專利名稱：基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的氣體狀態(tài)定量分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體狀態(tài)定量分析裝置，尤其是指一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的能對(duì)氣體濃度和溫度同時(shí)進(jìn)行估計(jì)的氣體狀態(tài)定量分析儀。

背景技術(shù)：
環(huán)境污染是世界范圍普遍關(guān)心的問題。對(duì)各類燃燒器、工業(yè)及商用鍋爐產(chǎn)生的氣體、機(jī)動(dòng)車尾氣、各類化工廠有毒氣體(如HCl、NH3、HF)等進(jìn)行環(huán)境污染物的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，是環(huán)境保護(hù)、控制治理污染的必要前提。
傳統(tǒng)的氣體污染監(jiān)測(cè)是以濕式化學(xué)技術(shù)和吸收取樣后的實(shí)驗(yàn)分析為基礎(chǔ)，這些儀器通常只限于單點(diǎn)測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間比較慢。相比而言，光學(xué)和光譜學(xué)遙感技術(shù)以其大范圍、連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方式而成為環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)、分析的理想工具。其中差分吸收光譜技術(shù)DOAS(Differential Optical AbsorptionSpectrometry)和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)TDLAS(Tunable Diode LaserAbsorption Spectrometry)技術(shù)以出眾的測(cè)試方法及技術(shù)特點(diǎn)成為氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)的常用方法。
DOAS是德國(guó)Heidelberg大學(xué)環(huán)境物理研究所的U Platt和D Perner在20世紀(jì)70年代末提出的，隨后在大氣實(shí)用探測(cè)方面迅速發(fā)展。其測(cè)量基本原理是已知從光源發(fā)出的光束經(jīng)過某一待測(cè)氣體，由于不同氣體分子對(duì)光的吸收不同，使得吸收光譜的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了相應(yīng)的改變。提取這些特征結(jié)構(gòu)，然后利用最小二乘法，就可以求得相應(yīng)氣體的濃度。DOAS方法的主要思想是基于Beer-Lambert公式 I(λ)＝I0(λ)exp[-(Lcσ(λ)+εR(λ)+εM(λ))]+N(1) (1)式中，λ為波長(zhǎng)，I(λ)為吸收光譜的光強(qiáng)測(cè)量值，I0(λ)為出射光光強(qiáng)初始值，L為光程，c為待測(cè)氣體濃度，σ(λ)為氣體吸收截面，εR(λ)為Reileigh散射系數(shù)，εM(λ)為Mie散射系數(shù)，N為各種噪聲總和。對(duì)(1)式兩邊取對(duì)數(shù)得 通過光譜儀測(cè)量，可以測(cè)得對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λmk(mk＝1，2，......n)的強(qiáng)度I(λmk)和I0(λmk)，然后采用最小二乘法對(duì)這n組超定方程求解濃度c。
TDLAS的基本原理與DOAS基本相同，都是基于Beer-Lambert定律。所不同的是，TDLAS利用單色性較好的可調(diào)諧激光器產(chǎn)生的頻率連續(xù)變化的激光束掃描特定氣體的吸收峰，而不是測(cè)量寬波長(zhǎng)范圍的氣體吸收譜線。
激光的高方向性、高強(qiáng)度，使得可測(cè)量的光程能遠(yuǎn)達(dá)幾千米，并且能探測(cè)到1％的差分吸收，具有很高的靈敏度。激光的單色性能夠方便地從混合污染成分中鑒別出不同的分子，避免了光譜干擾，從而能探測(cè)較低濃度的氣體。應(yīng)用可調(diào)諧二極管激光器輸出波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，通過輸出波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)，可以同時(shí)分析多種污染物質(zhì)，并且排除其它氣體的干擾。
