發(fā)明一般地涉及吸收光譜法，并且特別地涉及可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜法。本發(fā)明被應(yīng)用于(除其它的之外)由諸如工業(yè)、醫(yī)學(xué)或生理過程之類的人工或自然過程產(chǎn)生的氣體中的一個或多個種類的檢測和測量。

背景技術(shù)：

可調(diào)諧激光器波長調(diào)制吸收光譜法在各種應(yīng)用中被廣泛地使用。一個此類應(yīng)用是物質(zhì)中且特別是諸如其中可通過與其它技術(shù)比較來獲得改善的性能的工業(yè)、醫(yī)學(xué)或生理過程氣體分析之類的人工或自然過程中的化學(xué)種類(被測對象)的量的量化。

典型系統(tǒng)由諸如發(fā)射聚焦在檢測器上的一束光的可調(diào)諧二極管激光器(tdl)之類的可調(diào)諧激光源。要分析的物質(zhì)位于可調(diào)諧激光源與檢測器之間，使得入射在檢測器上的光由于其通過物質(zhì)而被修改。對光的修改使得能夠由被耦合到檢測器的信號處理系統(tǒng)來確定被測對象的各種參數(shù)。在某些情況下，要分析的物質(zhì)是由工業(yè)過程產(chǎn)生的氣體，并且被測對象可以是存在于此過程氣體中的一個或多個化學(xué)種類。被測對象種類的示例包括但不限于氣態(tài)水、o2、co和co2及諸如甲烷之類的碳?xì)浠衔?。可使用一個或多個tdl通過吸收光譜測量來確定這些被測對象種類中的一個或多個的存在和/或量分?jǐn)?shù)(濃度)。

在激光氣體分析儀系統(tǒng)的操作中，在包括被測對象的一個或多個吸收線的一定波長范圍內(nèi)掃描由tdl發(fā)射的射束的波長。在被掃描的波長范圍內(nèi)的某些特定波長下，光被被測對象吸收，并且可以通過測量通過要分析的物質(zhì)透射的光來檢測這些光譜吸收線。這允許獲取所需的光譜信息以不僅確定被測對象的量分?jǐn)?shù)，而且可選地確定壓力、溫度或背景混合物組成的影響。在某些情況下，可以使用單個激光源來測量多個被測對象。在這些情況下，跨包括用于所述多個被測對象中的每一個的至少一個可辨別吸收線的波長范圍掃描激光源的輸出波長。

在設(shè)計得很好的系統(tǒng)中，波長調(diào)制技術(shù)提供非常高的靈敏度和增強的光譜分辨率。特別地，第二諧波波長調(diào)制光譜法由于其能夠應(yīng)對在工業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)的多種光譜狀況(諸如擁塞(congested)吸收光譜、靈敏的痕量級測量和被遮蔽光學(xué)透射)而非常適合于氣體分析。

這是用以下關(guān)系式示出的，其中，等式[1]表示光學(xué)吸收的比爾-朗伯定律，其中，u是被測對象的每單位長度的分子密度，i是檢測到的光量，i0是入射光量(等于當(dāng)分子密度為零時的未被吸收量)，v是光的頻率且“a”是吸收系數(shù)。

在任何特定頻率下檢測到的光量的變化通過微分等式[1]與分子密度變化相關(guān)，并且由等式[2]給出。

等式[2]顯示如果其它環(huán)境條件是穩(wěn)定的或者被修正，則檢測到的強度的變化將與分子密度的變化成比例，并且檢測到的強度還受到入射光量的任何變化的影響。

入射光量的變化可由除吸收分子密度變化之外的許多因素引起。例如，變化可由激光輸出中的固有波動、環(huán)境光強度的變化和/或過程樣本流中的遮蔽(其可以是由灰塵、焦油、腐蝕或光束不對準(zhǔn)的任何組合而引起)而引起。在熔爐中可預(yù)期環(huán)境光的強度的遮蔽和改變。如果入射光的變化未被修正，這將導(dǎo)致已處理被測對象濃度中的測量不確定性(誤差)。已經(jīng)開發(fā)了用以處理不確定性的這些來源的技術(shù)，諸如在通過引用結(jié)合到本文中的公開專利申請gb2524725(kovacich等人)中所述。

然而，存在光學(xué)檢測器信號中的波動的另一潛在原因，其并不是由于環(huán)境光或激光輸出信號中的直接波動而引起的，而是由于隨著跨測量波長范圍掃描激光而發(fā)生并在檢測器信號中引起振蕩的相長和相消干涉而引起的。相干激光的使用意味著沿著從激光輸出到檢測器表面的光程的任何光學(xué)表面或界面處(例如來自表面/界面，諸如窗口、透鏡和反射性界面)的任何反射導(dǎo)致與入射光相比具有相位差的反射光的產(chǎn)生，因此導(dǎo)致其中光線相互作用的光學(xué)干涉。此反射光與入射光之間的相位關(guān)系可由于諸如溫度、振動和壓力波動之類的因素隨時間而變，因為這些因素可引起物理尺寸、密度或折射率變化。

檢測器對此光學(xué)干涉求積分而產(chǎn)生強度信號。由于相位差沿著測量路徑隨波長而變，所以此光學(xué)干涉的征候(或基準(zhǔn))通常是隨著跨波長測量范圍掃描激光輸出而在信號基線上產(chǎn)生振蕩。這些與其它失真組合并引起測量不準(zhǔn)確性。信號“基線”是即使不存在吸收信號也將看到的信號，換言之“信號吸收”信號。當(dāng)存在時，基線信號被疊加在實際吸收信號上。在理想世界中，基線是直線(在完美情況下以零為中心的平直線)，但實際上這從未實現(xiàn)過。基線可能跨掃描范圍并不是完美地平直的，并且可具有波動及其它失真(或“噪聲”)，其可具有隨機或系統(tǒng)化性質(zhì)，并且包括上述振蕩。這些振蕩在不存在光學(xué)干涉的情況下也稱為“條紋”信號。無論具有什么由來的這些不同的失真效應(yīng)導(dǎo)致確定吸收信號時的增加的不確定性以及因此被測對象的導(dǎo)出分子密度或濃度中的增加的不確定性。

減少此類光學(xué)干涉的一個方法是減少或消除從源至檢測器的光路中的可形成基準(zhǔn)的任何反射性或部分反射表面，諸如通過使光學(xué)組件的數(shù)目最小化、使用楔形窗口而不是平行面窗口或針對期望的波長范圍被優(yōu)化的防反射涂層。然而，實際上不可能通過減少反射性表面來完全消除此干涉效應(yīng)。在其中使用多通池的情況下，其是不可避免的，因為多通池內(nèi)的射束路徑將始終產(chǎn)生一定量的光學(xué)干涉，其對于痕量級測量而言通常是顯著的。

用以減少基線上的光學(xué)干涉的影響的另一方法是在不存在被測對象時測量并記錄參考基線。然后可從實時信號減去此參考基線以產(chǎn)生要處理的更干凈的信號。雖然這可對被測對象確定不確定性提供立即的改善，但其并未解決環(huán)境條件(特別是溫度)的變化下的基線上的振蕩，并且因此這種技術(shù)的有效性是有限的。

另一方法涉及到使用壓電元件或類似物來使有源光學(xué)元件(諸如光程中的透鏡或反射鏡)振蕩。這具有連續(xù)地改變光程長度和因此的相位變化和結(jié)果產(chǎn)生的光學(xué)干涉的效果。通過形成的干涉條紋的隨時間的積分并因此減少總體效果，這導(dǎo)致使基線上的正弦振蕩模糊或平滑化。然而，其由于使用活動元件而增加了復(fù)雜性、成本，遭受許多問題，諸如組件壽命減少和機械故障，并且實際上并未將問題完全消除。此外，大多數(shù)壓電元件要求足夠高的電壓源，其使得操作在可燃危險區(qū)域中不適當(dāng)。

另外，存在基線信號中的波動的其它潛在原因。這些可能是光學(xué)的，諸如由于環(huán)境光產(chǎn)生或散射光而引起，或者是非光學(xué)的，諸如由電磁干擾或者隨機噪聲或系統(tǒng)噪聲引起。電磁干擾可以是短期的或持久性的。

因此，仍需要一種吸收光譜氣體分析儀系統(tǒng)，其可以產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的測量結(jié)果，盡管有由于光學(xué)干涉或其它效應(yīng)而引起的基線信號中的波動，其是隨時間而變的。還需要能夠在通常在許多工業(yè)過程中(諸如在熔爐或熔爐排氣管道中)可發(fā)現(xiàn)的惡劣環(huán)境中產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的測量結(jié)果的此類分析儀系統(tǒng)。

請注意，雖然隨后的詳細(xì)說明和系統(tǒng)舉例說明了將本發(fā)明用于二次諧波(2f)波長調(diào)制光譜法以用于檢測和測量，但在本專利說明書中描述的新型技術(shù)適用于任何諧波吸收測量，即從一次諧波(直接吸收)至二次或更高次諧波的任何東西。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于在吸收光譜系統(tǒng)內(nèi)減少吸收信號的基線上的失真的影響的方法，包括步驟：控制電磁輻射源以發(fā)射電磁輻射的波長調(diào)制射束；檢測通過測試介質(zhì)的透射之后的已調(diào)制射束；處理檢測到的射束以獲得指示一個或多個被測對象的吸收效應(yīng)的信號，其中，處理包括將指示信號與針對預(yù)測的信號失真效應(yīng)具有選擇性的核函數(shù)相關(guān)或求卷積。

