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CN117030638A - 一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法 - Google Patents

一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法 Download PDF

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CN117030638A
CN117030638A CN202311006512.4A CN202311006512A CN117030638A CN 117030638 A CN117030638 A CN 117030638A CN 202311006512 A CN202311006512 A CN 202311006512A CN 117030638 A CN117030638 A CN 117030638A
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signal
cavity
ring
laser
gas
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CN202311006512.4A
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曹章
李心语
徐立军
周文彬
李雪娇
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Beihang University
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Beihang University
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Abstract

本发明提出一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，主要包括激光发生模块、光调制模块、开放式光学衰荡腔模块、信号采集与处理模块、反馈电路模块等；可调谐激光耦合进开放式衰荡腔腔体，通过模式匹配形成周期性的光强衰减信号，根据时域分析的窗口选择减少大颗粒散射导致的异常消光对频域拟合的影响，再变换为频域信号改变衰减系数容差带进行修正，实现大气开放环境中吸收光谱、路径平均温度与组分浓度的测量。本发明结构简单、系统稳定性高，通过时域分析与频域迭代过滤的方法降低开放环境中气溶胶消光对测量精度的影响，适用于室外便携式测量，在气体检测领域有较高的使用价值和广阔的应用前景。

Description

一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法
(一)技术领域
本发明提出一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，属于光腔衰荡吸收光谱及气体温度、浓度测量技术领域。
(二)背景技术
随着社会经济的高速发展，工业部门对气体浓度的精密测量以及测量下限提出了更高的要求。痕量气体检测成为一项重大的科学研究课题，广泛应用于工业生产、大气检测、生物医疗、科学研究等各个领域。根据检测方法不同，气体浓度检测技术分为化学检测法和光学检测法。传统化学检测法一般为接触式测量，不仅会干扰待测气体流场，而且易受环境变化和空气扰动的影响。此外，该方法对测量参数的稳定性要求较高，一般无法实现在线实时监测。光学检测技术以吸收光谱技术为主，利用被测气体的吸收光谱信息建立光谱吸收率与气体浓度的关系，避免直接接触气体对测量精度产生影响。光学检测技术具有寿命长，稳定性高、检测速度快、灵敏度高、功耗低和成本低等优点，在气体浓度测量领域广泛使用。