依據(jù)Beer-Lambert公式，在TDLAS中，當(dāng)激光光源發(fā)出一定頻率v的單頻光穿透一定濃度的待測(cè)氣體時(shí)，有如下關(guān)系式 (3)中的符號(hào)含義與(1)式中相同，不同的是由于TDLAS頻率掃描寬度很窄，此時(shí)(1)式吸收截面中σ(λ)必須由氣體在某一吸收波長(zhǎng)附近的吸收峰線性函數(shù)計(jì)算得到，且σ(λ)＝P·S(T)·g(λ)。其中，S(T)為譜線的線強(qiáng)度，它表示該譜線的吸收強(qiáng)度，只與溫度有關(guān)；P為待測(cè)氣體的分壓；g(λ)為線型函數(shù)，它表示了被測(cè)吸收譜線的形狀，與溫度、壓強(qiáng)和氣體的種類及其中的各成分含量有關(guān)。在P、S(T)、g(v)、L都已知的情況下，用光探測(cè)器測(cè)得對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λmk(mk＝1，2，......n)的強(qiáng)度I(λmk)和I0(λmk)，然后采用最小二乘法對(duì)這n組超定方程求解濃度c。
現(xiàn)有的氣體濃度分析裝置都是基于氣體光譜吸收技術(shù)，一般采用最小二乘法對(duì)氣體濃度進(jìn)行求解。其數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為Y＝HC+v(v代表噪聲，C是待求的氣體濃度，Y為氣體濃度分析儀器測(cè)量所得的光譜數(shù)據(jù))，至今為止，最小二乘算法在計(jì)算過程中把H看成固定不變的。然而實(shí)際測(cè)量的光譜的漂移、拉伸或壓縮或者因?yàn)闇y(cè)量條件的變化使得H發(fā)生變化，因此把H看成固定不變的可能會(huì)帶來誤差。
60年代卡爾曼(Kalman)把狀態(tài)空間模型引入濾波理論，并導(dǎo)出了一套遞推估計(jì)算法，后人稱之為卡爾曼濾波理論。卡爾曼濾波是基于最小均方誤差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則的遞推估計(jì)的算法，其基本思想是利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值來更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，求出最優(yōu)估計(jì)。它適合于實(shí)時(shí)處理和計(jì)算機(jī)運(yùn)算，可以有效的解決測(cè)量噪聲或者系統(tǒng)帶來的不確定性問題，從而魯棒反演氣體濃度。
在實(shí)際的氣體濃度檢測(cè)中，在得到氣體濃度分布場(chǎng)的同時(shí)，往往需要知道其它參數(shù)的分布，如溫度。在化工生產(chǎn)中，溫度的分布對(duì)生產(chǎn)工藝、狀態(tài)控制是起著非常重要的。如果能夠在測(cè)量濃度的同時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行估計(jì)，那將是非常有意義的。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在氣體光譜吸收技術(shù)(DOAS和TDLAS)的基礎(chǔ)上，引入了氣體狀態(tài)空間理論，建立了氣體狀態(tài)空間模型，并結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，提供了一種能對(duì)氣體濃度和溫度同時(shí)進(jìn)行估計(jì)的氣體狀態(tài)定量分析儀。
一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的氣體狀態(tài)(濃度、溫度)定量分析儀，由光源、接收系統(tǒng)、光探測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，光探測(cè)系統(tǒng)接入計(jì)算機(jī)。光源發(fā)出光波通過被測(cè)氣體后，經(jīng)接收系統(tǒng)進(jìn)入光探測(cè)系統(tǒng)，光探測(cè)系統(tǒng)獲得光波中每個(gè)波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的透射率關(guān)系，給出對(duì)應(yīng)的光的強(qiáng)度光譜數(shù)據(jù)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)氣體狀態(tài)分析軟件將氣體吸收強(qiáng)度數(shù)據(jù)建模成測(cè)量方程，建立氣體狀態(tài)方程，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，同時(shí)反演出氣體濃度和溫度。
