。
基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究
基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究本论文课题来源于中国国家自然科学基金项目“新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究”、美国xx部项目“xxx”。
研究了基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统,采用了可调谐二极管激光吸收光谱技术和腔增强吸收光谱技术研制了四套气体检测系统,检测了甲烷、乙炔、水汽、甲醛等气体。
详细介绍了各检测系统的结构和原理,测试了系统的灵敏度、响应时间和稳定性等参数。
第一章引言部分介绍了甲烷、乙炔、甲醛等气体的应用和危害,监测这些气体的浓度对于安全生产和环境保护具有重要的意义。
介绍比较了几种常见的气体检测方法:电化学法,催化燃烧法,气相色谱法和红外吸收光谱法。
如红外吸收光谱法的优缺点:灵敏度高、响应速度快、寿命长、可以非接触式测量等,可以广泛应用于工农业生产、环境监测、医学诊疗和军事等领域。
介绍了红外气体检测技术的种类、国内外发展现状和趋势。
包括直接吸收光谱技术、光声光谱技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术和波长调制光谱技术等。
第二章是红外激光吸收光谱技术的理论部分:分子光谱理论和朗伯-比尔定律。
气体分子红外吸收光谱产生的原因是分子内部振动能级和转动能级的跃迁,不同种类的气体分子具有不同的吸收谱线位置和强度,气体分子的光谱特征确保了红外气体检测技术的选择性。
根据朗伯-比尔定律,待测气体分子对特定波长光强的吸收量与气体浓度有关。
第三章主要介绍了基于近红外分布反馈半导体激光器(DFB激光器)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的乙炔检测系统,详细介绍了系统结构及检测性能。
设计的电路部分包括高精度、高稳定性的DFB激光器驱动器,数字正交锁相放大器以及光电探测电路。
驱动器的温控模块采用积分分离式数字比例积分微分算法,温控过程快速平稳,长期工作波动为±0.01oC,长期稳定性高;设计的数字正交锁相放大器以数字处理器芯片为核心,硬件电路简单、体积小、便于集成。
比较了减法预处理电路和除法预处理电路两种信号处理方式,通过实验发现,采用除法预处理电路时,系统具有较低的检测下限。
基于连续波激光器衰荡腔吸收光谱的痕量气体探测方法
该测 量通常选择 连续波激光激发衰荡腔光谱测量方法是一 在离分子 吸收频率较远 的频段 ， 峰值频率 ｖ 和在 种基于吸 收光 谱先进的 ， 高度敏感的技术 ， 最普 处 的衰荡 时间。浓度 Ｎ可以从 下面的公式计算 遍 的重 要痕量物质的光锂检测方法。 ｝ 在气相中 ， 个物种 的光谱 由许 多尖锐的旋转线 （ 一种分 Ｒ ｍ ｎｎ 和 Ｌｈ ａｎ ｏ ａｉｉ ｅｍ ｎ 的计 算表 明 ， 衰荡 子 “ 纹”， 高选 择性 。大 多数 分子都在从 指 ） 提供 紫外到红外范 围 ， 以定量测量技术 的使用 连 腔 吸收池（ Ｄ ） 可 Ｒ ｃ 的可被 视为具有有效 的路径长 度 为 １Ｒ， 中 Ｒ是反射镜的反射率 。 一） 其 由于反 射镜反射 率市售今天在 ９． ９ 日 ９ ９％ ，有效 的吸收 ９ 比尔定律给出了气体分子的吸收关系 ： 池 光路径长度增加 了 １５ 相对于传统 的相 同 ０倍 ，） ＩＶｅ （ｃ） ＿ （＝ｏ ）ｘ 一（。 Ｌ ｖ （。ｐ ＶⅣ ） （ 物理尺寸吸收池。因此是 １－０ 公里 的吸收光 １ ） ０ １０ 其 中 Ｉ１ 频率 为 ｖ ｆ ｖ 是 的光通 过样 本后 的光 程长度在长度为一米 的吸收池中实现 。这可突 强度 ； 是光 未通过样 本的强度 ； Ｉ 是特定 分子 破了传统 的“ 多通 ” 吸收池 ， １－０ 米的有效 在 ０ １０ 吸收频率 为 ｖ 的光吸收截 面 ； Ｎ是他们 的粒子 路径长度是实际的限制。 数密度 ， 这是绝对浓 度成正 比， Ｌ 而 是光 通过样 在连续波激光激发衰荡腔光谱法发展 的早 激发源为一 纳秒量级脉 冲染料激光器日 。这 品 的路径 的长度。显然我们有 比尔 定律 可 以得 期 ， 出， 了最大 限度地提高灵敏度 ， 为 要选择 具有大 提供 了— 个方便 的在实验室光源 ，但不适用 于 的 吸收 截面的分子样本 ，以及尽可 能的最长 的 工业应用 的实 际。莱 曼发现连续激光源也可 以 路径长度为 Ｌ尽可能最小的（ ￣ 。 的吸 在激光激发衰 荡腔光谱法使 用罔 ， ＡＩ ／ 传统 Ｉ ｃ事实上 ， 从单 收光谱 法仪 器 的物理 尺寸 限制 了路径 长度 Ｌ 。 模式 的光 ，连续激光 器耦 合到衰荡腔 比脉 冲 您可 以通 过采 用 “ 多次通过 ”的气体 池 ，例如 激光器更有效和更具有选择 性。 