衰荡腔光谱技术(Cavity ring-down spectroscopy,CRDS)分为脉冲激光衰荡腔吸收光谱技术(Pulsed-CRDS)、连续激光衰荡腔吸收光谱技术(cw-CRDS)和腔增强吸收光谱技术(cavity-enhanced absorption spectroscopy,CEAS)。1988年O’Keefe和Anthony发表在《科学仪器综述》59卷12期2544-2551页(Review ofScientific Instruments)的论文《基于脉冲型激光器的吸收率测量的衰荡腔光谱仪》(Cavity ring-down opticalspectrometer for absorption measurements usingpulsed laser sources)中，以高功率脉冲激光作为光源，测量脉冲放电喷嘴处离子和自由基的振动吸收光谱，证明Pulsed-CRDS方法的气体测量灵敏度可以达到10-6量级。由于脉冲激光器的线宽较大，难以产生单模激光，而多模激光会增加噪声，对系统的测量精度造成影响；2016年Karpf等人发表于《应用光学》55卷16期4497页(Applied Optics)的论文《利用高功率多模二极管激光器和衰荡腔的超灵敏实时跟踪气体检测技术》(Ultrasensitive,real-time trace gas detectionusing a high-power,multimode diode laser and cavity ringdown spectroscopy)中，通过多次测量取平均值的方式消除多模激光对测量精度的影响，实现抗机械振动的特性。与脉冲激光器相比，连续激光器具有较窄的线宽(＜50MHz)，可在较小光谱范围内实现波长的调谐，具有更高的光谱分辨率和更好的波长重复性。1997年Romanini等发表于《物理化学快报》264卷3-4期316-322页(Chemical Physics Letters)的《连续光衰荡腔光谱技术》(Chemical Physics Letters)中，首次以连续光为光源，利用压电陶瓷在多个自由光谱范围内连续调制衰荡腔的腔长，使目标气体的测量灵敏度达到10-9cm-1；2000年He和Orr发表于《物理化学快报》319卷1期131-137页(Chemical Physics Letters)的《利用连续波可调谐二极管激光器和快速扫掠光腔的衰荡腔增强型吸收光谱技术》(Ringdown and cavity-enhanced absorption spectroscopy using a continuous-wave tunablediode laserand a rapidly swept optical cavity)中，同时采用CRDS和CEAS吸收光谱技术，通过快速改变腔的谐振频率，在腔中快速累积能量，又快速脱离谐振状态，代替了光关断的效果，但是测量精度有所下降；2006年谭中奇等人发表于《应用激光》第6期第452-456页的《连续波腔衰荡技术原理推导及实验研究》中，根据能量守恒原理分析腔内的损耗，对连续波腔衰荡技术测量原理进行研究并搭建了腔损测量系统，测量结果表明系统腔损耗的测量误差约为0.15ppm；2009年Chen等发表于《大气测量技术》3卷第2期375-386页(AtmosphericMeasurementTechniques)的《利用空腔衰荡光谱(CRDS)技术对温室气体(CO2和CH4)进行高精度连续空气测量》(High-accuracy continuous airborne measurements ofgreenhousegases(CO2andCH4)using the cavity ring-down spectroscopy(CRDS)technique)中，研发了一套集成机载测量仪，采用激光波长扫描的方式实现衰荡腔的起振，测量大气中二氧化碳和甲烷的含量，并用干燥设备干燥腔内气体，避免测量过程中水蒸气对测量的干扰，实现优于0.3ppm的测量标准差；2012年赵辉等发表于《光谱学与光谱分析》32卷第1期41-45页的《利用离轴腔增强吸收光谱技术测量大气中的二氧化碳》中，采用波长调制技术对激光波长进行调制，通过谐波检测成可以有效抑制高频背景噪声，并与已知光程长度的吸收池做参考得到谐振腔的有效吸收光程。