氣體狀態(tài)分析軟件對(duì)所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程具體如下 1.建立氣體吸收性質(zhì)先驗(yàn)數(shù)據(jù) 對(duì)于DOAS，需要預(yù)先知道一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的氣體吸收截面σ(λ)?，F(xiàn)有的吸收截面數(shù)據(jù)可以選擇哈佛大學(xué)的HITRAN公開數(shù)據(jù)庫(kù)，它包含了絕大多數(shù)常見氣體的吸收截面數(shù)據(jù)，如O3，CO2，SO2，NO2等，其中也包含了氣體在各個(gè)溫度條件下的吸收截面。結(jié)合選用的光譜儀的響應(yīng)函數(shù)得到儀器專用的氣體吸收截面數(shù)據(jù)。
對(duì)于TDLAS，譜線的線強(qiáng)度S(T)可以運(yùn)用HITRAN分子光譜軟件進(jìn)行計(jì)算。線型函數(shù)g(λ)反映了吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化也就是譜線加寬。對(duì)于氣體工作物質(zhì)，主要的譜線加寬類型就是由碰撞引起的均勻加寬(Lorenz線型)和分子熱運(yùn)動(dòng)引起的多普勒非均勻加寬(Gauss線型)。低壓情況下吸收線為多普勒展寬占優(yōu)勢(shì)，可以用Gauss線型來擬合實(shí)際的吸收線；而當(dāng)壓強(qiáng)很高的情況下碰撞展寬占優(yōu)勢(shì)，可以用Lorenz線型來擬合吸收線；在壓強(qiáng)處于兩者之間的情況下，兩種展寬機(jī)制都存在，這時(shí)用Voigt線型來擬合，它是Gauss和Lorenz函數(shù)的卷積形式。
2.測(cè)量光譜預(yù)處理 在光譜吸收技術(shù)中，會(huì)獲得經(jīng)氣體吸收的測(cè)量光譜和未經(jīng)氣體衰減的光源光譜，有時(shí)也會(huì)獲取背景光譜。測(cè)量光譜和光源光譜減去背景光譜，消除背景光干擾。然后，用減去背景光譜的測(cè)量光譜除以做了同樣處理的光源光譜，對(duì)其結(jié)果取對(duì)數(shù)，就得到所需要的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)。
3.氣體狀態(tài)空間模型建立 首先將濃度和溫度這兩個(gè)參量組成一個(gè)整體作為狀態(tài)量。
(4)式中，k表示時(shí)間，Ck表示在波長(zhǎng)λk時(shí)的氣體濃度，Tk表示在波長(zhǎng)λk時(shí)的氣體溫度，Xk表示濃度和溫度共同組成的狀態(tài)量。因?yàn)樵趯?shí)際狀態(tài)測(cè)量中，基本上是在同一時(shí)刻對(duì)所有波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量 (5)式表明狀態(tài)Xk相對(duì)于時(shí)間的變化為零，換句話說，氣體濃度和溫度不隨時(shí)間的變化而改變。通過離散化就可以得到 Xk＝Xk-1+Wk-1(6) Wk-1為狀態(tài)噪聲，該式也就是濃度和溫度狀態(tài)空間中的狀態(tài)方程。對(duì)于濃度溫度的聯(lián)合估計(jì)，接下來把TDLAS或者DOAS系統(tǒng)測(cè)量所得光譜數(shù)據(jù)，建模成測(cè)量方程 Zk＝f(Ck，Tk)+vk(7) (7)式中，Zk為測(cè)量值，f為濃度C、溫度T的非線性函數(shù)，vk為測(cè)量噪聲。因?yàn)闇囟葘?duì)吸收光譜的影響是非線性的，所以用f來表示為參數(shù)對(duì)測(cè)量值的非線性影響。
在吸收光譜法中，測(cè)量值記為Dk，則有 Zk＝Dk(8) 根據(jù)Beer-Lambert定理可知 對(duì)于DOAS有 f(Ck，Tk)＝σk(Tk)CkL(9) 對(duì)于TDLAS有 f(Ck，Tk)＝PS(Tk)g(λk，Tk)CkL(10) 將(10)式中PS(Tk)g(λk，Tk)統(tǒng)一記為σk(Tk)，σk(Tk)為溫度T時(shí)氣體吸收截面，所以對(duì)于兩種光譜吸收法，f(Ck，Tk)都可以表示為(9)式。把(8)(9)兩式代入到(7)式中可以得到吸收光譜法統(tǒng)一的測(cè)量方程 Dk＝σk(Tk)CkL+vk(11) 對(duì)于DOAS，Dk來源于氣體的差分吸收光譜，σk(Tk)來源于HITRAN公開數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)于TDLAS，Dk來源于可調(diào)諧激光器每一頻率的掃描線對(duì)應(yīng)的一組入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)，σk(Tk)來源于氣體吸收峰線型函數(shù)g(λ；T)和運(yùn)用HITRAN分子光譜軟件計(jì)算得到的譜線線強(qiáng)度S(T)。
