基于DOAS的光譜測(cè)量系統(tǒng)

摘 要：傳統(tǒng)的光譜測(cè)量系統(tǒng)多采用紅外氣體分析方法，功耗高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量范圍只限于低濃度。基于DOAS（差分吸收技術(shù)）的光譜測(cè)量系統(tǒng)，以差分吸收算法作為其基礎(chǔ)，通過(guò)ARM處理器計(jì)算濃度，能夠提升反演濃度的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)主要具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示等功能。

關(guān)鍵詞：DOAS；光譜測(cè)量；ARM

引言

傳統(tǒng)的光譜測(cè)量多以電化學(xué)和紅外光譜法。電化學(xué)分析儀存在壽命短，零點(diǎn)漂移大等缺點(diǎn)，最為主要的是只能夠測(cè)出SO2和NO2的差值，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。而紅外光譜分析儀因?yàn)椴痪哂蠳O2頻譜的吸收峰而無(wú)法測(cè)量出其濃度[1]。

在上世紀(jì)80年代時(shí)，德國(guó)海德堡大學(xué)，環(huán)境物理研究所，Platt.U和Perner.D提出了DOAS技術(shù)。DOAS方法具有原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。基于DOAS的光譜測(cè)量系統(tǒng)以DOAS技術(shù)為基礎(chǔ)，把龐大的光學(xué)系統(tǒng)模型微型化，進(jìn)而引入到實(shí)驗(yàn)室的研究應(yīng)用范疇，具有簡(jiǎn)易輕便的特點(diǎn)[2]。且只要光譜內(nèi)顯現(xiàn)出的化學(xué)成份，系統(tǒng)都可以對(duì)其做精確測(cè)量。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)是使用便攜式的光纖光譜儀來(lái)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)使用的光纖光譜儀為美國(guó)海洋光學(xué)公司推出的Maya2000 pro，能夠精準(zhǔn)的求解出被測(cè)氣體的濃度，且有效的避免零點(diǎn)漂移問(wèn)題及交叉干擾。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于DOAS的光譜測(cè)量系統(tǒng)主要有三部分功能，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。

數(shù)據(jù)采集：獲得光譜儀的煙氣數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)處理：通過(guò)ARM處理器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行求解運(yùn)算；

數(shù)據(jù)顯示：通過(guò)LCD顯示屏顯示濃度。

2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊所用的硬件設(shè)施包括煙氣采樣泵、采樣探頭、紫外光源和光纖光譜儀。煙氣采樣泵和采樣探頭具有相似的功能，都用來(lái)采集標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下的煙氣樣本；Maya2000 pro光纖光譜儀能將氣體的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)；通過(guò)光譜操作軟件即可顯示出光譜數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理模塊

（1）ARM處理器通過(guò)usb線與光譜儀連接通訊，獲取光譜儀的光譜數(shù)據(jù)。此過(guò)程中，需要定義幾個(gè)函數(shù)：

bool SendControlCommand（unsigned char command）；獲取設(shè)備硬件信息

bool SendCommand（unsigned char *buf）；獲取數(shù)據(jù)

bool GetQueryInfo（unsigned char *buf）；獲取查詢信息

bool GeSpectratdata（unsigned char *buf）；獲取光譜儀數(shù)據(jù)

（2）數(shù)據(jù)處理功能是指ARM處理器對(duì)于接收到的光譜數(shù)據(jù)采用DOAS算法反演出氣體的濃度。DOAS技術(shù)是指氣體被紫外光照射不同的氣體分子吸收不同波長(zhǎng)的光分子，這樣光分子的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)，都會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)光譜儀采集到的吸收光譜進(jìn)行分析，就可以得到氣體的種類和濃度。

DOAS技術(shù)最基本的思想是比爾郎伯定律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

對(duì)于（5）式，傳統(tǒng)的解決方法是通過(guò)多元線性回歸模型和最小二乘擬合方法來(lái)求解濃度。

4 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊是由LCD顯示屏來(lái)完成的。數(shù)據(jù)顯示模塊使用Qt GUI來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)顯示界面。Qt是一個(gè)應(yīng)用于界面開(kāi)發(fā)的程序框架，它具有跨平臺(tái)的特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的差分吸收算法，通過(guò)光譜儀采集數(shù)據(jù)，ARM處理器求解數(shù)據(jù)，LCD顯示屏顯示數(shù)據(jù)。集光學(xué)，電子學(xué)，計(jì)算機(jī)學(xué)于一體，是嵌入式技術(shù)與光纖光譜儀相結(jié)合的一次具體應(yīng)用，具有較高的研究應(yīng)用價(jià)值。且該算法具有較高的精確度。

參考文獻(xiàn)

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[2]蘇小會(huì)，陳飛，徐淑萍，等.基于光譜分析的便攜式煙氣分析儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，11（11）：71-74.

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