该方法需要引入参考吸收池，增加了系统的复杂度；2018年Li等发表于《总体环境科学》613卷第131-139页(Science ofThe Total Environment)的《北京地区大气N2O5的原位CRDS与CEAS的对比研究》(Intercomparison ofin situ CRDSand CEAS for measurements ofatmospheric N2O5in Beijing,China)中，利用真空机械腔体排尽腔内的被测气体成分，对空腔下的光损耗大小进行标定，对比CRDS和CEAS仪器对大气N2O5进行测量，测量结果显示出很好的一致性；2022年Chen等发表于《分析化学》93卷第16期6375-6384页(Analytical Chemistry)的《用于近红外甲烷δD高精度同位素比值测量的光开关双波长腔衰荡光谱仪》(Optically Switched Dual-Wavelength Cavity Ring-Down Spectrometer for High-Precision Isotope Ratio Measurements of MethaneδDin the Near Infrared)中，采用波导光开关实现两个波长之间快速交替，在甲烷同位素比率测量中，降低由温度和频率波动引起的共模噪声，但该测量系统不能实现空腔温度和激光频率稳定。综上所示，现有方法普遍存在的问题是需要引入复杂的标定设备或标准气体进行空腔标定，以获得精确的腔长和反射镜反射率，这将增加测量系统的复杂度，并给气体浓度测量引入新的误差源。
开放式衰荡腔免标定测量方法成为目前研究的热点，开放式腔体可以将待测大气气体均匀分布于两个腔镜间，减少标定采样引入的损耗以及腔壁对气体的吸附作用，提高了系统时间响应速率。2005年Bitter等发表于《大气化学与物理》5卷第9期2547-2560页(Atmospheric Chemistry andPhysics)的《用于大气痕量气体原位测量的宽谱腔衰荡光谱仪》(Abroadband cavity ringdown spectrometer for in-situ measurementsofatmospheric trace gases)中，通过差分吸收光谱的方法拟合宽谱腔衰荡光谱中的微分结构来获取的气体吸收率，气体浓度的测量精度主要取决于水汽吸收和气溶胶对目标光谱的影响，目前处理数据时假设气溶胶引入线性偏移量，这样处理气溶胶的影响会引入较大的测量误差；2007年Wada等发表于《大气化学杂志》58卷第1期69-87页(JournalofAtmospheric Chemistry)的《用空腔衰荡光谱仪测量海洋边界层中IO自由基浓度》(Measurement ofIO radical concentrations in the marine boundary layer using acavity ring-down spectrometer)中，提出了一种用于测量大气中一氧化碘自由基的开路腔衰荡光谱仪器，在海洋边界层对粘性海洋气体进行测量，假设气溶胶的影响低于噪声水平的情况下，获得了精确的IO吸收截面，实现10pptv的测量下限；2015年Gordon等发表于《气溶胶科学与技术》49卷第9期717-726页(Aerosol Science and Technology)的《新型开径气溶胶消光腔衰荡光谱仪的设计》(Design ofaNovel Open-PathAerosol ExtinctionCavity Ringdown Spectrometer)中，提出了一种开路CRDS系统，通过周期闭合机械外壳进行定时清零，求解空腔损耗，测量系统在1s平均数据测量下限为0.05cm-1，测量精度与密封衰荡腔系统相当，但是需要对机械系统进行动态标定，增加了系统的复杂度；2019年Mchale等发表于《光学表达》27卷14期20084页(Optics Express)的《用于天然气排放移动监测的开径腔衰荡甲烷传感器》(Open-path cavity ring-down methane