(6)式狀態(tài)方程和(11)式測(cè)量方程共同組成了濃度和溫度的狀態(tài)空間方程組。(11)式的測(cè)量方程是非線性的，因此無法直接采用卡爾曼濾波對(duì)這個(gè)狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)，而需采用擴(kuò)展卡爾曼濾波。
4.利用擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)氣體濃度、溫度反演 擴(kuò)展卡爾曼濾波理論和步驟如下 對(duì)于非線性方程Zk＝f(Ck，Tk)+vk，首先在

處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開并取其一次項(xiàng)得 轉(zhuǎn)化后得 將(9)式代入到(13)式，可以得到 令 結(jié)合(4)式和(8)式，將(14)式簡(jiǎn)化為 Dk＝HkXk+Nk+vk′(17) 至此得到了卡爾曼濾波需要的狀態(tài)方程和線性測(cè)量方程。下一步引入卡爾曼濾波的迭代公式 Pk/k-1＝Pk-1+Qk(19) Kk＝Pk/k-1(Hk)T[HkPk-1(Hk)T+Rk]-1(20) Pk＝(I-KkHk)Pk/k-1(22) 其中，，初值為，協(xié)方差P0＝VarX0。
在對(duì)吸收截面進(jìn)行求偏導(dǎo)時(shí)，必須注意TDLAS中，σk(Tk)＝PS(Tk)g(λk，Tk)，吸收截面關(guān)于溫度的函數(shù)表達(dá)式已知；但是在DOAS中的吸收截面的函數(shù)是未知的，可以利用吸收截面的數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)。將偏導(dǎo)轉(zhuǎn)化為如下形式 在處找一個(gè)非?？拷?

的Tk值，然后取它對(duì)應(yīng)的吸收截面值σk(Tk)，代入(23)式中計(jì)算偏導(dǎo)。求偏導(dǎo)的精度跟吸收截面數(shù)據(jù)庫(kù)的精度有關(guān)，對(duì)于溫度分割較細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠找到很接近

的吸收截面，這樣測(cè)量方程的吸收矩陣比較精確。對(duì)于溫度分割尺度較大的吸收截面數(shù)據(jù)庫(kù)，通常采取插值的方法，求取偏導(dǎo)，這樣吸收矩陣的誤差相對(duì)較大。
結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)，利用(18)～(22)的濾波公式就可以對(duì)待測(cè)氣體的濃度和溫度同時(shí)進(jìn)行在線估計(jì)了。
所述的光源部分可以根據(jù)實(shí)際情況確定，可以采用光譜范圍寬的氙弧燈，也可以采用半導(dǎo)體紅外激光器，其他包括光學(xué)視窗、精密光路調(diào)整機(jī)構(gòu)、半導(dǎo)體激光器電流驅(qū)動(dòng)電路、激光器溫度控制電路等部件組成；基于DOAS的系統(tǒng)，所述的光源選用光譜范圍寬的氙弧燈或其他類型的光源；基于TDLAS的系統(tǒng)，所述的光源選用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器及其配套的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
所述的接收系統(tǒng)選用望遠(yuǎn)系統(tǒng)或光纖。
所述的光探測(cè)系統(tǒng)由光電傳感器、光電轉(zhuǎn)換電路、光學(xué)視窗、精密光路調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。其中光電傳感器，用于測(cè)量光波中每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選用?；贒OAS的系統(tǒng)，所述的光探測(cè)系統(tǒng)選用紫外光譜儀、紅外光譜儀或其他波段的光譜儀；基于TDLAS的系統(tǒng)，所述的光探測(cè)系統(tǒng)選用由各種光電二極管或其他光輻射探測(cè)器件組成的光探測(cè)器。