將指示信號與針對預(yù)測的信號失真效應(yīng)具有選擇性的核函數(shù)相關(guān)或求卷積可以緩解波動及其它失真對吸收信號基線上的影響，以減少被測對象的確定中的不確定性。盡管有各種不確定性和變化，本發(fā)明的發(fā)明人已確定可以預(yù)測并因此識別且修正吸收信號的某些特征或分量，諸如由于光學(xué)干涉效應(yīng)而引起的信號失真。可以強調(diào)預(yù)測吸收線，并且可以減少失真的影響。例如，隨著跨波長測量范圍掃描激光輸出，可以預(yù)測由異相反射(特別是沿著測量路徑隨波長而變的相位差)引起的光學(xué)干涉效應(yīng)將表現(xiàn)為信號基線上的正弦振蕩(或“準(zhǔn)正弦”振蕩，其在本文中指的是具有已修改正弦波—具有額外分量的正弦信號)。

本發(fā)明的第二方面提供了一種吸收光譜系統(tǒng)，包括：電磁輻射源，其用于發(fā)射波長調(diào)制光子束；檢測器，其用于檢測通過測試介質(zhì)的透射之后的已調(diào)制光子束；信號處理單元，其用于處理檢測到的射束以獲得指示一個或多個被測對象的吸收效應(yīng)的信號，其中，所述處理單元適合于執(zhí)行處理，該處理包括將指示信號與針對預(yù)測的信號失真效應(yīng)具有選擇性的核函數(shù)相關(guān)或求卷積，以便減少信號失真對一個或多個被測對象的吸收效應(yīng)的測量結(jié)果的影響。

下面描述了本發(fā)明的各種實施例。一般地，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這些實施例的特征是互補的，并且因此可與其它實施例的特征組合或被其替換。

在本發(fā)明的某些實施例中，將第一核函數(shù)選擇(挑選或生成)為具有強調(diào)或抑制預(yù)期基線失真輪廓的輪廓。在許多系統(tǒng)中，這將被認(rèn)為是不可能的，因為諸如光學(xué)和電磁干擾效應(yīng)及其它“噪聲”之類的失真被認(rèn)為是隨機的且至少不可預(yù)測的效應(yīng)。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到可通過預(yù)測噪聲分量的特性輪廓來識別信號“噪聲”的某些分量，并且可以通過與針對預(yù)測信號失真效應(yīng)具有選擇性的核求卷積或相關(guān)而進行修正，以強調(diào)或減少信號的某些預(yù)測失真。預(yù)測某些信號失真效應(yīng)的存在和使用一個或多個核函數(shù)來處理吸收信號導(dǎo)致更準(zhǔn)確的測量結(jié)果?？梢允褂迷S多核函數(shù)，其每個對于信號的預(yù)測特征或分量而言是最佳的。

在實施例中，可將基線核或逆基線核與該信號相關(guān)或求卷積以確定“已修正”基線信號，并且因此用來減少基線失真的可預(yù)測形狀方面的影響。對已修正基線信號的此提及意圖指的是表示在系統(tǒng)噪聲的影響被減少或消除的情況下將看到的東西的已處理基線信號。

在某些實施例中，將核函數(shù)選擇成具有對應(yīng)于預(yù)測吸收信號輪廓或針對該預(yù)測吸收信號輪廓具有選擇性的輪廓。通過去除或減少“噪聲”對測量信號的影響，這可以用來增強吸收信號。可將核與信號相關(guān)或求卷積以減少基線失真的形狀方面的影響。

在本發(fā)明的某些實施例中，選擇第一核函數(shù)以識別可預(yù)測信號波動及其它失真，將其去除或減少其影響，并且然后選擇第二核函數(shù)并用來進一步增強吸收信號。

在其它實施例中，可將單個核與兩個信號相關(guān)或求卷積以減少基線上的波動的形狀方面的影響，并由于吸收信號而增強形狀方面且因此減少基線上的光學(xué)干涉的相對影響。

在某些實施例中，吸收形狀輪廓是從測量的已知參考光譜導(dǎo)出的。

在某些實施例中，在時域中處理核和信號的相關(guān)或卷積。

在某些實施例中，在頻域或傅立葉域中處理核和信號的相關(guān)或卷積。

在某些實施例中，在相關(guān)或卷積中使用的核可由用以強調(diào)期望信號特征的洛倫茲、高斯或voigt或用以識別并減少或強調(diào)基線信號上的正弦波動的正弦函數(shù)或者這些函數(shù)中的兩個或更多的組合構(gòu)成。

在某些實施例中，在相關(guān)或卷積中使用的核可以是從經(jīng)驗形狀、理論形狀或兩者的組合導(dǎo)出的。

在某些實施例中，該信號可以是用二次諧波(2f)波長調(diào)制光譜法或其它諧波檢測導(dǎo)出的，并且可涉及到用于光強度波動的補償技術(shù)，諸如2f或者可以被用作參考信號的其它調(diào)頻突發(fā)。

在某些實施例中，可以將核與信號相關(guān)或求卷積以減少基線上的波動的形狀方面的影響，并由于被用作參考信號的調(diào)制突發(fā)而增強形狀方面，并且因此減少基線失真對光強度補償?shù)南鄬τ绊憽?/p>

在某些實施例中，可將核與信號相關(guān)或求卷積以減少基線上的波動的形狀方面的影響并由于參考調(diào)制突發(fā)和吸收信號而增強形狀方面，并且因此減少對基線上的波動的測量準(zhǔn)確度的相對影響。

最佳核形狀可根據(jù)要測量的氣體和環(huán)境條件(諸如背景氣體、溫度和壓力)而改變。在某些情況下，將用于特定被測對象的優(yōu)選核將根據(jù)環(huán)境條件而改變，并且因此可將本發(fā)明實現(xiàn)成在核函數(shù)之間切換，例如針對低溫、高壓環(huán)境條件使用洛倫茲核且針對高溫、低壓條件使用高斯核，并且針對中間區(qū)域使用voigt核。

在某些特定情況下，核形狀可對應(yīng)于混合吸收線，諸如雙重線或三重線或更高階。

核形狀也可以是憑經(jīng)驗、在理論上或以兩者的組合的方式導(dǎo)出的。

另外，核可以是正弦、準(zhǔn)正弦或任何其它定義形狀，其對應(yīng)于或者是關(guān)于基線上的基線失真圖的形狀或逆形狀，并且可在理論上、憑經(jīng)驗或者通過兩者的組合來導(dǎo)出。

核還可以是上述形狀函數(shù)中的兩個或更多的組合。

在某些實施例中，核使用來自內(nèi)部參考池的實時或存儲信號。內(nèi)部參考池可以是光學(xué)元件和/或可包含樣本中的要確定的被測對象和/或可包含另一吸收化合物(或其它化合物)，其在接近于要測量的被測對象吸收特征的區(qū)域中吸收，其與要測量的量和特征具有定義關(guān)系。該定義關(guān)系可以是參考吸收線與被測對象的感興趣吸收線相比的相對位置和/或可以是參考的線形類似于要確定的被測對象的線形。內(nèi)部參考池還可以是溫度控制的和/或具有溫度傳感器和/或是壓力控制的和/或具有壓力傳感器。可通過將被用來獲得主要吸收信號(即被測對象)的激光的一部分經(jīng)由諸如射束分離器或部分反射性元件之類的光學(xué)元件引導(dǎo)至輔助吸收光路中來導(dǎo)出內(nèi)部參考信號。然后可將此二次吸收線路徑通過參考池(諸如包含參考混合物的光學(xué)透射比色杯—被密封或者可用參考混合物沖洗)引導(dǎo)到二次光學(xué)檢測器上。來自內(nèi)部參考池的此參考信號因此是在已知條件下獲得的。本發(fā)明可用來緩解信號失真對內(nèi)部參考池信號的影響，本方法然后包括通過與適當(dāng)?shù)暮撕瘮?shù)求卷積或相關(guān)來處理使用內(nèi)部參考池獲得的信號。

在替換實施例中，使用內(nèi)部參考池來提供指示一個或多個被測對象進行的吸收的信號，其然后被用來生成用于處理在波長調(diào)制射束通過測試介質(zhì)的透射之后檢測到的信號的核函數(shù)。

其中核包括被測對象的多個吸收線的實施例。

選定核可以具有諸如凈面積或縱橫比之類的定義性質(zhì)。

本方法有利于針對人工或自然過程(諸如針對醫(yī)學(xué)、生理或工業(yè)過程氣體分析)測量包含氣體的體積中的一個或多個被測對象種類的量分?jǐn)?shù)。此測量可以是就地的，諸如跨熔爐或熔爐的排氣管道或其它工業(yè)過程室或氣體池，或者其可以在提取系統(tǒng)中發(fā)生，該提取系統(tǒng)例如包括諸如涉及到溫度控制和/或減濕的氣體調(diào)節(jié)部件。該測量可以涉及到使用向后反射器或其它適當(dāng)部件(諸如懷特或赫里奧特池布置)來在限制長度內(nèi)延長有效光路的光束單遍測量或多遍測量。用于延長光路的此類布置是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所已知的，并且在這里將不進一步討論。

修正的方法對可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法(tdls)特別有益，其中，可以通過對激光管激光器的偏流施加已調(diào)制控制信號來控制二極管激光器。本發(fā)明的發(fā)明人已確定與定義核函數(shù)的相關(guān)或卷積技術(shù)的應(yīng)用可以減少不想要的基線振蕩的影響。

附圖說明

下面僅以示例的方式參考以下附圖來描述本發(fā)明的實施例，在所述附圖中：

圖1是部署為工業(yè)過程氣體分析儀的激光氣體分析儀系統(tǒng)的示意圖；

圖2是作為時間的函數(shù)示出了施加于形成可調(diào)諧二極管激光器的一部分的二極管激光器的偏流的圖；

圖3是作為波長的函數(shù)示出氧氣的吸收輪廓的圖；

圖4是作為波長的函數(shù)示出一氧化碳和水的吸收輪廓的圖；

圖5是用于tdls系統(tǒng)的信號對比時間的圖，也示出了已解調(diào)(二次諧波)信號。

圖6是解調(diào)方法的圖示。

圖7是其中在tdls測量中可發(fā)生光學(xué)干涉的圖示。

圖8示出了純粹被設(shè)計成恢復(fù)二次諧波洛倫茲氣體信號的簡單核與被設(shè)計成抑制光學(xué)干涉并恢復(fù)氣體信號兩者的更高級核之間的比較。