sensor for mobilemonitoring ofnatural gas Emissions)中，通过迭代滤波的方式消除大气气溶胶对测量结果的影响，所提出的分箱滤波及全局迭代滤波算法均对拟合方式的精度较为敏感；2020年宋振源等人发表于《光学快报》45卷第3期746-749页(Optics Letters)，的《无标定气体浓度测量的连续波CRDS系统》(A random vibration-driven continuous wave CRDSsystem for calibration-free gas concentration measurement)中，利用随机振动驱动腔长变化，免除了空腔损耗的标定，由于机械振动具有随机性，有效信号的出现同样具有随机性，使得有效信号的采集效率较低，且并不能给出腔长随振动的变化值。
基于以上背景，本文发明提出一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，在开放环境下实现大气环境温度及组分浓度测量，通过时域拟合降低开放路径大颗粒气溶胶的异常消光对频域拟合的影响，再转换为频域信号改变衰减系数容差带进行修正，实现大气开放环境中吸收光谱、路径平均温度与组分浓度的测量。
(三)发明内容
本发明提出一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，属于光腔衰荡吸收光谱及气体温度、浓度测量技术领域；可调谐激光耦合进开放式衰荡腔腔体，通过模式匹配形成周期性的光强衰减信号，根据时域分析的窗口选择减少大颗粒散射导致的异常消光对频域拟合的影响，再变换为频域信号改变衰减系数容差带进行修正，实现大气开放环境中吸收光谱、路径平均温度与组分浓度的测量。
实现装置包括：激光发生模块、光调制模块、光学衰荡腔、信号采集与处理模块和反馈电路模块。
本发明的技术方案是：激光发生模块发射周期调谐的激光信号，使之与衰荡腔模式匹配，产生衰荡信号；反馈电路模块通过比较采集信号与阈值的大小，产生光调制模块的控制信号，实现入射激光的通断切换；可调谐激光与指示光用二分二耦合器耦合，一路用于波长计检测可调谐激光的波长，一路经准直镜准直后入射进开放式光学衰荡腔，可调谐激光在衰荡腔两侧的高反射镜内多次反射，在衰荡腔出射端生成光强衰减信号，用光电探测器将光信号转换成电信号，并将电信号导入采集与处理模块。其特征在于，根据指数衰减系数与吸收率之间的关系，通过时域分析与频域迭代去除大气气溶胶消光对测量精度的影响。
首先当调谐激光与光学衰荡腔腔体满足谐振条件时，频率为ν的激光被耦合进由高反射率反射镜组成的开放式衰荡腔中：
其中，q为激光纵模的序数，L为光学衰荡腔腔长；
信号发生器产生阶梯形调制信号，并在调制信号上叠加小幅值的正弦波，正弦波幅值大于一个自由光谱范围并小于两个自由光谱范围的调节电压，叠加信号用于调制可调谐二极管激光器的波长，使衰荡腔系统在每个步长处生成振荡周期的衰荡信号；可调谐激光的初始波长由波长计读出，根据自由光谱范围修正各点的频率：
vq＝v0+FSR·q (2)
可调谐激光从准直镜出射并将光纤光转换为空间光，满足衰荡腔模式匹配的激光在光学衰荡腔内多次反射，由后反射镜透射的光强信号随时间呈指数衰减，光电探测器将光信号转换为电信号，并传输给采集系统，采集到的光强信号I(t)可以表示为：
其中，I0为衰荡信号的初始光强，t为时间，c为光速，R为高反射镜的反射率，α(v)为光谱吸收率的系数，在多组分气体条件下，气体总的吸收率可以表示为：
其中，n为测量波段包含的气体吸收谱线数，P为测量区域气体压强，Xabs为待测气体的摩尔分数，S(T,v0)为吸收谱线强度函数，φvoigt(v,Xabs)为吸收谱Voigt线型函数；
吸收谱线强度函数S(T,v0)可以表示为：
其中，T为测量温度，v0为谱线中心频率，T0为参考温度，Q(T)为待测气体分子在温度T下的配分函数，h为普朗克常数，c为光速，E”为能级跃迁的低能态能量，k为玻尔兹曼常数；
吸收谱Voigt线型的表达式为：
其中，ΔvD为多普勒半高宽，a为多普勒展宽和碰撞展宽之间的参数关系，w为距离吸收谱线中心光谱长度的无量纲数，y为积分变量；
