(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 202210478845.6 (22)申请日 2022.05.05 (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市江宁区东 南大 学路2号 (72)发明人 周宾　段拼搏　王一红　 (74)专利代理 机构 北京德崇智捷知识产权代理 有限公司 1 1467 专利代理师 郝雅洁 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/39(2006.01) (54)发明名称 基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量 方法及装置 (57)摘要 本发明涉及一种基于信号功率谱分析的光 谱气体参数测量方法及装置， 方法包括： 获得调 制光； 将调制光经光纤分束器分为三束光， 一束 穿过测量池得到含有气体浓度信息的透射光强 信号 一束得到背景光强信号I0(t)； 另一 束得到含有时频关系的标准具信号Iυ(t)； 将 Iυ(t)结合初始设定浓度值X转换得光谱吸收率 信号α(υ)； 将I0(t)与α(υ)结合， 依据Beer ‑ Lambert定律得仿真透射光强信号 采用 功率谱密度分析算法分析 得到在频域内 二次谐波和一次谐波的功率比值RS， 进而得到表 示X与对应RS之间关系的RS‑X数据库； 采用功率 谱密度分析算法分析 得在频域内二次谐 波和一次谐波的功率比值RM， 将RM代入RS‑X数据 库， 插值获取到气体浓度的测量值XM。 提高了气体参数测量的灵敏度与精度。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115015113 A 2022.09.06 CN 115015113 A 1.一种基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)函数发生器将扫描频率为fs的信号叠加调制频率为fm的信号输入到激光控制器中， 激光控制器对DFB激光器的输出波长和光强进行调谐； (2)将步骤(1)所得的调制光经光纤分束器分为三束光信号， 一束由激光准直器发射端 I发出， 穿过测量池 被光电探测器 I接收得到含有气体浓度信息的透 射光强信号ItM(t)； 一束 由激光准直器发射端II 发出， 直接由光电探测器II接收得到不含吸收信息的背 景光强信号 I0(t)； 另一束由激光准直器发射端III发出， 经光学标准具后被光电探测器III接收得到含 有时频关系的标准具信号 Iυ(t)； (3)将所述标准具信号Iυ(t)结合HITRAN数据库、 初 始设定浓度值X和其他已知参数转换 得到基于波长的光谱吸 收率信号α( υ )； (4)将所述背景光强信号I0(t)与所述的光谱吸收率信号α(υ)相结合， 依据Beer ‑ Lambert定律得到含有气体相关信息的仿真透射 光强信号 (5)对所述仿真透射光强信号 采用功率谱密度分析算法进行分析， 得到 在频 域内二次谐波和一 次谐波的功率比值RS， 从而可获得不同初始设定浓度值X所对应的RS， 建 立表示X与RS之间关系的仿真的RS‑X数据库； (6)对步骤(2)测量得到的所述透射光强信号ItM(t)同样采用功率谱密度分析算法进行 分析， 得ItM(t)在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值RM， 将RM代入步骤(5)获得的RS‑X数 据库， 通过插值获取到气体浓度的测量 值XM。 2.根据权利要求1所述的基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量方法， 其特征在于， 在频域内二次谐波和一次谐波的功率比值RS由下式计算得到： 式中， P2f、 P1f分别为二次谐波和一次谐波， af为透射光强经傅里叶变换之后的幅值， fm 是调制频率， fc1、 fc2分别为一次谐波和二次谐波的截止频率； λ1、 λ2分别为一次谐波和二次 谐波附近无吸 收频率范围内透射 光强功率谱密度的平均值。 3.根据权利要求2所述的基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量方法， 其特 征在于， λ1可通过下式计算获得： λ2可通过下式计算获得： 4.一种基于信号功率谱分析的光谱气体参数测量装置， 其特征在于， 包括函数发生器、 激光控制器、 DFB激光器、 光纤分束器、 三个激光准直器发射端、 装有待测气体的测量池、 光 学标准具、 三个光电探测器、 数据采集 卡和计算机； 所述函数发生器通过其内部通道将叠加有调制信号的扫描信号输入激光控制器中； 所述激光控制器对DFB激光器的输出波长和光强同时进行调谐；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115015113 A 2所述DFB激光器发出的激光通过两个所述光纤分束器分成三束光信号， 一束由激光准 直器发射端I发出， 穿过测量池被光电探测器I接收并转换为电信号， 得到含有气体浓度信 息的透射 光强信号 ItM(t)； 一束由激光准直器发射端II发出， 直接被光电探测器II接收得到不含吸收信息的背景 光强信号 I0(t)； 另一束由激光准直器发射端III发射， 经过光学标准具7后被光电探测器III接收得到 含有时频关系的标准具信号 Iυ(t)； 三路信号均由数据采集卡采集并输入到计算机中进行实时分析或存储起来以进行后 续信号的其 他分析与处 理； 还包括信号分析与处 理模块， 所述信号分析与处 理模块用于： 将所述标准具信号Iυ(t)结合HITRAN数据库、 初始设定浓度值X和其他已知参数转换得 到基于波长的光谱吸 收率信号α( υ )； 将所述背景光强信号I0(t)与所述光谱吸收率信号α( υ )相结合， 依据Beer ‑Lambert定律 得到含有气体相关信息的仿真透射 光强信号 对所述仿真透 射光强信号 采用功率谱密度分析算法进行分析， 得到 在频域内 二次谐波和一次谐波的功率比值RS， 建立起不同的初始设定浓度值X所对应的RS， 得到仿真 的RS‑X数据库； 对所述透射光强信号ItM(t)同样采用功率谱密度分析算 法进行分析， 得ItM(t)在频域内 二次谐波和一次谐波的功 率比值RM， 将RM代入所述RS‑X数据库， 通过插值获取到气体浓度的 测量值XM。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115015113 A 3