在線氣體分析儀中光譜數(shù)據(jù)處理算法的研究.pdf

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和工業(yè)化程度的不斷提高，空氣污染、工業(yè)事故及能源短缺問(wèn)題愈發(fā)凸顯，因此實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)相關(guān)氣體濃度，以便相關(guān)部門進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)于治理空氣污染和提高安全生產(chǎn)具有重大意義和迫切需求。
　　本文所研究課題來(lái)源于江蘇天瑞儀器有限公司基于TDLAS技術(shù)的在線氣體分析儀開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，致力于開(kāi)發(fā)一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)時(shí)在線氣體檢測(cè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)方法往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行濃度分析，操作過(guò)程十分繁瑣，且系統(tǒng)

2、的穩(wěn)定性和靈敏度并不理想，無(wú)法滿足氣體實(shí)時(shí)在線測(cè)量的性能要求。而可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)憑借其高精度、高靈敏度、強(qiáng)選擇性、廣適應(yīng)性和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，已逐漸成為主流的氣體在線檢測(cè)技術(shù)，并被廣泛地應(yīng)用于多種測(cè)量場(chǎng)景。
　　本論文作為氣體檢測(cè)的基礎(chǔ)性研究，從光譜吸收原理出發(fā)，首先介紹了基于TDLAS技術(shù)的氣體檢測(cè)相關(guān)理論和兩種基本測(cè)量方法，并提出了相應(yīng)的TDLAS在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)要分析了設(shè)計(jì)方案中的各部分組成及

3、其功能。接著，著重闡述了TDLAS系統(tǒng)中光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，主要為平滑和基線校正，重點(diǎn)論述了自適應(yīng)重加權(quán)懲罰最小二乘算法的基線校正原理和性能，并將其與NLSA算法的預(yù)處理效果進(jìn)行了比較。然后，深入探討了TDLAS系統(tǒng)中光譜數(shù)據(jù)的重建及解析方法，并結(jié)合光譜檢測(cè)原理和氣體吸收線型的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的LM算法（ALM）來(lái)進(jìn)行光譜重建，該算法通過(guò)對(duì)搜索起點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了光譜數(shù)據(jù)的自適應(yīng)快速重建，避免了傳統(tǒng)LM算法對(duì)參數(shù)初始值敏感和無(wú)

4、法跳出局部極值點(diǎn)而導(dǎo)致算法崩潰或結(jié)果錯(cuò)誤的缺陷。并在此基礎(chǔ)上，分別研究了針對(duì)直接吸收測(cè)量方式的非線性光譜解析方法（NLSA）和針對(duì)諧波檢測(cè)方式的線性光譜解析方法（LSA），并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證了兩種方法光譜解析效果的正確性和高效性。
　　最后根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了一個(gè)配氣系統(tǒng)以配置各種濃度的氣體，并搭建了TDLAS系統(tǒng)的上位機(jī)軟件監(jiān)控平臺(tái)。結(jié)合項(xiàng)目組內(nèi)的硬件系統(tǒng)，以氧氣為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)不同濃度的氧氣進(jìn)行測(cè)量，并針