光譜儀數據漂移補償方法與流程
2023-10-06 22:39:09
本發明屬於光譜補償技術領域，特別是涉及一種基於光譜儀數據漂移的補償方法。
背景技術：
光譜儀是以光電探測器檢測譜線對應波長位置及強度的裝置，是紫外差分吸收光譜技術等光譜吸收技術儀器的核心部件。隨著國家對煙氣排放標準的不斷提高，現有的紅外分析儀器和常規的紫外差分吸收光譜技術已經很難滿足煙氣分析的低檢測限、高靈敏度和高解析度等要求，這對長時間連續運行情況下，紫外差分吸收光譜分析儀器核心部件一光譜儀的穩定性提出了更高的要求。現有光譜儀數據補償的方式有兩種，第一種，將光譜儀置於穩定的工作環境中，在光譜儀外加一個可控溫箱，使其處於穩定的溫度環境，可定期對分析儀器校準標定；第二種，即相對位置偏移補償，選擇相對穩定的波長作為參考坐標，將其偏移量、偏移係數來補償其它波長點的偏移量。
然而，第一種補償方式將光譜儀長期置於可控溫箱，溫度環境超出了光譜儀的可用溫度範圍，影響光譜儀的使用壽命，隨著時間推移容易讓固件成本發生變化；第二種補償方式，需要提前做大量試驗數據，而且光譜儀本身存在差異，導致可移植性非常差，增加了補償的工作量，降低了工作效率，無法在多種平臺上進行推廣。
技術實現要素：
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種基於光譜儀數據漂移的補償方法，用於解決現有技術中光譜儀在補償時，可移植性差，補償效率低的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基於光譜儀數據漂移的補償方法，包括：
步驟1，獲取光譜儀的背景光譜與吸收光譜，其中，所述背景光譜為通入標準氣體時的光譜數據，所述吸收光譜為通入測試氣體時的光譜數據；
步驟2，根據待測氣體選擇與其對應波段範圍的吸收光譜，採用數據歸一化處理吸收光譜對其進行縱向校正補償；
步驟3，採用Doas技術測量計算測試氣體下的差分光學厚度；
步驟4，對比吸收截面與差分光學厚度的波形計算兩者之間的橫向偏移量；
步驟5，以所述吸收截面為參考按照所述橫向偏移量平移差分光學厚度直到吸收截面與差分光學厚度的波形對齊為止；
步驟6，根據最小二乘法計算補償後的光譜數據的待測氣體濃度。
如上所述，本發明的基於光譜儀數據漂移的補償方法，具有以下有益效果：
本發明通過對待測氣體的吸收光譜數據分別進行縱向補償和橫向補償，使得經過補償的數據測量的待測氣體濃度更加精準，同時，本方法不需要針對每臺光譜儀做大量地試驗數據，減少了補償校正的工作量，提高了補償的效率；另外，其通用性強，可移植性高，可大面積推廣到各種平臺，針對各種濃度均可使用。
附圖說明
圖1顯示為本發明提供的一種基於光譜儀數據漂移的補償方法流程圖；
圖2顯示為本發明提供的一種基於光譜儀吸收截面與差分光學厚度的光譜數據圖。
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
請參閱圖1，本發明提供一種基於光譜儀數據漂移的補償方法，包括：
步驟1，獲取光譜儀的背景光譜與吸收光譜，其中，所述背景光譜為通入標準氣體時的光譜數據，所述吸收光譜為通入測試氣體時的光譜數據；
具體地，所述光譜儀的光源可為氙燈光源或氘燈光源，所述標準氣體可為氮氣，待測氣體為汙染氣體中二氧化硫或/和一氧化氮。
步驟2，根據待測氣體選擇與其對應波段範圍的吸收光譜，採用數據歸一化處理吸收光譜對其進行縱向校正補償；