圖9是洛倫茲線形的傅立葉變換的圖示。

圖10示出了用于核函數(shù)的典型輪廓。

圖11示出了用以獲得濾波器輸出的過程中的各階段。

圖12示出了在概念上用于獲得時域卷積濾波器輸出的過程。

圖13示出了用于未施加(a)和施加(b)補零的情況下的tdls二次諧波系統(tǒng)的信號。

圖14示出了用于(洛倫茲)卷積濾波器和常規(guī)貝塞爾濾波器的tdls二次諧波系統(tǒng)的輸出之間的模擬比較。

圖15示出了三級貝塞爾濾波器和(洛倫茲)卷積濾波器之間的用于tdls二次諧波系統(tǒng)的模擬頻率響應(yīng)比較。

圖16示出了將實際數(shù)據(jù)用于用標(biāo)準(zhǔn)貝塞爾濾波器和用針對2,000ppm氮氣中一氧化碳測量而應(yīng)用的卷積濾波器進行的一氧化碳測量的示例。

圖17示出了將實際數(shù)據(jù)用于用標(biāo)準(zhǔn)貝塞爾濾波器和用針對0ppm氮氣中一氧化碳測量而應(yīng)用的卷積濾波器進行的一氧化碳測量的示例。

具體實施方式

在本發(fā)明的實施例在其中操作的更寬泛系統(tǒng)的背景中可最佳地理解本發(fā)明的實施例。圖1以示意性形式示出了典型激光氣體分析儀系統(tǒng)100的主要組件。系統(tǒng)100包括激光器105，其可以是可調(diào)諧激光器，諸如可調(diào)諧二極管激光器(tdl)。可調(diào)諧二極管激光器對于技術(shù)人員而言是眾所周知的，并且因此在這里將不進行更詳細(xì)的描述。

可選地，可提供激光器底座110以將激光器105固定在適當(dāng)位置。如果存在的話，優(yōu)選地激光器底座110允許對激光器105的角度進行微調(diào)以促進射束對準(zhǔn)。激光器底座110可包括至少對由激光器105發(fā)射的光的波長透明的窗口(未示出)。

激光器105發(fā)射特定波長λ的射束115。在激光器105是可調(diào)諧激光器的情況下，可以使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的方法由激光器105的控制器145來改變λ。例如，在tdl的情況下，可以通過調(diào)整激光器的溫度和二極管偏流中的一者或兩者來改變λ。通常，改變偏流從而促使λ作為時間的函數(shù)以促使其跨與系統(tǒng)要檢測的被測對象種類相對應(yīng)的一個或多個吸收線進行掃描的方式改變?？蓪崿F(xiàn)赫茲至千赫范圍內(nèi)的掃描頻率。λ可在電磁波譜的近紅外部分中。λ可在約200nm至約16000nm的范圍內(nèi)。λ將由技術(shù)人員根據(jù)被測對象種類和對tdl的波長范圍的需要而選擇成包含被測對象種類的一個或多個吸收峰值。

射束115被指引，使得其通過包含要分析的樣本的體積。在圖1的實施例中，樣本是在隔室125中產(chǎn)生或流過隔室125的氣體混合物120，但是將認(rèn)識到的是將根據(jù)系統(tǒng)100被布置在其中的環(huán)境而進行對此布置的改變。隔室125可以是熔爐或管道，諸如熔爐排氣管或氣體池。氣體混合物120可以是由工業(yè)過程(諸如熔爐排放氣體)產(chǎn)生的氣體或在人工或自然過程應(yīng)用中使用的氣體?？稍诟羰?25中提供窗口(未示出)，以允許射束115穿透隔室125并通過氣體混合物120。可在隔室125中提供另一窗口(未示出)以允許射束115離開隔室125。

系統(tǒng)100還包括能夠檢測到處于由激光105發(fā)射的波長的光的檢測器130。檢測器130可以是技術(shù)人員已知的任何類型的光電檢測器，例如光電二極管?？蛇x地，可提供檢測器底座135以將檢測器130固定在適當(dāng)位置。如果存在的話，優(yōu)選地檢測器底座135允許對檢測器130的角度進行微調(diào)以促進與透射射束的對準(zhǔn)。檢測器底座130可包括至少對由激光器105發(fā)射的光的波長透明的窗口(未示出)。可在檢測器130的前面(可能作為檢測器底座135的一部分)提供一個或多個干涉濾光器(未示出)以基本上減小落在檢測器130上的環(huán)境光的強度。在某些實施例中，存在附加光機械段以凈化吸收路徑長度中的死體積和/或保持諸如透鏡或窗口之類的光學(xué)特征清潔且無刮痕和/或管理表面溫度。

氣體混合物120可包括許多不同的組分。這些可以是一個或多個元素、化合物或元素與化合物的混合物。典型組分包括但不限于o2、co、co2、氣態(tài)h2o和諸如ch4之類的碳?xì)浠衔锏娜魏谓M合。系統(tǒng)100可進行操作以檢測氣體混合物120的組分中的一個或多個的存在。要檢測的化合物在下文中將被稱為“被測對象”。系統(tǒng)100可進行操作以另外或替換地確定一個或多個被測對象的至少一個參數(shù)，諸如量分?jǐn)?shù)。確定的至少一個參數(shù)可被用作用于控制工業(yè)過程的輸入，可能作為用于反饋環(huán)路的反饋。每個被測對象在其吸收光譜中具有一個或多個吸收線。吸收線對于技術(shù)人員而言是眾所周知的，并且因此在這里將不進行更詳細(xì)的描述。

檢測器130和激光器105被通信耦合到電子檢測系統(tǒng)140。該耦合在圖1中被描繪為雙箭頭。電子檢測系統(tǒng)140可以是包括至少一個處理器和存儲器的印刷電路板(pcb)。電子檢測系統(tǒng)140另外可包括二次諧波檢測電子裝置、解調(diào)濾波器和解調(diào)混頻器或開關(guān)的任何組合。電子檢測系統(tǒng)(140)還可包括用以允許數(shù)字信號操縱和處理技術(shù)并提供用戶接口的數(shù)字電子裝置，但模擬技術(shù)也是可能的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到根據(jù)給定系統(tǒng)的特定細(xì)節(jié)對此布置的修改是可能的。

控制器145被配置成控制激光器105，包括控制激光輸出波長λ。在其中激光器105是tdl的情況下，控制器145被配置成至少作為時間的函數(shù)來調(diào)整二極管激光器偏流，并且還可包括二極管激光器的溫度控制。在本說明書中稍后給出了此調(diào)整的更多細(xì)節(jié)。

電子檢測系統(tǒng)140也被配置成從檢測器130接收輸出信號，其作為時間的函數(shù)指示入射在檢測器130上的光。電子檢測系統(tǒng)140進一步被配置成處理此輸出信號，如在本說明書中更詳細(xì)地描述的。電子檢測系統(tǒng)140可被配置成被耦合到顯示設(shè)備(未示出)，并且可被配置成允許顯示設(shè)備示出來自檢測器130的原始輸出、來自檢測器130的已處理輸出、激光器105的波長和激光器偏流中的一個或多個。作為這些參數(shù)的任何組合的替代或除此之外可示出其它參數(shù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠輕易地根據(jù)這些說明來構(gòu)造電子檢測系統(tǒng)140。

圖2作為時間的函數(shù)示出了施加于形成可調(diào)諧二極管激光器的一部分的二極管激光器的偏流。該偏流由控制器145生成。如從圖2可以看到的，該偏流包括三個分量。第一個是用以在被測對象的一個或多個吸收線或者一組被測對象中的每一個的一個或多個吸收線內(nèi)以恒定的速率掃描tdl輸出波長的低頻斜坡(在本圖中是線性的)。

除此低頻掃描之外，在某些實施例中，可以添加頻率高得多的第二偏流調(diào)制(例如，正弦調(diào)制)。此高頻偏置電流調(diào)制是可選的，并且是為了允許執(zhí)行波長調(diào)制光譜法(例如二次諧波檢測)而提供的。

當(dāng)在電磁波譜的擁塞部分中執(zhí)行激光光譜法時；即在存在相互接近的許多吸收線或者甚至重疊的吸收線的情況下，有利地使用波長調(diào)制光譜法。這是因為其提供了要在由于來自背景混合物的其它化學(xué)種類而相干涉的吸收線之中挑選出被測對象的特定吸收線可能需要的增強分辨率。在某些情況下，二次諧波波長調(diào)制光譜法相比于直接吸收或一次諧波波長調(diào)制光譜法而言是優(yōu)選的，因為第二諧波技術(shù)提供更大的分辨率。用于執(zhí)行一次和二次諧波激光波長調(diào)制光譜法的電子技術(shù)是很好地確立的，并且是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所已知的。

在二次諧波波長調(diào)制光譜法的情況下，在一個特定實施例中，電子檢測系統(tǒng)140被配置成選擇由吸收線對調(diào)頻激光信號的影響產(chǎn)生的二次諧波信號，其然后被接收到入射光的光電二極管(或其它適當(dāng)?shù)母泄庠?以兩倍的調(diào)整頻率轉(zhuǎn)換成光電流信號。由于檢測到二次諧波信號是在非常窄的光譜通帶中檢測到的，所以噪聲抑制是極高的，允許高度靈敏的化學(xué)種類檢測。該過程對于其它諧波檢測方案(諸如一次和三次諧波)而言是類似的，但是信號隨著諧波級次增加而逐漸變?nèi)?，并且二次諧波信號提供信號強度、噪聲抑制和光譜分辨率之間的最佳平衡。

