CN106769906B - 光谱仪数据漂移补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光谱仪数据漂移的补偿方法，包括：获取光谱仪的背景光谱与吸收光谱；根据待测气体选择与其对应波段范围的吸收光谱，采用数据归一化处理吸收光谱对其进行纵向校正补偿；采用Doas技术测量计算测试气体下的差分光学厚度；对比吸收截面与差分光学厚度的波形计算两者间的横向偏移量；以吸收截面为参考按照横向偏移量平移差分光学厚度直到吸收截面与差分光学厚度的波形对齐为止；根据最小二乘法计算待测气体浓度。本发明对待测气体的吸收光谱数据分别进行纵向补偿和横向补偿，测量待测气体浓度更加精准，不需要针对每台光谱仪做大量地试验数据，减少了补偿校正的工作量，提高了效率；其通用性强，移植性高，可大面积推广使用。
Description
技术领域
本发明属于光谱补偿技术领域，特别是涉及一种基于光谱仪数据漂移的补偿方法。
背景技术
光谱仪是以光电探测器检测谱线对应波长位置及强度的装置，是紫外差分吸收光谱技术等光谱吸收技术仪器的核心部件。随着国家对烟气排放标准的不断提高，现有的红外分析仪器和常规的紫外差分吸收光谱技术已经很难满足烟气分析的低检测限、高灵敏度和高分辨率等要求，这对长时间连续运行情况下，紫外差分吸收光谱分析仪器核心部件一光谱仪的稳定性提出了更高的要求。现有光谱仪数据补偿的方式有两种，第一种，将光谱仪置于稳定的工作环境中，在光谱仪外加一个可控温箱，使其处于稳定的温度环境，可定期对分析仪器校准标定；第二种，即相对位置偏移补偿，选择相对稳定的波长作为参考坐标，将其偏移量、偏移系数来补偿其它波长点的偏移量。
然而，第一种补偿方式将光谱仪长期置于可控温箱，温度环境超出了光谱仪的可用温度范围，影响光谱仪的使用寿命，随着时间推移容易让固件成本发生变化；第二种补偿方式，需要提前做大量试验数据，而且光谱仪本身存在差异，导致可移植性非常差，增加了补偿的工作量，降低了工作效率，无法在多种平台上进行推广。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于光谱仪数据漂移的补偿方法，用于解决现有技术中光谱仪在补偿时，可移植性差，补偿效率低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于光谱仪数据漂移的补偿方法，包括：
步骤1，获取光谱仪的背景光谱与吸收光谱，其中，所述背景光谱为通入标准气体时的光谱数据，所述吸收光谱为通入测试气体时的光谱数据；
步骤2，根据待测气体选择与其对应波段范围的吸收光谱，采用数据归一化处理吸收光谱对其进行纵向校正补偿；
步骤3，采用Doas技术测量计算测试气体下的差分光学厚度；
步骤4，对比吸收截面与差分光学厚度的波形计算两者之间的横向偏移量；
步骤5，以所述吸收截面为参考按照所述横向偏移量平移差分光学厚度直到吸收截面与差分光学厚度的波形对齐为止；
步骤6，根据最小二乘法计算补偿后的光谱数据的待测气体浓度。
如上所述，本发明的基于光谱仪数据漂移的补偿方法，具有以下有益效果：
本发明通过对待测气体的吸收光谱数据分别进行纵向补偿和横向补偿，使得经过补偿的数据测量的待测气体浓度更加精准，同时，本方法不需要针对每台光谱仪做大量地试验数据，减少了补偿校正的工作量，提高了补偿的效率；另外，其通用性强，可移植性高，可大面积推广到各种平台，针对各种浓度均可使用。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种基于光谱仪数据漂移的补偿方法流程图；
图2显示为本发明提供的一种基于光谱仪吸收截面与差分光学厚度的光谱数据图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种基于光谱仪数据漂移的补偿方法，包括：
步骤1，获取光谱仪的背景光谱与吸收光谱，其中，所述背景光谱为通入标准气体时的光谱数据，所述吸收光谱为通入测试气体时的光谱数据；
具体地，所述光谱仪的光源可为氙灯光源或氘灯光源，所述标准气体可为氮气，待测气体为污染气体中二氧化硫或/和一氧化氮。
步骤2，根据待测气体选择与其对应波段范围的吸收光谱，采用数据归一化处理吸收光谱对其进行纵向校正补偿；
具体地，根据待测气体的属性，在吸收光谱中选择某个非吸收的参考选取点，或者连续地几个非吸收点的参考选取点的平均值，采用数据归一化处理吸收光谱对其进行纵向校正补偿。
在本实施例中，所述二氧化硫对应的吸收波段为285～310nm，所述一氧化氮的吸收波段为200～230nm，根据选择的气体对应的吸收波段，计算光谱仪的光谱数据按照吸收波段中非吸收的参考选取点的平均值，由于光谱仪中的光谱数据大小不一，相当于对光谱数据的纵向滤波，将其光谱限定在一定范围内，处于同一数量级，便于比较。
步骤3，采用Doas技术测量计算测试气体下的差分光学厚度；
其中，差分吸收光谱法(Doas)是今年来发展较快的且具有代表性的光化学浓度测量方法，可以实现准确、快速和在线测量。利用被测气体在在紫外到可见光波段具有特定差分吸收结构来鉴别气体种类，根据吸收光谱强度反演气体浓度。