光探測(cè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸線相連接，數(shù)據(jù)傳輸線可以采用RS-232串口形式，485總線、USB形式或者其他能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)形式與計(jì)算機(jī)相連。
計(jì)算機(jī)可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、工控計(jì)算機(jī)等計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為 不但可以在線估計(jì)氣體濃度分布場(chǎng)，而且可以同時(shí)對(duì)氣體溫度進(jìn)行估計(jì)，這對(duì)化工生產(chǎn)中的生產(chǎn)工藝、狀態(tài)控制有著非常重要的意義。
應(yīng)用了卡爾曼濾波算法，魯棒性高，能消除由于測(cè)量噪聲和環(huán)境因素變化帶來的影響，反演精度高。
由于卡爾曼濾波的基本方程是時(shí)間域內(nèi)的遞推形式，其計(jì)算過程是一個(gè)不斷地“預(yù)測(cè)一修正”過程，在求解時(shí)不要求存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，并且一旦觀測(cè)到了新的數(shù)據(jù)，隨時(shí)可以算得新的濾波值，因此非常便于實(shí)時(shí)處理和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。



圖1為本發(fā)明裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為本發(fā)明裝置氣體濃度分析軟件的操作流程圖。

具體實(shí)施例方式 如圖1所示，一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的氣體濃度、溫度定量分析儀，包括光源、接收系統(tǒng)、光探測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。
光源部分可以根據(jù)實(shí)際情況確定，基于DOAS的系統(tǒng)，所述的光源選用光譜范圍寬的氙弧燈或其他類型的光源；基于TDLAS的系統(tǒng)，所述的光源選用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器及其配套的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
接收系統(tǒng)選用望遠(yuǎn)系統(tǒng)或光纖。
基于DOAS的系統(tǒng)，所述的光探測(cè)系統(tǒng)選用紫外光譜儀、紅外光譜儀或其他波段的光譜儀；基于TDLAS的系統(tǒng)，所述的光探測(cè)系統(tǒng)選用由各種光電二極管或其他光輻射探測(cè)器件組成的光探測(cè)器。
光探測(cè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸線相連接，數(shù)據(jù)傳輸線可以采用RS-232串口形式，485總線、USB形式或者其他能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)形式與計(jì)算機(jī)相連。
計(jì)算機(jī)可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、工控計(jì)算機(jī)等計(jì)算機(jī)。
氣體濃度、溫度分析軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理過程如圖2所示 (1)建立氣體吸收性質(zhì)先驗(yàn)數(shù)據(jù) 首先給出氣體溫度的初始值，利用現(xiàn)有的吸收截面數(shù)據(jù)如哈佛大學(xué)的HITRAN公開數(shù)據(jù)庫(kù)，它包含了絕大多數(shù)常見氣體的吸收截面數(shù)據(jù)，如O3，CO2，SO2，NO2等，其中也包含了氣體在各個(gè)溫度條件下的吸收截面，結(jié)合選用的光譜儀的響應(yīng)函數(shù)得到儀器專用的氣體吸收截面數(shù)據(jù)。
對(duì)于TDLAS，譜線的線強(qiáng)度S(T)可以運(yùn)用HITRAN分子光譜軟件進(jìn)行計(jì)算。線型函數(shù)g(λ)反映了吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化也就是譜線加寬。對(duì)于氣體工作物質(zhì)，主要的譜線加寬類型就是由碰撞引起的均勻加寬(Lorenz線型)和分子熱運(yùn)動(dòng)引起的多普勒非均勻加寬(Gauss線型)。低壓情況下吸收線為多普勒展寬占優(yōu)勢(shì)，可以用Gauss線型來擬合實(shí)際的吸收線；而當(dāng)壓強(qiáng)很高的情況下碰撞展寬占優(yōu)勢(shì)，可以用Lorenz線型來擬合吸收線；在壓強(qiáng)處于兩者之間的情況下，兩種展寬機(jī)制都存在，這時(shí)用Voigt線型來擬合，它是Gauss和Lorenz函數(shù)的卷積形式。