可存在偏流的第三分量，其為通常具有短持續(xù)時間的人工生成的二次諧波信號(即處于所施加第二分量調(diào)制的頻率的兩倍)，在本文中稱為二次諧波突發(fā)200。突發(fā)持續(xù)時間應(yīng)理想地超過解調(diào)濾波器的沉降時間，因為這幫助進行可靠的測量。施加此二次諧波突發(fā)200是為了提供用于修正入射光中的波動的受控參考信號。從信號處理觀點出發(fā)，這最佳地由偏流的第三分量實現(xiàn)。其它光強度修正手段是可能的且是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所已知的，并且在這里將不進一步討論。

下面示出了偏流的三個分量的圖示：

偏流＝斜坡函數(shù)+高頻調(diào)制+突發(fā)信號

二次諧波突發(fā)200被施加于可調(diào)諧二極管激光器的偏流以提供用于修正由例如激光功率的變化或環(huán)境光波動引起的入射光中的波動的受控參考信號。在圖2的示例性實施例中，二次諧波突發(fā)200在約10ms處開始且在約20ms處結(jié)束，但是可在偏流掃描期間的其它時間處施加二次諧波突發(fā)。優(yōu)選地將二次諧波突發(fā)的時序和持續(xù)時間選擇成使得其根本不與其中二極管激光器的輸出波長被調(diào)諧至被測對象的吸收線的時間窗重疊。

在某些實施例中，檢測到的二次諧波突發(fā)信號有利地直接進入作為電子檢測系統(tǒng)140的一部分的二次諧波檢測電子裝置中。這意味著不需要附加的信號處理電子裝置以使得能夠處理突發(fā)信號，這簡化了總體檢測系統(tǒng)。

在某些實施例中，采用實現(xiàn)類似效果的替換方法。在這些實施例中，在與吸收調(diào)制頻率不同的非干擾頻率下生成突發(fā)信號，并且使用單獨的信號處理部件來檢測此頻率分量。這不如某些實施例那么高效，因為其要求附加處理，但是此第二處理部件將提供關(guān)于激光強度的信息，其然后可以在修正算法中使用。

在許多應(yīng)用中，感興趣的光譜區(qū)域可能由于背景吸收線而非常擁塞，并且可能難以找到完美的“中性”(零吸收)波長區(qū)(區(qū)域或范圍)。另外，可能難以消除所有的光學(xué)干涉效應(yīng)，其也將受到機械振動和溫度的影響。類似于吸收信號，還可以通過信號與適當(dāng)核函數(shù)的卷積來緩解此光學(xué)干涉的影響。另外，可采用用于突發(fā)信號的以下技術(shù)中的一個或多個以便增加對這些效應(yīng)的系統(tǒng)免疫力。以下技術(shù)涉及到這些參數(shù)中的至少一個：形狀(平滑度)、寬度(持續(xù)時間)、振幅或強度(峰值或谷值高度)、位置(在掃描內(nèi)和作為絕對波長范圍兩者)、掃描內(nèi)的突發(fā)信號的數(shù)目以及二次諧波突發(fā)信號的極性(相位)。這些參數(shù)將定義突發(fā)信號。這些參數(shù)的最佳選擇在應(yīng)用、激光源和檢測電子裝置之間將改變，并且可通過校準(zhǔn)或計算來確定。在公開專利申請gb2524725(kovacic等人)中詳細(xì)地描述了最佳2f突發(fā)的選擇準(zhǔn)則和實施方式。

例如，被選用于吸收測量的波長的選擇將取決于感興趣分量的吸收線的位置和強度、對于規(guī)定路徑長度而言要測量的所需量分組及商用二極管激光器的可用性和成本。還期望具有相對沒有背景干擾的吸收線?？稍趯嶒炇抑惺褂眠m當(dāng)?shù)脑O(shè)備來測量或者從諸如hitran之類的預(yù)先存在、私人或公開可用的數(shù)據(jù)庫獲得用于特定分量的吸收輪廓(線)。要使本領(lǐng)域的技術(shù)人員在將這些考慮在內(nèi)的情況下選擇適當(dāng)?shù)奈站€是相對簡單的任務(wù)。一旦已選擇了吸收線，然后可以根據(jù)附近吸收光譜的最佳“中性”區(qū)(沒有背景干擾)來考慮突發(fā)信號的位置和持續(xù)時間。這將確定突發(fā)信號在掃描期間是最佳地位于吸收特征前面還是后面或者其是否由于感興趣分量的吸收周圍的吸收光譜的局部化擁塞而需要被視為單獨掃描。針對困難或擁塞的光譜，可以選擇突發(fā)信號的數(shù)目和/或極性，從而針對強度修正而優(yōu)化其應(yīng)用(即以便將突發(fā)信號與背景吸收特征區(qū)別開)。如果背景吸收特征可隨著被測量的過程條件改變而改變，則這是尤其有用的。

下面針對使用兩個單獨二極管激光器來測量氧氣和一氧化碳的熔爐應(yīng)用的情況舉例說明用于選擇用于特定被測對象的適當(dāng)測量吸收線和用于應(yīng)用的“中性”區(qū)的過程。在用于20％氧氣的圖3和用于2％一氧化碳和0.7％水(為了圖示而乘以一百倍)的圖4中使用從hitran2008數(shù)據(jù)庫獲得的光譜圖示出用于這些光譜的某些吸收線的示例。烴類燃料在空氣中燃燒時產(chǎn)生的主要氣體是二氧化碳和水。由于燃料的不完全燃燒，也可產(chǎn)生一氧化碳。在貧(低)氧條件下，產(chǎn)生更多一氧化碳。因此，一氧化碳的測量結(jié)果可用于確定發(fā)生了不完全燃燒。此不完全燃燒的結(jié)果是由于低熔爐效率而增加的燃料成本和增加的發(fā)射污染。相反地，在富氧(高背景氧氣)條件下，可存在非常低的一氧化碳，但是熔爐仍然低效地工作，并且將要求更大的燃料使用以獲得相同的凈熱輸出，因為過量空氣被燃燒過程加熱而被提供任何額外的燃料燃燒。因此，通過測量氧氣和一氧化碳的量分?jǐn)?shù)，可通過用以調(diào)整燃料和/或空氣水平的手動或自動反饋系統(tǒng)來優(yōu)化熔爐效率并使污染最小化。氧氣光譜上的水線的背景干擾是低的(圖3)，而一氧化碳光譜上的水的背景干擾更加明顯(圖4)。背景光譜對被測對象的影響由背景干擾物種類和被測對象的量分?jǐn)?shù)和相對本征吸收線強度兩者確定。在此應(yīng)用中，量分?jǐn)?shù)一氧化碳水平可能是低的，而水水平可能高得多。這意味著應(yīng)針對一氧化碳測量將水交叉干擾考慮在內(nèi)。針對特定路徑長度(對于這些圖示而言100cm)，期望的是被測對象線的吸收強度應(yīng)足夠強以提供用于測量的良好靈敏度，并且吸收線應(yīng)是單獨的或“干凈的”，即沒有任何潛在干擾線。干擾線甚至可以使由于被測對象種類本身而引起的，諸如雙重線或三重線形成。一旦已經(jīng)選擇了適當(dāng)?shù)木€，則可選擇附近的“中性”區(qū)以便對突發(fā)信號進行定位。在圖3和4中提出了多個潛在吸收線(302和402)和“中性”區(qū)(301和401)，并且可選擇任何一個，因為線的選擇將取決于應(yīng)用和儀器。請注意，這些圖示是針對室溫和大氣壓力，但是針對特定的熔爐測量條件可獲得等價的光譜。還請注意，本示例還示出了多個潛在“中性”區(qū)。在某些應(yīng)用中，沒有完美的“中性”區(qū)可用，并且因此應(yīng)選擇就相對于感興趣吸收特征的位置和低干擾誤差而言的折中區(qū)。

一旦已判定了吸收線、掃描范圍和可選突發(fā)的選擇，則可以實現(xiàn)與核的相關(guān)或卷積的使用。

在某些信號處理應(yīng)用中，通過使已知信號、輪廓或模板(先前且從現(xiàn)在開始稱為“核”)與要分析的信號相關(guān)來獲得已濾波信號，并且輸出省略了信號的不想要部分或者較少受到其影響。此類濾波器有時稱為匹配或形狀濾波器?？墒购伺c未濾波信號相關(guān)以產(chǎn)生具有減少的噪聲的已濾波信號，因為濾波器優(yōu)先地使信號的與核很好地相關(guān)的那些部分通過。此類方法是由d.o.north(proc.ieee51,1016-1027(1963))開拓的。卷積濾波器的另一示例是savitzky–golay濾波器(savitzky,a.,golaym.j.e.(1964)analyticalchemistry36(8):1627–39)。這是線性最小二乘法數(shù)字濾波器，可以出于使數(shù)據(jù)平滑化的目的而將其應(yīng)用于一組數(shù)據(jù)點。其被用來增加信號內(nèi)的信噪比。

本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)提出使檢測到的信號與具有與預(yù)測信號或信號分量類似的預(yù)定義形狀的核相關(guān)，或者與被選擇成避免或減少預(yù)測信號分量的影響的核相關(guān)。這等價于將檢測器信號與核的時間反演版本求卷積。在核對稱的情況下，則相關(guān)與卷積相同。相關(guān)濾波器是用于在存在加性隨機噪聲的情況下優(yōu)化信噪比(snr)的有效線性濾波器。要使用的最佳核的選擇可以是基于期望要提取的信號中的預(yù)測特征。如任何信號處理的情況一樣，信號的操縱可以使來自其“真實”形狀的已處理信號失真，但是相關(guān)或卷積可以通過減少波動的影響(諸如信號基線上的光學(xué)干涉效應(yīng))來減少失真的總體影響。