根据式(3)，对采集到的衰荡腔光强衰减信号进行指数拟合，拟合得到指数衰减系数β(v)：
由式(7)得到β(v)和α(v)的关系：
其中，(1-R)/L为衰荡腔的空腔损耗；考虑到开放光路测量时存在的气溶胶的影响，α(ν)可以修正为α'(v)：
α'(v)＝α(v)+αext (9)
其中，为均匀分布的气溶胶小颗粒消光率，/>为不均匀分布的气溶胶大颗粒消光率；对阶梯波每一个阶梯位置进行多次采集，获得对应波长的指数衰减系数β(v)，该指数衰减系数的分布由高斯分布和由不均匀分布气溶胶产生的高吸收尾构成；
由公式(8)可知，待测气体的吸收率与空腔损耗、气溶胶消光系数之间呈线性叠加关系；将测量的频域指数衰减系数转换至时域进行分析，即将式(8)两侧进行傅里叶反变换，得到时域的衰减信号A(t):
空腔损耗、小颗粒吸收与气体吸收率随光频变化缓慢，在时域中这些信号的分量衰减速度比高频噪声等信号的衰减速度快，故可以选择合适的区域进行吸收光谱拟合，用于抑制频域中高频噪声对光谱拟合的影响，拟合区域用加权函数进行选择：
其中，t1为分子吸收开始时刻，t2为分子响应衰减到信号噪声水平的时刻；
对衰减系数进行迭代修正，首先将待测温度、气体摩尔分数、空腔损耗以及小颗粒吸收损耗设置为自由变量，根据式(11)对测量的吸收率和数据库中仿真的吸收率进行非线性最小二乘拟合。引起的光强损失在时间尺度上不能与气体吸收完全分离，将拟合后的衰减系数分布进行傅里叶变换转化为频域信号，根据公式(8)迭代改变衰减系数分布容差带修正误差较大的频率点，求解开放路径气体组分浓度及温度。
本发明的优点在于：1.本发明利用激光发生模块发射周期调谐的激光信号，使之与衰荡腔模式匹配，产生衰荡信号，通过时域分析降低了离散点对拟合方式的精度要求，再通过频域的迭代改变衰减系数分布容差带修正误差较大的频率点，实现了气溶胶影响下的气体温度及组分浓度免标定测量。2.本发明提出的开放式测量系统结构简单，测量气体分布均匀，避免了气体采样损耗，降低系统能耗，过滤算法操作简单，无需引入其他装置，提高了开放光路中平均温度和组分浓度的测量精度。
(四)附图说明
附图标示
图1是本专利整体系统结构示意图
101、激光发生模块102、光调制模块103、开放式光学衰荡腔
104、信号低采样率采集与处理模块105、反馈电路模块
图2是空间光路结构示意图
图3是本专利方法的流程图。
图4是本专利方法与传统的频域拟合解算对照图。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
实例在以下条件下实施，实验在标准大气压的开放环境下进行，如图2空间光结构示意图所示，通过笼式结构调整空间光共轴，根据标定数据调整准直镜焦距与匹配透镜的相对距离，从而选择衰荡腔的最佳腔长；激光发生模块(101)调谐出射激光，从中心波数为5937.7cm-1处开始步进式扫描，扫描步长为略大于自由光谱范围，覆盖甲烷与水蒸气在5937.7cm-1至5938.7cm-1处的吸收谱线，周期为1Hz，步进扫描的同时施加频率为1kHz的正弦波进行模式匹配，通入光调制模块(102)被反馈电路模块(105)控制周期性的关断，再入射到的由一组高反射率反射镜及设计的开放式镜架组成的光学衰荡腔(103)中，出射端的光强指数衰减信号导入到信号采集与处理模块(104)采集，采样频率为14MHz。具体包括以下步骤：
步骤一、调谐激光发生模块(101)出射中心波数为5937.7cm-1的周期扫描激光，阶梯步长与正弦波幅值设置为10mV；由红光笔调整空间光共轴；通过调整附图2所示准直镜焦距与匹配透镜的相对距离，根据质量光束分析仪标定的出射光束基腰位置与光斑大小进行腔长调整，使腔长尽可能长的同时出射信号强度受路径气溶胶影响较小，选定最佳的腔长参数L为16.5cm，自由光谱范围为0.0302cm-1；
步骤二、信号发生器产生阶梯形调制信号，并在调制信号上叠加小幅值的正弦波，正弦波幅值大于一个自由光谱范围并小于两个自由光谱范围的调节电压，叠加信号用于调制可调谐二极管激光器的波长，使衰荡腔系统在每个步长处生成振荡周期的衰荡信号；可调谐激光的初始波长由波长计读出，根据自由光谱范围修正各点的频率：