具体地，针对待测气体，从吸收光谱中提取对应吸收波段中选择待测气体的待测光数据组，从背景光谱中选择与吸收波段对应的参考光数据组，根据待测光数据组与参考光数据组采用Lambert定律计算待测气体的吸收光学厚度。
在本实施例中，采用Lambert定律根据参考光数据组与待测光数据组之间的比值，计算吸收光学厚度。
步骤4，对比吸收截面与差分光学厚度的波形计算两者之间的横向偏移量；
具体地，在吸收光谱中，所述待测气体对应的吸收截面为固定波动值，以吸收截面为准对比待测差分光学厚度的波形，选择临近最大振幅的几个波峰点，采用峰谷对应原则计算两者之间的横向偏移量。
在本实例中，参考图2，为本发明提供的基于光谱仪吸收截面与差分光学厚度的光谱数据图，其中，振幅较为剧烈的曲线为待测气体的吸收截面，振幅较小的曲线为待测气体的差分光学厚度。首先，以吸收截面的曲线为参考曲线，寻找其振幅最大时波峰对应的波长位置点，在其左右两侧各选择几个波峰点或波谷点；其次，在差分光学厚度对应曲线上，对照吸收截面的参考曲线，同样选择最大振幅的波峰点对应的波长位置点，和对应的波峰点或波谷点，对比两曲线得到两者之间的相位差，即横向偏移量，其中，差分光学厚度对应曲线的波形图波峰波谷的个数远远大于吸收截面对应曲线上波峰波谷的数目。
步骤5，以所述吸收截面为参考按照所述横向偏移量平移差分光学厚度直到吸收截面与差分光学厚度的波形对齐为止；
具体地，寻找吸收截面与差分光学厚度各自最大振幅(幅值)波峰所对应的波长位置，在所述最大振幅的波峰点对应的波长位置两侧各选几个波峰点，采用峰对峰的方式平移差分光学厚度的波形直到与吸收截面波形重合为止。
在本实施例中，根据横向偏移量，以最大波峰为起始点向两侧方向，按照波峰对齐波峰的原则平移差分光学厚度的波形直到与吸收截面波形重合为止。
步骤6，根据最小二乘法计算补偿后的光谱数据的待测气体浓度。
具体地，假设待测气体浓度为C，按照待测气体的吸收截面为Y与吸收光学厚度为X，其中，采用最小二乘法根据经过补偿的吸收截面为Y1与吸收光学厚度为X1，计算补偿后的待测气体浓度。
在本实施例中，吸收截面为Y与吸收光学厚度为X可为列矩阵，补偿的吸收截面为Y1与吸收光学厚度为X1为对应列矩阵的转置矩阵，采用最小二乘法计算补偿后的待测气体浓度。
综上所述，本发明通过对待测气体的吸收光谱数据分别进行纵向补偿和横向补偿，使得经过补偿的数据测量的待测气体浓度更加精准，同时，本方法不需要针对每台光谱仪做大量地试验数据，减少了补偿校正的工作量，提高了补偿的效率；另外，其通用性强，可移植性高，可大面积推广到各种平台，针对各种浓度均可使用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种基于光谱仪数据漂移的补偿方法，其特征在于，包括：
步骤1，获取光谱仪的背景光谱与吸收光谱，其中，所述背景光谱为通入标准气体时的光谱数据，所述吸收光谱为通入测试气体时的光谱数据；
步骤2，根据待测气体选择与其对应波段范围的吸收光谱，在所述吸收光谱中选取几个连续且非吸收的参考选取点，采用数据归一化处理吸收光谱对其进行纵向校正补偿；
步骤3，采用Doas技术测量计算测试气体下的差分光学厚度；
步骤4，对比吸收截面与差分光学厚度的波形计算两者之间的横向偏移量；
步骤5，以所述吸收截面为参考按照所述横向偏移量平移差分光学厚度直到吸收截面与差分光学厚度的波形对齐为止；其中，寻找吸收截面与差分光学厚度各自最大振幅波峰所对应的波长位置，在所述最大振幅波峰点对应的波长位置两侧各选几个波峰点，采用峰对峰的方式平移差分光学厚度的波形直到与吸收截面波形重合为止；
步骤6，根据最小二乘法计算补偿后的光谱数据的待测气体浓度。
2.根据权利要求1所述的基于光谱仪数据漂移的补偿方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
针对待测气体，从吸收光谱中提取对应吸收波段中选择待测气体的待测光数据组，从背景光谱中选择与吸收波段对应的参考光数据组，根据待测光数据组与参考光数据组采用Lambert定律计算待测气体的吸收光学厚。
3.根据权利要求1所述的基于光谱仪数据漂移的补偿方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
在吸收光谱中，所述待测气体对应的吸收截面为固定波动值，以吸收截面为准对比待测差分光学厚度的波形，选择靠近最大振幅的几个波峰点，采用峰谷对应原则计算两者之间的横向偏移量。
4.根据权利要求1所述的基于光谱仪数据漂移的补偿方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：
假设待测气体浓度为C，按照待测气体的吸收截面为Y与吸收光学厚度为X，其中，采用最小二乘法根据经过补偿的吸收截面为Y1与吸收光学厚度为X1，计算补偿后的待测气体浓度C1。
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