Ｗｈｔ 或者 Ｈ ｎｏ￣ 的吸 收池 来增 加 １ ｉｍ ｅ ｅｉ ｔ ｔ式 ０到 在可见光到近红外光谱 区域 ，半导体激光 １０ 的的有效路 径长度 。测量 的灵敏度 和精 器由于它们在消费市场和电信的重要性而显得 ０倍 确度也受 限于光源 的噪声和检测系统 的噪声 。 特别先进 。这些激光 器在这个光谱范 围内探测 另一方面 ，连续波激光激发 衰荡腔光谱法 器可 以在室温下操 作。这些特 眭非常适合制作 是不受 激光噪声 （ ａ 的影 响因为他 只是测 仪器 ， Ａｉ￣ 易于操作和方 便 ， 能耗低 。 量 “ 间” 时 。连续波激光 激发衰荡腔光谱 法是一 ２实验 种新兴 的技术 ，已被证明可 以显著 的提高吸收 个典型 的实验 装置原理 图如 图 １ 所示Ｒ 。 光谱削 灵敏度 。 它利用—个稳定 的光源入射到两 的主要器件包 括 ： 。单模二 极管激光器 ， 腔 衰荡 个距离为 ｄ 的超高反射镜 中， 即衰荡腔中。 在一 （Ｄ ） Ｒ Ｃ ， 了高反射镜 ， 电探测器器配 对探 采用 光 Ｄ 其他组件包括一个声 光调制 次衰荡测 量中 ，部分激光从 窄带激 光器耦合到 测透过 Ｒ Ｃ的光 。 衰荡腔 中， 然后突然关 闭。 光在衰荡腔 的反射镜 器 （０ 当 Ｒ Ｃ内积聚足够 的光 时 ， 将腔 Ａ Ｍ） Ｄ 迅速 之 间反 射多次高很多倍 ， 每次反 射泄漏 出一小 内激光器 射出衰荡腔 ，光隔离器 以防止光 反馈 部分 。 光腔泄漏 出来是衰 荡信号 。 这个信 号具有 给二极 管激光 器 ，带有数据采集系统的计算机 个一 阶指数 衰减 的包络 。 控制整个系统 ， 且进行 数据采集 和分析 。 并
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图片简介:本技术提出一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域，用于待测气体温度快速提取。
该温度快速提取方法包括以下步骤：获取波数扫描的激光穿过待测气体后的吸收谱；计算吸收谱随波数变化曲线的一阶微分和二阶微分；建立温度快速提取模型；使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体温度值。
本技术仅利用一个激光吸收光谱即可进行温度快速提取，有效利用吸收谱的形状信息，简化了传统的双吸收谱线温度提取方式。
同时温度快速提取方法计算时间短，适于硬件实现，在温度实时测量方面具有广阔的前景。
技术要求1.一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，所述的温度提取方法首先使波数扫描的激光经光纤分束器后，一路接入马赫曾德干涉仪后直接被01号光电探镜准直后，穿过待测气体，然后被02号光电探测器接收，综合两个探测器的信号和压力计测量的待测气体压力获得激光穿过待测气体后的吸收谱，然后计算微分，接着建立温度快速提取模型，最后使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体的温度值。
2.按照权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，其特征在于该温度快速提取方法包括以下步骤：步骤一、获取激光穿过待测气体后的吸收谱；激光器输出中心波数为ν0[cm-1]、波数扫描的激光，激光经光纤分束器后，一路接入马赫曾德干涉仪后直接被0从时间到相对波数的转换关系f，结合用于待测气体压力初步测量的压力计示数pm得到K个采样点处的绝对波数νa与时间t的关系：va＝f(t)+v0+pmδ (1)式中，δ为该吸收谱线的压致频移系数，另一路光纤分束器输出的激光接入准直镜准直后，穿过待测气体，然后被02号光电探测器接收，获得透射信号光强I 收的位置拟合激光光强基线I0(t)，根据吸收率的定义，激光穿过待测气体后随时间变化的吸收率α(t)的计算公式为：结合式(1)与式(2)得到随绝对波数变化的吸收率α(νa)，即吸收谱；步骤二、计算吸收谱的一阶微分和二阶微分；对绝对波数值νa进行预处理：获得预处理后的吸收谱α(ν)，计算预处理后的吸收谱α(ν)的三次样条插值函数Sp(ν)，即在所有波数点ν上选择(s+1)个节点w0,w1,…,ws，各节点间满足下述关系vmin＝w0＜w1＜…＜ws-1＜ws＝vmax (4)式中，νmin和νmax分别是波数点的最小值和最大值，使得三次样条插值函数Sp(ν)在每个小区间[wi-1,wi](i＝1,2,...,s)上是三次多项式，且在每个节点处函数值、续：式中，s1,i,s2,i,s3,i和s4,i是第i个小区间内三次多项式的系数，和分别是是三次样条插值函数Sp(ν)在第(i+1)个节点wi左侧区间和波数点两端点的三阶导与这两端点的临近点的三阶导相等的非扭结边界条件唯一确定三次样条插值函数Sp(ν)，然后获得其一阶微分和二阶微分作为吸收谱的分步骤三、建立温度快速提取模型；Voigt线型函数是Gauss线型和Lorentz线型的卷积，记高斯线型的半高宽为m，洛伦兹线型的半高宽为ΔC，并有半宽比参数a吸收谱α(ν)与标准Voigt线型F的关系为：式中，为吸收率对全波长的积分，即积分吸收率，波数ν与无量纲化波数x的关系为：式中，n＝-2ln2Δ，其中Δ为压力导致的频率移动；由于标准Voigt线型F和无量纲化波数x在任意波数x处满足微分方程：式中，将式(8)和式(9)带入式(10)，并考虑到m和A不为零，得到：上式对任意一个波数点ν均成立，联立K个波数点处的微分方程，得到线性方程组：式中：步骤四、使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体的温度值；使用多元线性回归算法求解线性模型(12)：C＝(XTX)-1XTY (15)得到反演系数C2,C4,C5和C6，然后根据式(14)从反演系数中可以得到Gauss线型的半高宽mR，压力导致的频移ΔR，Lorentz线型的半高宽ΔC,R和积分吸收率A其中根据Gauss线型的半高宽mR可以进一步得到待测气体的温度TR：式中，M为待测气体摩尔质量。
技术说明书一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法技术领域本技术提出一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域。
该方法用于使用一个激光吸收光谱进行待测气体温度快背景技术可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术由于其非侵入、高速、测量准确、系统简单成本低、抗干扰能力强等优度和典型产物浓度的测量。
2019年Chang Liu等人发表在《应用光谱学综述》(Applied Spectroscopy Reviews)第54卷第1期1-44页的论文《激光吸收光谱学应用于述》(Laser absorption spectroscopy for combustion diagnosisin reactive flows：Areview)中综述了激光吸收光谱学在关键原理、传感器和仪器方面的进展和实际燃的TDLAS温度提取是使用比色法测量均匀气体温度或路径平均气体温度。
2011年Fei Li等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第50卷第36期6697-6707页的论光传感器对超燃冲压发动机多流动参数特性的同时测量》(Simultaneous measurements of multiple flow parameters forscramjet characterization using tunable diode-l 数为7185cm-1和7444cm-1的两条H2O吸收谱线在超燃冲压发动机的三个不同位置同时测量得到速度、温度和H2O分压三个参数。
比色法提取气体温度利用的吸收光谱的积分值之比，而没有利用到吸收光谱的形状信息。
事实上，激光吸收光谱的形状中包含待测气体的压力、温度和浓度信息，因此，利用单一吸收光谱的形状信息可以进行温度提取。
对于吸收光谱形状的准确等人发表在《传感器》(Sensors)第18卷第12期4295页的论文《用于提高近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术的数学方法和算法》(Mathematical Methods and Near-Infrared Tunable Diode-Laser AbsorptionSpectroscopy)中介绍了一系列处理激光吸收光谱信号的数学方法，为获取更高精度的吸收光谱形状信息提供了一些地，TDLAS中的吸收光谱采用Voigt线型描述，Voigt线型是Gauss线型和Lorentz线型的卷积，没有解析表达式，计算成本高。
2018年JinyiLi等人发表在《近红外Physics&Technology)第92期6-12页的论文《使用单一谱线Voigt线型退化反褶积的多燃烧参数反演》(Resolving multiplecombustion parameters from a single transi deconvolutionof Voigt lineshape)使用Gauss线型和Lorentz线型的加权和作为Voigt线型的近似，使用Levenberg-Marquardt算法迭代获取线型参数，从而利用单一吸但是，该方法的线型参数求解过程仍然采用迭代拟合的方式，计算速度还有提升空间。