(2)測(cè)量光譜預(yù)處理 獲得經(jīng)氣體吸收的測(cè)量光譜和未經(jīng)氣體衰減的光源光譜。有時(shí)也會(huì)獲取背景光譜。測(cè)量光譜和光源光譜減去背景光譜，消除背景光干擾。然后，用減去背景光譜的測(cè)量光譜除以做了同樣處理的光源光譜，對(duì)其結(jié)果取對(duì)數(shù)，就得到所需要的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)。
(3)計(jì)算機(jī)反演 建立狀態(tài)空間方程，結(jié)合經(jīng)過預(yù)處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波模塊(公式(18)～(22))對(duì)氣體濃度、溫度進(jìn)行反演，根據(jù)反演后的溫度數(shù)據(jù)與步驟1相同，重新計(jì)算氣體吸收截面數(shù)據(jù)或譜線的線強(qiáng)度S(T)，迭 代求解輸出結(jié)果。
實(shí)施例 待測(cè)氣體為氧氣，激光在氣室中的光程為40cm，LD激光器發(fā)出的激光束穿過石英氣體室中的被測(cè)氣體被傳感器接受。石英氣室放置于加熱爐的恒溫區(qū)中，恒溫區(qū)溫度可以調(diào)節(jié)。氣室中的氣體溫度可以通過熱電偶準(zhǔn)備測(cè)量。
利用可調(diào)諧二極管激光器產(chǎn)生的頻率連續(xù)變化的激光束掃描特定氣體的吸收峰，激光束經(jīng)被測(cè)氣體后進(jìn)入中央處理單元獲得每個(gè)頻率的激光束相對(duì)應(yīng)的透射率關(guān)系，給出對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)的強(qiáng)度光譜數(shù)據(jù)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)得到光譜數(shù)據(jù)后，氣體濃度分析軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理。
(1)隨意設(shè)置氣體溫度初值，在當(dāng)前溫度下，譜線的線強(qiáng)度S(T)可以運(yùn)用HITRAN分子光譜軟件進(jìn)行計(jì)算。
由于氣體分壓強(qiáng)比較小，而且氣體分子量也比較小，多普勒譜線加寬占主要作用，所以氣體線型函數(shù)g(v)可以用高斯線型模擬， 式中v0為氣體的吸收線中心頻率，v0＝6046.19527cm-1；ΔvG為氣體多普勒展寬半寬度， (2)實(shí)際濃度已知的氣體，加入混合氣體，形成不同的測(cè)量噪聲，利用光譜儀得到測(cè)量光譜和未經(jīng)氣體衰減的光源光譜。然后，測(cè)量光譜除以光源光譜，所得的結(jié)果取對(duì)數(shù)，得到所需要的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)。
(3)設(shè)置任意濃度初始值為

，濃度誤差協(xié)方差為p0，噪聲協(xié)方差矩陣Q0，R0，利用公式(18)～(22)進(jìn)行迭代計(jì)算，迭代計(jì)算中，根據(jù)溫度估計(jì)值更新譜線的線強(qiáng)度S(T)等值，最終給出濃度、溫度反演結(jié)果。
表1不同情況下的擴(kuò)展卡爾曼濃度、溫度分析結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的氣體狀態(tài)定量分析儀，基于差分吸收光譜技術(shù)DOAS或可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)TDLAS，由光源、接收系統(tǒng)、光探測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，光探測(cè)系統(tǒng)接入計(jì)算機(jī)，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)內(nèi)加裝基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的氣體狀態(tài)分析軟件，其中包括擴(kuò)展卡爾曼濾波迭代模塊，對(duì)氣體濃度和溫度特性同時(shí)進(jìn)行在線估計(jì)；