在信號的基線上存在隨機或不可預(yù)測噪聲的情況下可以應(yīng)用相關(guān)或卷積濾波技術(shù)。在這種情況下，通過使用被調(diào)諧至期望從信號提取的特征的形狀的核來獲得最佳已處理信號。當(dāng)對于基線噪聲的性質(zhì)而言先驗知識不可用時，這也可以是有幫助的。常規(guī)低通(或高通或帶通)濾波器理想地對所有通過頻率同等地施加增益，但是在此卷積技術(shù)中使用的核對特定頻率施加優(yōu)先的非線性增益以增強相對于基線噪聲的期望信號形狀。

本發(fā)明的發(fā)明人已確定當(dāng)信號基線上的失真包括可預(yù)測信號分量時在吸收光譜應(yīng)用中可實現(xiàn)進一步優(yōu)化。作為純粹基于主要(被測對象)信號來開發(fā)核以通過使其相對于基線而言的信號貢獻最大化來將其與基線噪聲區(qū)別開的替代，開發(fā)對應(yīng)于基線噪聲的分量(即，基線中的波動或失真)的核。此“基線”核可以被選擇用于使由于基線波動而引起的信號最大化以便識別這些效應(yīng)，并且適當(dāng)能夠產(chǎn)生失真被減去的“已修正”基線，或者選擇成從而系統(tǒng)地使基線失真對已處理輸出的相對影響最小化。作為可選過程，還可修改該核或者應(yīng)用第二核以也允許優(yōu)化主要吸收測量結(jié)果。這種方法只有在可以預(yù)測基線失真輪廓的某些特性時才是可能的，并且在其它應(yīng)用中一般地將不適用。

這種方法具有用于由于在吸收光譜圖中顯示出的噪聲的特定性質(zhì)而減少此類系統(tǒng)中的噪聲的影響的優(yōu)點?？梢酝ㄟ^使用與主要吸收信號匹配的核函數(shù)來減少隨機噪聲，并且可以通過與跟預(yù)測失真匹配的核函數(shù)的卷積來減少可預(yù)測信號失真的影響。例如，光學(xué)干涉效應(yīng)可采取基線上的正弦或準(zhǔn)正弦振蕩的形式，其位置和頻率可隨環(huán)境條件(樣本組成、溫度、壓力、振動等)而改變。由于這些振蕩具有可識別形狀特性，所以可以根據(jù)其自身的情況用相關(guān)或卷積濾波器來對其進行處理。

另外，這些振蕩特征的頻率范圍在判定要選擇哪個核函數(shù)且特別是何時使用以基線信號振蕩為目標(biāo)的核函數(shù)時具有重要性。如果振蕩的頻率非常高，則可以將其視為偽隨機噪聲，因為其平均影響將趨向于零。如果頻率是非常低的，則其應(yīng)對信號具有非常少的影響，因為其將表現(xiàn)為在信號下面的緩慢變化的偏移。在這些高頻和低頻兩種情況下，應(yīng)用于主要信號的相關(guān)或卷積濾波器都將證明是最佳方法。同樣地，如果基線振蕩包含與主要信號的頻率分量強烈一致的頻率分量，則其將證明潛在地難以從主要特征區(qū)別并提取基線特征。在時域中，基線和主要被測對象形狀或特征變得越是相似，越是難以將兩者分離出來。因此，現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述的核函數(shù)與可預(yù)測失真的匹配對于在特定頻率范圍內(nèi)具有周期性或準(zhǔn)周期性特性的基線信號的干擾或失真而言是最有利的。在這種情況下，用周期性，其意指在單個掃描內(nèi)周期性地發(fā)生的基線特征，并且還有其中基線特征在多個掃描內(nèi)發(fā)生的情況。

由除光學(xué)干涉之外的因素引起的振蕩也將受益于這種方法，條件是在基線失真內(nèi)存在可重復(fù)的周期性形狀特征。例如，在本發(fā)明人的最近工作中，激光調(diào)制頻率下的已發(fā)現(xiàn)激光殘余調(diào)幅(ram)信號被相關(guān)或卷積濾波器不充分地衰減。因此，也針對此效果對濾波器進行對相關(guān)或卷積濾波器進行的附加調(diào)整，在激光調(diào)制頻率下有效地充當(dāng)陷波濾波器。

理想地，應(yīng)存在掃描內(nèi)的充分時標(biāo)，使得掃描中的至少某些在其中不存在主要吸收特征或突發(fā)特征的情況下發(fā)生，這可使得能夠更干凈地確定真實基線。另外，其對于基線振蕩的至少一個周期在被分析的時間幀內(nèi)發(fā)生是有用的，因為這幫助確定頻率信息。

還將變得顯而易見的是雖然這種技術(shù)可在時域中執(zhí)行，但其可有利地在頻域或傅立葉域中且在失真在相對窄的頻率范圍內(nèi)發(fā)生的情況下應(yīng)用。此頻率范圍將取決于所考慮的測量系統(tǒng)及要測量的主要被測對象特征和基線失真的頻率。

請注意，基線失真和主要信號的相對振幅通常不具有因果聯(lián)系，頻域中的處理在通過頻率鑒別來區(qū)別主要和基線失真方面也具有優(yōu)點。

還請注意，雖然清潔失真的基線可允許更準(zhǔn)確地確定存在的被測對象濃度，但在許多情況下，應(yīng)用可以是其中幾乎不存在被測對象的測量。任何實現(xiàn)的軟件常常將包括用以檢測基線中的主要吸收峰值的峰值和谷值檢測，并且在隨機基線噪聲以上突出的基線中的任何失真或振蕩當(dāng)幾乎不存在被測對象時可引起錯誤的被測對象讀數(shù)。在這種情況下，基線核在抑制被測對象吸收峰值的錯誤檢測和/或限制“零”信號和因此的最小檢測極限的一般背景噪聲的減少方面是關(guān)鍵的。

作為數(shù)字域中的實施方式的舉例說明，卷積或相關(guān)操作由使核(以數(shù)據(jù)陣列的形式)在檢測器信號(以數(shù)據(jù)陣列的形式)上“滑動”、每次將其移動一個樣本并計算用于輸出的新樣本值組成。將被核覆蓋的輸入樣本乘以核中的相應(yīng)條目(權(quán)值)并相加。核信號本身常常在持續(xù)時間方面比輸入信號短得多，并且是以數(shù)值值的n元素矢量或陣列的形式指定的。

由于核信號需要沿著輸入數(shù)據(jù)的整個集合滑動，所以在有限輸入數(shù)據(jù)集x[n]的情況下且對于2n元素的核而言，在輸入數(shù)據(jù)的開頭和結(jié)尾處將具有n-1個樣本，其不具有所需數(shù)目的鄰點。這有時在卷積中稱為“邊緣問題”。存在可用來使卷積中的邊緣效應(yīng)最小化的許多方法，諸如補零或窗口函數(shù)乘法器。然而，在有限輸入數(shù)據(jù)集的任一側(cè)的補零是最簡單的技術(shù)中的一個，并且將在以下舉例說明中使用。時域中的補零具有重要的益處，即其不以任何方式改變原始數(shù)據(jù)的頻率含量，并且在波長調(diào)制光譜法(wms)中，這是非常重要的益處。

在使用二次諧波波長調(diào)制技術(shù)的實際tdls應(yīng)用中，氣體吸收信號(501)作為圖5中所示的二次諧波信號(502)出現(xiàn)在檢測器處。

在圖6中示出二次諧波信號的處理。在常規(guī)鎖定放大器中，二次諧波信號(601)隨后在軟件中被2f參考正弦波(603)解調(diào)(602)，該2f參考正弦波然后被使用常規(guī)多級平均濾波器(數(shù)字式濾波器)(604)濾波而產(chǎn)生二次諧波信號(605)的包絡(luò)。

最常使用的平均濾波器是具有旨在抑制信號的不想要部分的固定或可調(diào)整截止頻率的多級低通濾波器。然而，需要考慮常規(guī)低通(或高通或帶通)濾波的限制：

·低通(或高通或帶通)濾波器不知道關(guān)于接收機信號的總體形狀的任何事，諸如基線失真、吸收輪廓或2f突發(fā)的形狀特征。

·低通(或高通或帶通)濾波器不知道關(guān)于值的鄰域的任何事。其跨一定形狀的所有特征同等地施加抑制。

為了增強或操縱一定形狀的動態(tài)特征，需要超越常規(guī)濾波操作。與上述常規(guī)低通(或高通或帶通)濾波器相比，在其中：

·必須在存在大的加性噪聲的情況下檢測到信號。并且

·接收機具有其正在尋找什么信號形狀的知識應(yīng)用中可以使用相關(guān)或卷積濾波器。

在本發(fā)明的示例性實施例中，相關(guān)或卷積濾波器是通過將接收機信號相關(guān)到已知模板或核形狀以識別為該核所共有的信號中的特征而實現(xiàn)的。用于對稱核的相關(guān)的過程可通過卷積技術(shù)以數(shù)學(xué)方式實現(xiàn)。

卷積操作由將核形狀h[n]在檢測器信號x[n]的整個長度上“滑動”、每次將其移動一個樣本并通過在核m的長度上相乘和積分來計算新值組成。

本發(fā)明人已確定tdls應(yīng)用可以利用在優(yōu)選實施例中不同于常規(guī)匹配濾波器的濾波形式。這是因為典型的氣體吸收線的洛倫茲、高斯或voigt諧波形狀是不同的、對稱的，并且在可存在于實際應(yīng)用中的隨機基線信號中間是可清楚地識別的。然而，另外，還可以將也可以存在的正弦或準(zhǔn)正弦或其它周期性基線失真與偶然或隨機基線噪聲區(qū)別開。在正弦或加性正弦失真的情況下，頻域中的分析由于結(jié)果產(chǎn)生的頻譜的簡單性而是特別有利的，其中，每個正弦分量將導(dǎo)致頻(傅立葉)域中的單個頻率分量。

所選擇的基線核可以是在理論上、憑經(jīng)驗或通過兩者的組合導(dǎo)出的正弦、準(zhǔn)正弦或另一定義形狀，其對應(yīng)于基線上的失真圖的形狀或逆形狀。

