(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210533640.3 (22)申请日 2022.05.16 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 徐立军　侯广羽　曹章　周文彬　 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01K 11/00(2006.01) (54)发明名称 基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度 测量方法与系统 (57)摘要 本发明提出基于吸收光谱幅值调制的温度 及气体浓度测量方法与系统； 系统所用元件包 括： 可调谐二极管激光器、 马赫曾德干涉仪、 准直 镜、 光电探测器、 带通滤波器、 模拟乘法器和低通 滤波器等； 该方法包括以下步骤： 激光器发出的 激光经马赫曾德干涉仪调制后变为高频幅值调 制激光， 高频幅值调制激光经准直镜准直后穿过 待测气体， 然后被光电探测器探测并被转换为电 压信号， 信号依次通过带通滤波器、 模拟乘法器 以及低通滤波器， 最终得到包含直接吸收光谱的 解调信号， 根据解调信号提取气体的吸收光谱， 根据吸收光谱计算得到光路上的温度及气体浓 度； 本发明提出的测量方法与系统可有效抑制背 景辐射扰动的影 响， 在气体参数实时监测方面具 有广阔的前 景。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 114993987 A 2022.09.02 CN 114993987 A 1.基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统， 所用元件包括可调谐二 极管激光器、 马赫曾德干涉仪、 准直镜、 光电探测器、 带通滤波器、 模拟乘法器和 低通滤波器 等； 测量系统由两条光路构成， 一条测量光路， 一条参考光路； 方法的特征在于， 激光器发出 的激光经马赫曾德干涉仪调制后输出高频幅值调制激光， 之后高频幅值调制激光被一分为 二； 其中一束高频调制激光被准直镜准直后穿过测量光路， 从而携带气 体的吸收光谱， 之后 高频调制 激光被光电探测器探测并被转换为电压信号， 电压信号依 次通过带通滤波器、 模 拟乘法器以及低通滤波器， 最终得到包含直接吸收光谱的信号； 另外一束高频调制 激光被 作为参考光， 参考光不经过目标气 体， 直接被光电探测器转换为电压信号， 该信号同样经过 带通滤波器、 模拟乘法器以及低通滤波器， 低通滤波器输出的信号被作为参考基线； 利用最 小二乘法， 消除测量光路与参考光路两个解调信号幅值的不一致， 根据比尔 ‑朗伯吸收定 律， 通过两路解调信号计算得到气体的吸收光谱曲线， 进而获得特定 吸收谱线处的积分面 积值， 然后利用比色法获得目标气体的温度， 进一步根据吸收谱线处的积分面积值和温度 值计算出气体的浓度。 2.根据权利要求1所述的基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统， 其特征在于通过控制 激光器， 令输出激光的波数随时间线性变化， 将这样的激光通入马赫 曾德干涉仪， 干涉仪输出调制频率稳定的高频调制激光， 将高频调制激光一分为二， 一束激 光通入测量光路， 获得目标气体的吸收光谱； 另一束激光通入参考光路， 获得参考基线， 将 两个光路的信号依 次通过带通滤波器、 模拟乘法器以及低通滤波器后， 得到两个光路调制 信号的解调信号， 用作后续的吸 收光谱提取； 具体步骤 包括： 步骤一， 调 整激光器的输出， 令激光波数随时间线性变化， 将这样的激光通入马赫曾德 干涉仪， 干涉仪 输出调制频率稳定的高频调制激光： 其中， K1表示干涉仪输出信号中的无调制项的强度系数； K2表示干涉仪输出信号中的调 制项的强度系数； fm为信号的调制频率； 表示干涉仪入射信号与出射信号之间的相位差； 步骤二， 将高频调制激光一分为二， 其中一束高频调制激光进入测量光路， 另一束高频 调制激光进入参考光路； 对于进入测量光路的激光， 其被准直镜准直后穿过目标气 体， 后被 光电探测器探测， 得到电压信号： 其中， K3与K4为测量光路影响后的强度系数， α(t)为目标气体的吸收率， 因为激光器输 出的激光波数随时间线性变化， 所以测量得到的吸收率也随时间变化， 即α(t)是时间的函 数； 步骤三， 测量 光路输出的电压信号首 先被接入带通滤波器， 带通滤波器的输出信号 为： 其中， K3所代表的无调制项被滤除； 步骤四， 将带通滤波器的输出信号 通入模拟乘法器， 信号被平方， 输出信号 为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114993987 A 2根据二倍角公式， cos函数项被转换为两部分， 一部分为低频项， 另一部分为高频项， 高 频项的调制频率 为2fm； 包含α(t)的指数函数项被平方后， 指数部分由α(t)变为2α(t)； 步骤五， 模拟乘法器的输出信号被输入低通滤波器， 可 得测量光路的最终解调信号： 其中， 调制频率为2fm的高频项被滤除； 对于参考光路的高频调制激光， 其解调过程与上 述过程是一样的， 参 考光路上不存在目标气体， 参 考光路的高频调制激光表示 为： 其中， K5与K6为参考光路影响后的强度系数， 因为测量光路与参考光路对激光的影响不 完全一致， 参考光路信号的强度系 数与测量光路信号的强度系 数不同； 参考光路的高频调 制激光被光电探测器探测 后， 同样依次通过带通滤波器、 模拟乘法器以及低通滤波器， 得到 参考光路的最终解调信号： 其中， 参考光路的最终解调信号中不包含吸收率的指数项； 至此， 测量光路与参考光路 的调制信号的解调过程已完成。 3.根据权利要求1所述的基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统， 其特征在于消除测量光路与参考光路两个解调信号幅值的不一致， 提取目标气 体的吸收光 谱， 并计算相应吸收谱线处的积分面积， 之后利用比色法， 计算得到目标气体的温度， 进一 步， 根据谱线的积分面积及温度计算得到气体的浓度； 具体步骤 包括： 步骤一， 用最小二乘法， 消除两个解调信号It‑LPF(t)与Ir‑LPF(t)幅值的不一致； 在It‑LPF (t)信号中， 选择一段无吸收的信号， 将区段表示为[t1,t2]， 在Ir‑LPF(t)信号中选择同一区 段的信号， 利用最小二乘法消除两个解调信号幅值的不一致， 即调整Ir‑LPF(t)的幅值和偏 置， 令[t1,t2]区段的Ir‑LPF(t)与It‑LPF(t)重合， 得到系数Rr‑t与Br‑t： 方便后续使用It‑LPF(t)与Ir‑LPF(t)提取目标气体的吸 收谱； 步骤二， 根据比尔 ‑朗伯吸收定律提取吸收谱α(t)： 由于模拟乘法器对信号进行了平方， 所以提取的吸收谱强度为原始吸收谱强度的2倍， 只需将得到的结果除以2即可获得原 始吸收谱；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114993987 A 3