光源發(fā)出光波通過被測(cè)氣體后，經(jīng)接收系統(tǒng)進(jìn)入光探測(cè)系統(tǒng)，光探測(cè)系統(tǒng)獲得光波中每個(gè)波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的透射率關(guān)系，給出對(duì)應(yīng)的光的強(qiáng)度光譜數(shù)據(jù)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)氣體狀態(tài)分析軟件將氣體吸收強(qiáng)度數(shù)據(jù)建模成測(cè)量方程，建立氣體狀態(tài)方程，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，同時(shí)反演出氣體濃度和溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體狀態(tài)定量分析儀，其特征在于氣體狀態(tài)分析軟件對(duì)所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程為
(1)建立氣體吸收性質(zhì)先驗(yàn)數(shù)據(jù)；
(2)測(cè)量光譜預(yù)處理；
(3)建立氣體狀態(tài)空間模型，所述的氣體狀態(tài)空間模型包括氣體的濃度和溫度的狀態(tài)方程Xk＝Xk-1+Wk-1和測(cè)量方程DK＝σk(Tk)CkL+vk
其中k為時(shí)間，Xk表示濃度和溫度共同組成的狀態(tài)量，Wk-1為狀態(tài)噪聲，Dk表示光譜測(cè)量值，σk(Tk)為溫度T時(shí)氣體吸收截面，Ck表示氣體濃度，L表示光程，vk為測(cè)量噪聲；
(4)利用擴(kuò)展卡爾曼濾波理論實(shí)現(xiàn)氣體濃度、溫度反演。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體狀態(tài)定量分析儀，其特征在于基于DOAS的系統(tǒng)，所述的光源選用氙弧燈；基于TDLAS的系統(tǒng)，所述的光源選用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器及其配套的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體狀態(tài)定量分析儀，其特征在于所述的接收系統(tǒng)選用望遠(yuǎn)系統(tǒng)或光纖。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體狀態(tài)定量分析儀，其特征在于基于DOAS的系統(tǒng)，所述的光探測(cè)系統(tǒng)選用紫外光譜儀、紅外光譜儀或其他波段的光譜儀；基于TDLAS的系統(tǒng)，所述的光探測(cè)系統(tǒng)選用由各種光電二極管或其他光輻射探測(cè)器件組成的光探測(cè)器。
6.如權(quán)利要求1所述的氣體狀態(tài)定量分析儀，其特征在于所述的光探測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸線連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的氣體狀態(tài)定量分析儀，能夠?qū)Υ郎y(cè)氣體的濃度和溫度同時(shí)進(jìn)行在線估計(jì)。硬件部分由光源、接收系統(tǒng)、光探測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，軟件部分的由氣體狀態(tài)空間模型和擴(kuò)展卡爾曼濾波兩部分組成。光源發(fā)出光波通過被測(cè)氣體后，經(jīng)接收系統(tǒng)進(jìn)入光探測(cè)系統(tǒng)，光探測(cè)系統(tǒng)獲得光波中每個(gè)波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的透射率關(guān)系，給出對(duì)應(yīng)的光的強(qiáng)度光譜數(shù)據(jù)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)氣體狀態(tài)分析軟件將氣體吸收強(qiáng)度數(shù)據(jù)建模成測(cè)量方程，建立氣體狀態(tài)方程，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，同時(shí)反演出氣體濃度和溫度。
文檔編號(hào)G01N21/59GK101216426SQ20081005917
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者劉華鋒 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)