vq＝v0+FSR·q (2)
步骤二、可调谐激光从准直镜出射并将光纤光转换为空间光，满足衰荡腔模式匹配的激光在光学衰荡腔内多次反射，由后反射镜透射的光强信号随时间呈指数衰减，光电探测器将光信号转换为电信号，并传输给采集系统，采集到的光强信号I(t)可以表示为：
其中，I0为衰荡信号的初始光强，t为时间，c为光速，R为高反射镜的反射率，α(ν)为光谱吸收率的系数，在多组分气体条件下，气体总的吸收率可以表示为：
其中，n为测量波段包含的气体吸收谱线数，P为测量区域气体压强，Xabs为待测气体的摩尔分数，S(T,ν0)为吸收谱线强度函数，φvoigt(v,Xabs)为吸收谱Voigt线型函数；
吸收谱线强度函数S(T,ν0)可以表示为：
其中，T为测量温度，v0为谱线中心频率，T0为参考温度，Q(T)为待测气体分子在温度T下的配分函数，h为普朗克常数，c为光速，E”为能级跃迁的低能态能量，k为玻尔兹曼常数；
吸收谱Voigt线型的表达式为：
其中，ΔvD为多普勒半高宽，a为多普勒展宽和碰撞展宽之间的参数关系，w为距离吸收谱线中心光谱长度的无量纲数，y为积分变量；
步骤三、根据式(3)，对采集到的衰荡腔光强衰减信号进行指数拟合，拟合得到指数衰减系数β(v)：
由式(7)得到β(v)和α(v)的关系：
其中，(1-R)/L为衰荡腔的空腔损耗；考虑到开放光路测量时存在的气溶胶的影响，α(v)可以修正为α'(v)：
α'(v)＝α(v)+αext (9)
其中，为均匀分布的气溶胶小颗粒消光率，/>为不均匀分布的气溶胶大颗粒消光率；对阶梯波每一个阶梯位置进行多次采集，获得对应波长的指数衰减系数β(v)，该指数衰减系数的分布由高斯分布和由不均匀分布气溶胶产生的高吸收尾构成；
由公式(8)可知，待测气体的吸收率与空腔损耗、气溶胶消光系数之间呈线性叠加关系；将测量的频域指数衰减系数转换至时域进行分析，即将式(8)两侧进行傅里叶反变换，得到时域的衰减信号A(t):
空腔损耗、小颗粒吸收与气体吸收率随光频变化缓慢，在时域中这些信号的分量衰减速度比高频噪声等信号的衰减速度快，故可以选择合适的区域进行吸收光谱拟合，用于抑制频域中高频噪声对光谱拟合的影响，拟合区域用加权函数进行选择：
其中，t1为分子吸收开始时刻，t2为分子响应衰减到信号噪声水平的时刻；
步骤四、对衰减系数进行迭代修正，首先将待测温度、气体摩尔分数、空腔损耗以及小颗粒吸收损耗设置为自由变量，根据式(11)对测量的吸收率和数据库中仿真的吸收率进行非线性最小二乘拟合。引起的光强损失在时间尺度上不能与气体吸收完全分离，将拟合后的衰减系数分布进行傅里叶变换转化为频域信号，根据公式(8)迭代改变衰减系数分布容差带修正误差较大的频率点，本实例中应用直方图分布频次设定容差带，求解开放路径气体组分浓度及温度。
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (2)

1.一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，所述系统包括激光发生模块、光调制模块、开放式光学衰荡腔模块、信号采集与处理模块、反馈电路模块等；激光发生模块发射周期调谐的激光信号，使之与衰荡腔模式匹配，产生衰荡信号；反馈电路模块通过比较采集信号与阈值的大小，产生光调制模块的控制信号，实现入射激光的通断切换；可调谐激光与指示光用二分二耦合器耦合，一路用于波长计检测可调谐激光的波长，一路经准直镜准直后入射进开放式光学衰荡腔，可调谐激光在衰荡腔两侧的高反射镜内多次反射，在衰荡腔出射端生成光强衰减信号，用光电探测器将光信号转换成电信号，并将电信号导入采集与处理模块。其特征在于，根据指数衰减系数与吸收率之间的关系，通过时域分析与频域迭代去除大气气溶胶消光对测量精度的影响，具体包括如下步骤：
步骤一、当调谐激光与光学衰荡腔腔体满足谐振条件时，频率为v的激光被耦合进由高反射率反射镜组成的开放式衰荡腔中：
其中，q为激光纵模的序数，L为光学衰荡腔的腔长；