可選擇基線核的形式以確定基線失真并因此導(dǎo)出已修正基線噪聲或選擇成從而減少周期性失真對測量信號的影響。在某些應(yīng)用中，如果例如發(fā)現(xiàn)在某些情況下，諸如在在樣本中存在水平非常低的被測對象的條件下，一個模式給出更好的信噪比，則可將分析在這兩個模式中切換。

現(xiàn)在將給出用以確定最佳核以便實現(xiàn)最佳相關(guān)或卷積濾波器(針對核將基線失真考慮在內(nèi))的方法的舉例說明。

在一個實施例中，本方法的第一階段是優(yōu)選地在不存在被測對象的情況下研究基線噪聲，例如通過用在感興趣波長范圍內(nèi)的不吸收樣本來沖洗測量系統(tǒng)，但是在最終測量構(gòu)造的典型布置中，使得任何周期性基線失真表示在其預(yù)定應(yīng)用中(即優(yōu)選地包括所有相關(guān)光學(xué)元件和安裝布置)將看到的東西。然后導(dǎo)出基線核，并且稍后更詳細(xì)地描述此過程。

一旦已確定并驗證此核，可(可選地)導(dǎo)出對基線核或輔助核的第二修改以針對需要確定的吸收線形狀或其它特征進行調(diào)諧。

請注意，然后可進一步修改此組合核以針對使基線波動影響最小化與使吸收信號最大化之間的最佳折中進行優(yōu)化。

然后在卷積程序中使用此結(jié)果得到的核以產(chǎn)生所需分析。稍后將更詳細(xì)地描述此過程。

在一個實施例中，被設(shè)計成使基線失真最小化并使吸收信號最大化，本方法的第一階段是用于要針對需要確定的吸收線形狀或其它特征進行調(diào)諧的核。

一旦此核已被確定并驗證，則應(yīng)用對基線核或輔助核的第二修改。

然后研究基線噪聲，優(yōu)選地在不存在被測對象的情況下，但是在最終測量構(gòu)造的典型布置中，使得任何周期性基線失真表示在其預(yù)定應(yīng)用中(即優(yōu)選地包括所有相關(guān)光學(xué)元件和安裝布置)將看到的東西。

然后導(dǎo)出基線核，并且稍后更詳細(xì)地描述此過程。然后修改原始核以給出組合核。

請注意，然后可進一步修改此組合核以針對使基線波動影響最小化與使吸收信號最大化之間的最佳折中進行優(yōu)化。

然后在卷積程序中使用此結(jié)果得到的核以產(chǎn)生所需分析。稍后將更詳細(xì)地描述此過程。

在一個實施例中，選擇基于基線上的波動圖的形狀的核。研究基線噪聲，優(yōu)選地在不存在被測對象的情況下，但是在最終測量構(gòu)造的典型布置中，使得任何周期性基線失真表示在其預(yù)定應(yīng)用中(即優(yōu)選地包括所有相關(guān)光學(xué)元件和安裝布置)將看到的東西。然后將導(dǎo)出基線核，并且稍后更詳細(xì)地描述此過程。

然后通過與核的相關(guān)或卷積來確定已處理基線輪廓。

然后從原始信號減去已處理基線信號以便提供已修正凈信號，其中，基線已被從系統(tǒng)噪聲清理干凈。

現(xiàn)在可針對可存在的任何吸收信號分析此結(jié)果得到的信號，因此增強靈敏度。

在一個實施例中，選擇基于基線上的波動圖的逆形狀的核。研究基線噪聲，優(yōu)選地在不存在被測對象的情況下，但是在最終測量構(gòu)造的典型布置中，使得任何周期性基線失真表示在其預(yù)定應(yīng)用中(即優(yōu)選地包括所有相關(guān)光學(xué)元件和安裝布置)將看到的東西。然后將導(dǎo)出逆基線核(所示的先前的核的鏡像)，并且稍后更詳細(xì)地描述此過程。

然后通過與核的相關(guān)或卷積來確定已處理逆基線輪廓。

然后將該逆已處理基線信號加到原始信號以便提供已修正凈信號，其中，基線已被清理干凈系統(tǒng)噪聲。

現(xiàn)在可針對可存在的任何吸收信號分析此結(jié)果得到的信號，因此增強靈敏度。

針對所使用的任何一種方法，然后可在卷積程序中使用結(jié)果得到的核以產(chǎn)生所需分析。下面將更詳細(xì)地舉例說明導(dǎo)出核并實現(xiàn)卷積的過程以及結(jié)果產(chǎn)生的信號。

可以將用于主要被測對象吸收信號的核形狀最佳地選擇成具有對應(yīng)于預(yù)期吸收線形狀的形狀，諸如洛倫茲(碰撞(壓力)加寬方式)、高斯(多普勒加寬方式)或voigt(前兩者的組合)輪廓，但可由于經(jīng)驗或其它原因而選擇其它形狀。這些理論吸收輪廓的由來是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所已知的，并且在這里將不進一步討論。

優(yōu)選核形狀可受到要測量的氣體和環(huán)境條件(諸如背景氣體、溫度和壓力)的影響。在某些情況下，要用于特定被測對象的優(yōu)選核形狀將根據(jù)環(huán)境條件而改變，諸如從低溫、高壓環(huán)境(洛倫茲)核至高溫、低壓(高斯)核和用于中間帶的voigt核的使用。

在某些特定情況下，核形狀可對應(yīng)于混合吸收線，諸如雙重線或三重線或更高階。

核形狀也可以是憑經(jīng)驗、在理論上或以兩者的組合的方式導(dǎo)出的。

核還可以是上述形狀函數(shù)中的兩個或更多的組合。

以下是這種技術(shù)的實施方式的更詳細(xì)圖示。這是通過生成混合核以抑制基線失真并增強被測對象的吸收輪廓來使基線失真對信號的相對影響最小化的圖示。在這種情況下，在基線上存在光學(xué)干涉效應(yīng)(基準(zhǔn))，但是本發(fā)明一般地使用無論任何起因的周期性失真。

將可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜法(tdls)用于痕量氣體感測的優(yōu)點包括快速響應(yīng)時間、高靈敏度和高目標(biāo)氣體選擇性。然而，許多實際tdls系統(tǒng)的性能可受到源(701)與檢測器(704)之間的光程中的非故意fabry-perot類型光學(xué)干涉的形成的限制(圖7)。在許多應(yīng)用中，此干涉的形成可導(dǎo)致吸收線的形狀的失真或者甚至完全遮蔽。實際現(xiàn)場儀器中的熱和機械變化意味著不能用如先前所述的簡單減法技術(shù)來去除基線振蕩。圖7用曲線箭頭示出了其中諸如在樣本池(702)窗口處可發(fā)生光學(xué)干涉的典型區(qū)域，但其可由于任何反射性界面而形成。存在用以減小此干涉的量值的許多設(shè)計技術(shù)，光學(xué)、電子和機械的。然而，即使在使用所有措施之后，仍存在殘余量的干涉，導(dǎo)致基線上的波動影響吸收線(703)的分辨率，這可通過使用本文所述的相關(guān)或卷積濾波器來改善。

可在時域或頻域中將該卷積技術(shù)用于多種核形狀，然而，現(xiàn)在將對卷積技術(shù)在傅立葉域中的應(yīng)用的優(yōu)點給出特定舉例說明。

卷積的基本數(shù)學(xué)理論說明：

空間域或時間域中的兩個信號的卷積等價于其在頻域中的傅立葉變換的乘法，這用數(shù)學(xué)方式敘述如下：

f[g*h]＝f[gif[h][4]

因此，通過然后對該乘積執(zhí)行傅立葉逆變換，可獲得濾波器輸出。

在時域中執(zhí)行相關(guān)函數(shù)是計算密集的。針對長度n的信號和長度k的核，其要求大約n*k個運算(乘法和加法)。通常，對于所示的應(yīng)用而言，信號是2,000點長的，并且尋找的形狀使用約500點長的核，意味著每個幀約1,000,000次運算，請記住，每秒可獲取數(shù)百或數(shù)千幀。在頻域中，只對低頻分量感興趣且必須對其做乘法，因為核不包含高頻含量，并且因此只有傅立葉變換的較低元素是非零的。通過忽視高頻分量，只需要執(zhí)行約150次乘法運算，而不是n*k次運算，并且假設(shè)其它值為零。這舉例說明了卷積過程充當(dāng)?shù)屯V波器，因為只有較低頻率具有非零值。然而，必須實時地執(zhí)行信號傅立葉變換和逆傅立葉變換。針對固定核，只需要計算其傅立葉變換一次，因為其是常數(shù)。一般地，離散傅立葉變換(dft)要求約n²次運算，這對于我們的上述示例而言意味著4,000,000次運算。然而，這可通過快速傅立葉變換(fft)算法來減少。這將運算的次數(shù)減少至n*log2n，如果n等于2升到某個整數(shù)次冪。如果經(jīng)由例如補零來滿足此條件，即針對信號和核兩者達到2,048(＝2¹¹)，則在本示例中，傅立葉變換運算已減少至22,528(＝2,048*11)。最終結(jié)果是使用頻域在約45,000次運算(在傅立葉變換過程的每個方向上22,528)中獲得相關(guān)，與使用時域用1,000,000或更多次運算相比，其快了超過二十倍。此外，現(xiàn)代微處理器具有具體地被設(shè)計成非常高效地實現(xiàn)此類計算的專用浮點單元(fpu)核。