具體地，根據待測氣體的屬性，在吸收光譜中選擇某個非吸收的參考選取點，或者連續地幾個非吸收點的參考選取點的平均值，採用數據歸一化處理吸收光譜對其進行縱向校正補償。
在本實施例中，所述二氧化硫對應的吸收波段為285～310nm，所述一氧化氮的吸收波段為200～230nm，根據選擇的氣體對應的吸收波段，計算光譜儀的光譜數據按照吸收波段中非吸收的參考選取點的平均值，由於光譜儀中的光譜數據大小不一，相當於對光譜數據的縱向濾波，將其光譜限定在一定範圍內，處於同一數量級，便於比較。
步驟3，採用Doas技術測量計算測試氣體下的差分光學厚度；
其中，差分吸收光譜法(Doas)是今年來發展較快的且具有代表性的光化學濃度測量方法，可以實現準確、快速和在線測量。利用被測氣體在在紫外到可見光波段具有特定差分吸收結構來鑑別氣體種類，根據吸收光譜強度反演氣體濃度。
具體地，針對待測氣體，從吸收光譜中提取對應吸收波段中選擇待測氣體的待測光數據組，從背景光譜中選擇與吸收波段對應的參考光數據組，根據待測光數據組與參考光數據組採用Lambert定律計算待測氣體的吸收光學厚度。
在本實施例中，採用Lambert定律根據參考光數據組與待測光數據組之間的比值，計算吸收光學厚度。
步驟4，對比吸收截面與差分光學厚度的波形計算兩者之間的橫向偏移量；
具體地，在吸收光譜中，所述待測氣體對應的吸收截面為固定波動值，以吸收截面為準對比待測差分光學厚度的波形，選擇臨近最大振幅的幾個波峰點，採用峰谷對應原則計算兩者之間的橫向偏移量。
在本實例中，參考圖2，為本發明提供的基於光譜儀吸收截面與差分光學厚度的光譜數據圖，其中，振幅較為劇烈的曲線為待測氣體的吸收截面，振幅較小的曲線為待測氣體的差分光學厚度。首先，以吸收截面的曲線為參考曲線，尋找其振幅最大時波峰對應的波長位置點，在其左右兩側各選擇幾個波峰點或波谷點；其次，在差分光學厚度對應曲線上，對照吸收截面的參考曲線，同樣選擇最大振幅的波峰點對應的波長位置點，和對應的波峰點或波谷點，對比兩曲線得到兩者之間的相位差，即橫向偏移量，其中，差分光學厚度對應曲線的波形圖波峰波谷的個數遠遠大於吸收截面對應曲線上波峰波谷的數目。
步驟5，以所述吸收截面為參考按照所述橫向偏移量平移差分光學厚度直到吸收截面與差分光學厚度的波形對齊為止；
具體地，尋找吸收截面與差分光學厚度各自最大振幅(幅值)波峰所對應的波長位置，在所述最大振幅的波峰點對應的波長位置兩側各選幾個波峰點，採用峰對峰的方式平移差分光學厚度的波形直到與吸收截面波形重合為止。
在本實施例中，根據橫向偏移量，以最大波峰為起始點向兩側方向，按照波峰對齊波峰的原則平移差分光學厚度的波形直到與吸收截面波形重合為止。
步驟6，根據最小二乘法計算補償後的光譜數據的待測氣體濃度。
具體地，假設待測氣體濃度為C，按照待測氣體的吸收截面為Y與吸收光學厚度為X，其中，採用最小二乘法根據經過補償的吸收截面為Y1與吸收光學厚度為X1，計算補償後的待測氣體濃度。
在本實施例中，吸收截面為Y與吸收光學厚度為X可為列矩陣，補償的吸收截面為Y1與吸收光學厚度為X1為對應列矩陣的轉置矩陣，採用最小二乘法計算補償後的待測氣體濃度。
綜上所述，本發明通過對待測氣體的吸收光譜數據分別進行縱向補償和橫向補償，使得經過補償的數據測量的待測氣體濃度更加精準，同時，本方法不需要針對每臺光譜儀做大量地試驗數據，減少了補償校正的工作量，提高了補償的效率；另外，其通用性強，可移植性高，可大面積推廣到各種平臺，針對各種濃度均可使用。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。