信号发生器产生阶梯形调制信号，并在调制信号上叠加小幅值的正弦波，正弦波幅值大于一个自由光谱范围并小于两个自由光谱范围的调节电压，叠加信号用于调制可调谐二极管激光器的波长，使衰荡腔系统在每个步长处生成振荡周期的衰荡信号；可调谐激光的初始波长由波长计读出，根据自由光谱范围修正各点的频率：
vq＝v0+FSR·q (2)
步骤二、可调谐激光从准直镜出射并将光纤光转换为空间光，满足衰荡腔模式匹配的激光在光学衰荡腔内多次反射，由后反射镜透射的光强信号随时间呈指数衰减，光电探测器将光信号转换为电信号，并传输给采集系统，采集到的光强信号I(t)可以表示为：
其中，I0为衰荡信号的初始光强，t为时间，c为光速，R为高反射镜的反射率，α(v)为光谱吸收率的系数，在多组分气体条件下，气体总的吸收率可以表示为：
其中，n为测量波段包含的气体吸收谱线数，P为测量区域气体压强，Xabs为待测气体的摩尔分数，S(T,v0)为吸收谱线强度函数，φvoigt(v,Xabs)为吸收谱Voigt线型函数；
吸收谱线强度函数S(T,ν0)可以表示为：
其中，T为测量温度，ν0为谱线中心频率，T0为参考温度，Q(T)为待测气体分子在温度T下的配分函数，h为普朗克常数，c为光速，E”为能级跃迁的低能态能量，k为玻尔兹曼常数；
吸收谱Voigt线型的表达式为：
其中，ΔvD为多普勒半高宽，a为多普勒展宽和碰撞展宽之间的参数关系，w为距离吸收谱线中心光谱长度的无量纲数，y为积分变量；
步骤三、根据式(3)，对采集到的衰荡腔光强衰减信号进行指数拟合，拟合得到指数衰减系数β(v)：
由式(7)得到β(v)和α(v)的关系：
其中，(1-R)/L为衰荡腔的空腔损耗；考虑到开放光路测量时存在的气溶胶的影响，α(v)可以修正为α'(v)：
α'(v)＝α(v)+αext (9)
其中，为均匀分布的气溶胶小颗粒消光率，/>为不均匀分布的气溶胶大颗粒消光率；对阶梯波每一个阶梯位置进行多次采集，获得对应波长的指数衰减系数β(v)，该指数衰减系数的分布由高斯分布和由不均匀分布气溶胶产生的高吸收尾构成；
由公式(8)可知，待测气体的吸收率与空腔损耗、气溶胶消光系数之间呈线性叠加关系；将测量的频域指数衰减系数转换至时域进行分析，即将式(8)两侧进行傅里叶反变换，得到时域的衰减信号A(t):
空腔损耗、小颗粒吸收与气体吸收率随光频变化缓慢，在时域中这些信号的分量衰减速度比高频噪声等信号的衰减速度快，故可以选择合适的区域进行吸收光谱拟合，用于抑制频域中高频噪声对光谱拟合的影响，拟合区域用加权函数进行选择：
其中，t1为分子吸收开始时刻，t2为分子响应衰减到信号噪声水平的时刻；
步骤四、对衰减系数进行迭代修正，首先将待测温度、气体摩尔分数、空腔损耗以及小颗粒吸收损耗设置为自由变量，根据式(11)对测量的吸收率和数据库中仿真的吸收率进行非线性最小二乘拟合。引起的光强损失在时间尺度上不能与气体吸收完全分离，将拟合后的衰减系数分布进行傅里叶变换转化为频域信号，根据公式(8)迭代改变衰减系数分布容差带修正误差较大的频率点，求解开放路径气体组分浓度及温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，其特征在于通过可调共轴衰荡腔选定开放环境下最佳的腔长参数，具体包括如下步骤：
步骤一、空间光路装置通过笼式结构同轴布置，准直镜与匹配透镜套筒通过二维镜架安装，开放式光学衰荡腔包括对称安装的光学高反射率反射镜及开放式安装镜架，镜架内外壳通过O圈连接，外壳为笼式结构；微型泵和空气高效过滤器与镜架导气孔连接，在镜片前形成涡流，吹扫保护镜片；
步骤二、标定套筒中匹配透镜的不同相对位置对应出射高斯光基腰的位置和大小；
步骤三、在实验中利用笼式结构，在保证装置稳定性与中轴偏移量改变较小的前提下调整镜架改变腔长，根据标定范围调整匹配透镜距离与镜架俯仰，观察出射信号强度直到透射峰值最大，使腔长尽可能长的同时出射信号强度受路径气溶胶影响较小，从而快速选定最佳的腔长参数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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