在某些實際tdls應(yīng)用中，諸如由于光學(xué)干涉而具有非期望的基線失真，使核僅增強氣體信號的吸收形狀是不夠的。為核提供主動地抑制基線上的光學(xué)干涉失真的能力也具有主要的重要性。例如，由非期望腔體或寄生反射引起的許多光學(xué)干涉通常產(chǎn)生變化頻率的正弦基線波動。在頻域中，這些可表現(xiàn)為與核總體形狀沒有或有很少相關(guān)性的單個傅立葉項。如果這些光學(xué)干涉頻率分量的位置接近于較低ω軸(低頻)，則這可以通過與核函數(shù)的卷積來緩解，其頻譜已被變換至較高頻率以便消除或減少低頻干擾。這樣，核函數(shù)適合于將預(yù)測吸收信號特征的頻譜變換到較高頻率以將預(yù)測吸收信號特征與指示信號的頻率特定失真隔離。同樣地，如果這些光學(xué)干涉頻率分量的位置在較高ω軸(高頻)附近，則這可以通過與核函數(shù)的卷積來緩解，該核函數(shù)的頻譜已被變換至較低頻率以便消除或減少高頻干擾。這樣，核函數(shù)適合于將預(yù)測吸收信號特征的頻譜變換到較低頻率以將預(yù)測吸收信號特征與指示信號的頻率特定失真隔離。感興趣的特征的頻譜中的此移位(經(jīng)由核系數(shù)的選擇)對時域中的核的形狀具有直接影響。事實上，即使在時域中執(zhí)行處理，要在頻域中導(dǎo)出最佳復(fù)合核且然后經(jīng)由傅立葉變換來創(chuàng)建時域核也可更加容易。圖8示出了純粹被設(shè)計成恢復(fù)二次諧波洛倫茲氣體信號的洛倫茲核(801和802)。這在頻域或傅立葉域中被示為801，并且該核在時域中被示為802。還圖示出被設(shè)計成抑制基線上的光學(xué)干涉失真并且還恢復(fù)氣體吸收信號的更高級核(803和805)。這在頻域或傅立葉域中被示為803，并且該核在時域中被示為805。注意到第二核的清楚伸展和振蕩翼性質(zhì)，因為卷積運算不僅僅是匹配濾波器。應(yīng)注意的是必須在沒有過多信號損失或失真的情況下在低頻光學(xué)干涉效應(yīng)(在這種情況下)(804)的抑制與吸收信號的保持之間達到折中以獲得最佳核。其并不是簡單地一種用于完全消除基線失真并用常規(guī)匹配形狀濾波器來使吸收信號最大化的方法，而是替代地應(yīng)用選擇性地抑制信號基線上的已識別或已預(yù)測失真并相對于噪聲增強信號的所需部分的頻率選擇性可變增益。

在某些應(yīng)用中，諸如作為樣本中的雜質(zhì)的痕量氣體的確定或用于污染控制的連續(xù)發(fā)射監(jiān)視(cem)，被測對象濃度可以大多數(shù)時間是零或幾乎為零。在這種情況下，信號上的噪聲將由基線噪聲主導(dǎo)。當(dāng)很少或沒有吸收發(fā)生時，諸如洛倫茲之類的信號核的實現(xiàn)將具有有限的有用性。替代地，可選擇作為基線上的干涉圖的形狀的核，即憑經(jīng)驗、在理論上或以其組合的方式導(dǎo)出的正弦、準(zhǔn)正弦或其它定義形狀，使得尋找的“信號”其本身變成基線圖。然后通過相關(guān)或卷積來確定并從原始信號減去基線輪廓以便提供凈信號，其中，基線已被清理干凈?，F(xiàn)在可針對可存在的任何吸收信號分析此結(jié)果得到的信號，因此增強靈敏度?？蓱?yīng)用等價技術(shù)，由此，替代地使用基線上的光學(xué)干涉圖的逆核來確定逆基線信號，并且然后將此逆信號加到基線以產(chǎn)生已清理干凈的基線信號，然后可針對任何吸收發(fā)生分析該基線信號。如果需要的話，可手動地或自動地關(guān)斷和接通用于低水平信號的此功能模式。例如，當(dāng)被測對象濃度已超過預(yù)定閾值時，信號處理核可以恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)吸收線格式，諸如洛倫茲、高斯或voigt輪廓。通過這種手段，減少了被測對象確定中的不確定性。

現(xiàn)在將對要確定的主要吸收信號的形狀給出一些想法。時域中的二次諧波信號的唯一形狀導(dǎo)致用于頻域中的傅立葉系數(shù)的唯一形狀(圖9)。例如，二次諧波洛倫茲的傅立葉變換等式具有極其重要的性質(zhì)，其強調(diào)核的冪分析。如果核寬度是δk且氣體寬度是δg，則二次諧波核與二次諧波氣體信號的卷積產(chǎn)生以下傅立葉積：

(π.ω².e^-δk.ω)(π.ω².e-^δg.ω)＝(π².ω⁴.e^{-ω.(δg+δk)})[5]

可以將上述等式的右側(cè)的積重寫為：

(π².ω⁴.e^{-ω.(δg+δk)})＝π.ω²[π.ω².e-^(δg+δk).ω][6]

請注意，在等式[6]的右側(cè)的項是寬度(δg+δk)的二次諧波洛倫茲。因此，將二次諧波洛倫茲核與二次諧波氣體信號求卷積產(chǎn)生更寬的寬度的另一二次諧波洛倫茲信號。這是非常顯著的結(jié)果，其顯示在tdls應(yīng)用中，核卷積具有增強二次諧波信號的很強能力。由于核的寬度δk是已知的，所以可容易地導(dǎo)出吸收線的寬度δg。還顯而易見的是核傅立葉變換與頻域中的任何其它形狀的積將未導(dǎo)致二次洛倫茲的一般形式。這為卷積核提供了從常規(guī)低通(或高通或帶通)濾波器不可獲得的tdls中的非常強的形狀區(qū)別能力。

通常，核線寬是核長度的值的1/4以便確保在核窗口中表示了二次諧波洛倫茲形狀的整個翼，但更長或更短的核也是可能的。

圖10示出了用于針對2,000點的掃描窗口的用于長度512點的洛倫茲形狀的核函數(shù)的典型曲線圖。

卷積定理敘述時域中的卷積對應(yīng)于頻域中的乘法。因此，兩個信號的卷積的傅立葉變換等于其單獨傅立葉變換的積。還可以使用快速傅立葉變換(fft)在計算上高效地且快速地評估信號的傅立葉變換。

對分別地具有長度n1和n2的兩個輸入信號a[n]和b[n]進行補零，使得其長度變成n，其大于或等于(n1+n2-1)，并且是4的冪，因為fft實現(xiàn)是基數(shù)4。通過取輸入信號的fft、將兩個信號的傅立葉變換相乘并取乘法結(jié)果的逆fft來獲得a[n]和b[n]的卷積。

這用以下等式來表示：

a[k]＝fft(a[n])n點fft

b[k]＝fft(b[n])n點fft

conv(a[n],b[n])＝ifft(a[k]*b[k],n)[7]

其中，a[k]和b[k]分別地是信號a[n]和b[n]的n點fft。在圖11中示出此過程。卷積信號的長度是(n1+n2-1)。ifft表示逆快速傅立葉變換。

使2f下的解調(diào)在時域中在卷積過程之前發(fā)生常常是方便的，但不是要求，并且這可容易地使用先前描述并在圖6中示出的方法來實現(xiàn)。此已解調(diào)時域陣列將稱為demod陣列并被用于進一步舉例說明。demod陣列的補零是在demod陣列的開頭和結(jié)尾段兩者處對稱地完成的。由于fft操作要求2ⁿ寬陣列，所以典型的2000點掃描需要被補零到至少2048(2¹¹)。此過程在圖12階段1201至1205中示出。陣列zff是補零陣列。圖13(a)和13(b)分別地示出了補零之前和之后的典型demod陣列信號。

在執(zhí)行fft積計算上，使積計算局限于128個傅立葉系數(shù)是有用的。此簡單限制不僅節(jié)省計算時間，而且當(dāng)計算逆fft時去除來自相關(guān)或卷積濾波器的高頻偽像。

通過使用數(shù)學(xué)模擬軟件包，可以執(zhí)行常規(guī)貝塞爾濾波器和相關(guān)或卷積濾波器的輸出之間的模擬比較。圖14示出了用于模擬氧氣線路的此類比較(為了便于圖示，針對兩個濾波器已去除了由于處理而引起的x軸中的偏移)。兩者之間的顯著差別是在2f調(diào)制的形狀方面。2f調(diào)制充當(dāng)用于濾波器的階躍響應(yīng)，示出底層核的總體形狀。圖中的第一反極性峰值是用于強度波動補償?shù)母猩?f突發(fā)。

可通過用變化的頻率對典型正弦波的掃描內(nèi)的結(jié)果進行歸一化來模擬3級貝塞爾濾波器(點線)和相關(guān)或卷積濾波器(實線)的頻率響應(yīng)。使用軟件模擬，圖15中的圖清楚地示出了兩個技術(shù)中的差別：

a)貝塞爾濾波器表現(xiàn)如同具有在截止頻率以下的平坦響應(yīng)和在截止頻率以上的衰退包絡(luò)的正常低通一樣。

b)相關(guān)或卷積濾波器表現(xiàn)為具有在“通帶”以下和以上兩者的衰退包絡(luò)的頻域中的頻率相關(guān)可變增益濾波器。衰退包絡(luò)比常規(guī)低通濾波器陡峭得多。低頻下的抑制是非常清楚的，并且這是其中例如光學(xué)干涉衰減非常有效的區(qū)域。