2016年Lijun Xu等人发表在《科学仪器综述》(Review of Scientific Instr 的论文《基于数字信号处理器的高精度在线直接吸收光谱Voigt线型拟合》(Digital signal processor-based high-precision on-line Voigt lineshapefitting for direct abs查找表计算Voigt线型，并在片上实现Voigt线型拟合，再使用比色法得到温度和浓度。
但是为保证测量精度，大型的查找表对片上存储带来较大考验。
1993年表在《波罗尼卡物理学报》(ActaPhysica Polonica A)第83卷第4期425-430页的论文《非对称Voigt剖面的微分方程》(Differential Equation for Asymmetric Voigt P 特定的二阶线性微分方程，为实现基于吸收光谱形状的温度快速提取提供了可能。
但是，目前没有适用于硬件实现的温度提取的快速计算方法和系统。
基于以上背景，本文技术了一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法。
根据标准Voigt线型满足的二阶微分方程，在多个波数点处联立微分方程，建立基于提取模型，使用多元线性回归算法求解模型系数，快速提取待测气体的温度值。
本方法的优点是使用一个激光吸收光谱提取温度，简化了传统的利用两个吸统。
同时本方法提出的线性温度提取方法计算量少，计算时间大大缩短，有望在硬件上实现温度实时测量。
技术内容针对待测气体的温度提取，本文技术了一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，该方法基于激光吸收光谱在不同波数点均满足的二阶微分方程，建立温单一吸收光谱上的有限采样波数点实现待测气体温度的快速提取。
温度快速提取系统包括激光器、光纤分束器、准直镜、光电探测器两个、马赫曾德干涉仪、压力计、数据采集系统、计算机等。
温度快速提取方法首先获取气体后的吸收谱，然后计算吸收谱的一阶微分和二阶微分，接着建立温度快速提取模型，最后使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测下步骤：步骤一、获取激光穿过待测气体后的吸收谱；激光器输出中心波数为ν0[cm-1]、波数扫描的激光，激光经光纤分束器后，一路接入马赫曾德干涉仪后直接被0从时间到相对波数的转换关系f，结合用于待测气体压力初步测量的压力计示数pm得到K个采样点处的绝对波数νa与时间t的关系：va＝f(t)+v0+pmδ (1)式中，δ为该吸收谱线的压致频移系数，另一路光纤分束器输出的激光接入准直镜准直后，穿过待测气体，然后被02号光电探测器接收，获得透射信号光强I 吸收的位置拟合激光光强基线I0(t)，根据吸收率的定义，激光穿过待测气体后随时间变化的吸收率α(t)的计算公式为：结合式(1)与式(2)得到随绝对波数变化的吸收率α(νa)，即吸收谱；步骤二、计算吸收谱的一阶微分和二阶微分；对绝对波数值νa进行预处理：获得预处理后的吸收谱α(ν)，计算预处理后的吸收谱α(ν)的三次样条插值函数Sp(ν)，即在所有波数点ν上选择(s+1)个节点w0,w1,…,ws，各节点间满足下述关系vmin＝w0＜w1＜…＜ws-1＜ws＝vmax (4)式中，νmin和νmax分别是波数点的最小值和最大值，使得三次样条插值函数Sp(ν)在每个小区间[wi-1,wi](i＝1,2,...,s)上是三次多项式，且在每个节点处函数值、续：式中，s1,i,s2,i,s3,i和s4,i是第i个小区间内三次多项式的系数，和分别是是三次样条插值函数Sp(ν)在第(i+1)个节点wi左侧区间和波数点两端点的三阶导与这两端点的临近点的三阶导相等的非扭结边界条件唯一确定三次样条插值函数Sp(ν)，然后获得其一阶微分和二阶微分作为吸收谱的分步骤三、建立温度快速提取模型；Voigt线型函数是Gauss线型和Lorentz线型的卷积，记高斯线型的半高宽为m，洛伦兹线型的半高宽为ΔC，并有半宽比参数a吸收谱α(ν)与标准Voigt线型F的关系为：式中，为吸收率对全波长的积分，即积分吸收率，波数ν与无量纲化波数x的关系为：式中，n＝-2ln2Δ，其中Δ为压力导致的频率移动；由于标准Voigt线型F和无量纲化波数x在任意波数x处满足微分方程：式中，将式(8)和式(9)带入式(10)，并考虑到m和A不为零，得到：上式对任意一个波数点ν均成立，联立K个波数点处的微分方程，得到线性方程组：式中：步骤四、使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体的温度值；使用多元线性回归算法求解线性模型(12)：C＝(XTX)-1XTY (15)得到反演系数C2,C4,C5和C6，然后根据式(14)从反演系数中可以得到Gauss线型的半高宽mR，压力导致的频移ΔR，Lorentz线型的半高宽ΔC,R和积分吸收率A其中根据Gauss线型的半高宽mR可以进一步得到待测气体的温度TR：式中，M为待测气体摩尔质量。