現(xiàn)在將給出實際測量中的實施方式的示例。圖16和17示出了用于被設(shè)計成測量樣本氣體中的一氧化碳(co)的可調(diào)諧二極管激光器氣體分析儀的掃描。這里的測量是針對50cm的測量路徑長度在環(huán)境溫度(21℃)和大氣壓力下進行的。已約在2.3μm處選擇co吸收線。基線失真的主要援引是來自池窗口的光學(xué)干涉。在兩個圖中，在曲線圖遠(yuǎn)處左側(cè)的反極性脈沖是用于強度修正的2f突發(fā)。x軸表示掃描時間，并且y表示到達檢測器處的光強。在兩種情況下，點線示出了標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器(貝塞爾濾波器)輸出，并且實線示出了卷積濾波輸出。請注意，在兩個濾波器輸出之間存在x軸中的相對信號處理移位。圖16示出了用于在氮氣中包含2,000ppmco的樣本氣體的結(jié)果，并且圖17示出了用于不存在co的情況下的樣本氣體(氮氣)的結(jié)果。在兩種情況下注意基線波動中的顯著改善(減小)。這導(dǎo)致co濃度確定中的改善的準(zhǔn)確度(降低的不確定性)(參見特寫(1701))。圖16中的2,000ppmco峰值示出基線波動的標(biāo)度，并且請記住這些波動的波長位置可由于環(huán)境條件改變(特別是溫度)而隨時間改變。

在更仔細(xì)地研究圖16時，可以看到求卷積或相關(guān)的co峰值高度實際上小于相對于突發(fā)信號的常規(guī)低通濾波器(貝塞爾濾波器)峰值高度。這反映了這樣的事實，如先前所討論的，必須在增強吸收信號與使基線失真的影響最小化之間達到折中。雖然絕對峰值高度可能已減小，但從減小的基線失真得出的益處超過補償減小的峰值高度，使得總體穩(wěn)定性和信噪比相對于常規(guī)(貝塞爾)濾波器輸出而言得到明顯改善。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到的是對本文所述的方法和實施例的許多修改、改變和變型得益于本公開將變得顯而易見，并且此類修改、改變和變型也是本發(fā)明的實施例。

除所附權(quán)利要求中的要求保護的實施例之外，以下是可充當(dāng)用于本申請或后續(xù)分案申請中的附加權(quán)利要求的基礎(chǔ)的一列附加實施例：

實施例1

一種用于在吸收光譜系統(tǒng)內(nèi)減少失真對吸收信號的基線的影響的方法，包括步驟：控制電磁輻射源以發(fā)射波長調(diào)制射束；檢測通過測試介質(zhì)的透射之后的已調(diào)制射束；處理檢測到的射束以獲得指示一個或多個被測對象的吸收效應(yīng)的信號，其中，處理包括將指示信號與針對預(yù)測的信號特征具有選擇性的核函數(shù)相關(guān)或求卷積。

實施例2

根據(jù)實施例1所述的方法，其中，所述核函數(shù)是適合于抑制指示信號的預(yù)測失真的頻率選擇性可變增益函數(shù)。

實施例3

根據(jù)實施例1或?qū)嵤├?所述的方法，其中，所述核函數(shù)是適合于增強預(yù)測吸收信號特征的頻率選擇性可變增益函數(shù)。

實施例4

根據(jù)實施例3所述的方法，其中，所述核函數(shù)適合于將預(yù)測吸收信號特征的頻譜變換到更高或更低的頻率以將預(yù)測吸收信號特征與指示信號的頻率特定失真隔離。

實施例5

根據(jù)實施例1所述的方法，其中，所述核函數(shù)被選擇成具有與基線信號的預(yù)測失真有關(guān)的輪廓。

實施例6

根據(jù)實施例5所述的方法，其中，所述核函數(shù)被選擇成具有與基線信號的預(yù)測正弦或準(zhǔn)正弦波動有關(guān)的輪廓。

實施例7

根據(jù)前述實施例中的任一項所述的方法，其中，所述處理包括將指示信號與針對基線信號的預(yù)測失真具有選擇性的第一核函數(shù)相關(guān)或求卷積，對指示信號施加第一修正以減少預(yù)測信號失真，以及然后將已修正指示信號與針對預(yù)測吸收信號特征具有選擇性的第二核函數(shù)相關(guān)或求卷積。

實施例8

根據(jù)前述實施例中的任一項所述的方法，其中，核函數(shù)被選擇成增強對應(yīng)于預(yù)測吸收信號特性的指示信號的分量，從而減少基線信號波動對吸收測量的相對影響。

實施例9

根據(jù)實施例5或?qū)嵤├?所述的方法，其中，將針對來自光學(xué)干涉的預(yù)測基線失真具有選擇性的核函數(shù)與指示信號相關(guān)或求卷積以確定基線上的光學(xué)干涉效應(yīng)，并且通過從指示信號減去確定的光學(xué)干涉效應(yīng)來生成具有減少的基線失真的已修正基線。

實施例10

根據(jù)實施例5或?qū)嵤├?所述的方法，其中，將對應(yīng)于基線失真的逆的逆核與指示信號相關(guān)或求卷積以確定基線失真的逆，并且通過將確定的逆基線失真與指示信號相加來生成已修正基線。

實施例11

根據(jù)任何前述實施例所述的方法，其中，在相關(guān)或卷積中使用的核函數(shù)具有選自包括以下各項的組的輪廓：洛倫茲、高斯、voigt、正弦曲線或這些輪廓的組合。

實施例12

根據(jù)任何前述實施例所述的方法，其中，在相關(guān)或卷積中使用的核是從經(jīng)驗形狀、理論形狀或兩者的組合導(dǎo)出的。

實施例13

根據(jù)任何前述實施例所述的方法，其中，所述指示信號是通過諧波波長調(diào)制吸收光譜檢測導(dǎo)出的，并且所述方法包括測量檢測到的參考信號以補償強度波動并與核函數(shù)相關(guān)或求卷積以減少參考信號的失真。

實施例14

根據(jù)實施例13所述的方法，其中，所述參考信號是使用諧波波長調(diào)制吸收光譜法測量的調(diào)制突發(fā)信號，并且其中，要與指示信號相關(guān)或求卷積的核函數(shù)是被選擇成增強由于諧波調(diào)制突發(fā)而引起的信號特征并減少由于基線的光學(xué)干涉的影響而引起的信號特征效應(yīng)、從而減少光學(xué)干涉對調(diào)制突發(fā)信號的基線的相對影響的核函數(shù)。

實施例15

根據(jù)實施例14所述的方法，其中，核被與指示信號相關(guān)或求卷積以增強由于諧波調(diào)制突發(fā)和吸收而引起的信號特征并減少光學(xué)干涉對基線的影響，從而減少光學(xué)干涉對基線的相對影響。

實施例16

根據(jù)任何前述實施例所述的方法，其中，相關(guān)或卷積是在頻域中執(zhí)行的。

實施例17

根據(jù)實施例16所述的方法，其中，使用快速傅立葉變換和逆變換來執(zhí)行相關(guān)或卷積。

實施例18

根據(jù)實施例1至15中的任一項所述的方法，其中，相關(guān)或卷積是在時域中執(zhí)行的。

實施例19

任何前述實施例的方法，其中，所述電磁輻射源是可調(diào)諧二極管激光器，并且激光器的偏流跨一定的值范圍斜坡向上或向下以跨一定的波長范圍改變激光器的輸出射束；并且其中，所述方法還包括識別樣本氣體中的氣體的吸收波長并選擇該波長范圍內(nèi)的至少一個調(diào)制突發(fā)參考信號的位置以避免已識別吸收波長。

實施例20

任何前述實施例的方法，其中，所述處理還包括確定一個或多個被測對象種類的濃度。

實施例21

任何前述實施例的方法，其中，所述測試介質(zhì)是來自人工或自然過程的氣體。

實施例22

任何前述實施例的方法，其中，所述電磁輻射源是由連續(xù)可變驅(qū)動電流控制的二極管激光器。

實施例23

根據(jù)前述實施例中的任一項所述的方法，其中，所述方法包括測量調(diào)制突發(fā)參考信號以補償強度波動，其中，所述突發(fā)信號調(diào)制是以下各項中的一個：固定相位下的調(diào)幅；固定振幅下的調(diào)相；或者調(diào)相和調(diào)幅的組合。

實施例24

根據(jù)前述實施例中的任一項所述的方法，其中，所述測試介質(zhì)是在與人工或自然過程相關(guān)聯(lián)的隔室中產(chǎn)生的樣本氣體，并且其中，所述電磁輻射源被定位成使得其通過所述隔室的至少一部分發(fā)射光子束。

實施例25

根據(jù)實施例1至23中的任一項所述的方法，其中，所述測試介質(zhì)是流過提取系統(tǒng)的樣本氣體，并且其中，所述電磁輻射源被定位成使得其通過所述提取系統(tǒng)的至少一部分發(fā)射光子束。

實施例26

一種吸收光譜系統(tǒng)，包括：電磁輻射源，其用于發(fā)射波長調(diào)制光子束；檢測器，其用于檢測通過測試介質(zhì)的透射之后的已調(diào)制光子束；信號處理單元，其用于處理檢測到的射束以獲得指示一個或多個被測對象的吸收效應(yīng)的信號，其中，所述處理單元適合于執(zhí)行處理，該處理包括將指示信號與針對預(yù)測的信號特征具有選擇性的核函數(shù)相關(guān)或求卷積，以便減少信號失真對一個或多個被測對象的吸收效應(yīng)的測量結(jié)果的影響。

實施例27

根據(jù)實施例26所述的吸收光譜系統(tǒng)，包括一個或多個電磁輻射源和一個或多個檢測器以及適合于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至25中的任一項所述的方法的一個或多個信號處理單元。

實施例28

根據(jù)實施例26或?qū)嵤├?7所述的吸收光譜系統(tǒng)，包括用于在受控或已知條件下測量吸收特性的內(nèi)部參考池。

實施例29

根據(jù)實施例28所述的吸收光譜系統(tǒng)，包括用于通過與針對預(yù)測信號特征具有選擇性的核函數(shù)求卷積或相關(guān)來處理使用內(nèi)部參考池獲得的參考信號的處理單元。

實施例30

根據(jù)實施例28所述的吸收光譜系統(tǒng)，包括適合于生成與使用內(nèi)部參考池獲得的吸收輪廓有關(guān)的核函數(shù)的處理單元，該核函數(shù)被與通過已調(diào)制射束通過測試介質(zhì)的透射獲得的指示信號求卷積或相關(guān)。