基于tdlas技术的氨气检测仿真系统及其仿真分析方法
基于tdlas技术的氨气检测仿真系统及其仿真分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种发动机尾气中氨气检测技术，特别是涉及一种基于TDLAS技术的 氨气检测仿真系统及其仿真分析方法。
【背景技术】
[0002] 能源和环境是人类社会生存和发展的物质基础，发动机作为与能源和环境关系极 为密切的载体，已成为与各行业、家庭密切相关的生产生活必需品。柴油机以其油耗低、扭 矩大的优势，被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等领域，尤其在车辆动力方面的 发展优势最为明显。随着柴油汽车保有量的快速、持续增长，柴油汽车尾气排放的主要气体 成分氮氧化物（NOx)和颗粒物（PM)对环境的污染问题日益突出。研宄和实践表明，以尿素 水溶液为还原剂的SCR技术是唯一能够满足国IV甚至未来国V要求的排气后处理方法。 其原理是利用柴油汽车排气管排气的热量使得还原剂（尿素+水，比例32. 5% )热解生成 NH3，在催化剂的作用下与排气中N0X进行还原反应生成氮气和水。尿素剂量由SCR电控系 统控制，实际工作中喷出的尿素量应略多于化学反应所需要的量，以确保还原完全，剩余的 NH3排放到大气中。这一部分排放的NH3又造成了新的大气环境污染。
[0003] 此外，NH3很容易和大气中的一些酸性气体发生中和反应生成铵盐，促进大气细颗 粒物（PM2. 5)的形成，排放到空气中会产生严重的环境效应，对空气质量、大气能见度及酸 性沉降有重要影响。
[0004] 可调谐二极管激光吸收光谱技术（TunableDiodeLaserAbsorption Spectros-copy，TDLAS)，作为一种高选择性、高灵敏度、高精度的快速在线检测技术，被广 泛应用于环境大气检测领域。TDLAS利用半导体激光器调谐特性，结合谐波检测技术，对特 定频率处的待测气体进行吸收探测。由于探测的谱线线宽很窄，故可避免其他气体干扰，实 现近似"单线光谱"检测。由于激光的相干性好且光功率密度高，因而可实现高精度检测。 谐波探测技术结合长光程技术，能够很好的抑制噪声，提高检测灵敏度，检测限可达ppm~ ppt级别[18][19]。此外，它可以实现开放光程的实时、在线检测，一系列优越性能使其在 大气线检测方面迅速发展，成为重要检测手段之一。
[0005] 现有技术中亟待研发一种以SCR型机动车逃逸氨为检测目标，开展TDLAS检测的 氨气检测仿真系统，以便于学术研宄，乃至于产业预测分析的借鉴。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述现有技术，本发明提出了基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统及其 仿真分析方法，对检测系统进行了基于Simulink软件的仿真建模，并且实现了二次谐波信 号的建模分析。
[0007] 本发明提出了一种基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统，该系统包括利用计算机 仿真软件工具Simulink仿真出的光源模块、气室模块以及信号检测模块；其中：
[0008] 所述光源模块，用于将调制电流注入到激光器中进行波长调制，由激光器输出一 定频率及强度的激光；
[0009] 所述气室模块，用于实现待测气体在特定中心波长处，按照特定谱线吸收线型对 激光进行吸收，主要在于谱线线型的确定，完成模拟激光在气室中的吸收；
[0010] 所述信号检测模块，用于探测二次谐波信号，封装后的仿真模块如图6所示，洛伦 兹和高斯线型下的二次谐波信号的仿真结果。
[0011] 本发明还提出了一种利用基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统实现的仿真分析 方法，考虑光强调制下的二次谐振信号进行仿真分析，该方法包括以下步骤：
[0012] 步骤1、仿真分析光强调制的线性部分对二次谐波的影响，给定非线性部分参数， 通常非线性部分较小，设置非线性部分参数如下：巾 2= 100°，k2= 0.05,模拟结果通过 Simulink的存储模块"ToWorkspaces"导出到Matlab里进行分析显示，其中横坐标为归一 化频率失谐量x= (v。、) /Av;
[0013] 随着相移角的接近，峰高比接近1，对称性逐渐变好；
[0014] 固定线性相移t，改变线性系数匕。当线性相移<^= 90°时，由公式（2-47)和 (2-51)可知分析信号和探测信号相同，线性部分为0，匕对信号无影响；
[0015] 当线性相移巾声90°时，改变线性系数1^，二次谐波的分析信号和探测信号两者 的基线随匕基本保持不变，探测信号依旧存在基线偏移；两者峰高比随k/变化相同，均随着 &的增大而线性减小，对称性变差，即ki影响线型的不对称程度。
[0016] 步骤2、仿真分析光强调制的非线性部分对二次谐波的影响；给定线性部分参数， 设置线性部分相移为180°进行建模分析。设置参数如下 ：(^= 180°，k1= 0.1。
[0017] 非线性相移巾2的影响：固定非线性系数令k2= 0. 05,分析信号基本不随巾2而变 化，探测信号的基线随巾2的增大而减小；峰高比基本保持不变，相移巾 2对探测信号峰高比 没影响；当巾2= 90°时基线水平为0,基线水平随着巾2不断变化，带来一定程度的背景偏 移信号；
[0018] 非线性系数k2的影响：固定非线性相移，令巾2= 100°，分析信号幅值基本不随 k2而变化，探测信号的基线随k2的增大而减小，峰高比基本保持不变，k2使得基线偏移情况 加重。
[0019] 调制度对二次谐波的影响：改变调制度m，探测信号峰高比及基线水平变化结果； 分析信号和探测信号峰高比变化相同，均随着m的增大而减小，基线随着m的增大逐渐向下 移动，m影响信号基线水平即背景信号的大小。
[0020] 设置锯齿波扫描信号为5Hz，正弦调制信号为15kHz，调节扫描幅度100mV到 500mV，得到二次谐波信号。
[0021] 与现有技术相比，本发明对考虑光强情况下的二次谐波的线型进行了仿真建模分 析，分别对光强调制的线性部分、非线性部分、调制度对二次谐波的影响进行了分析。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的仿真系统结构示意图；
[0023] 图2为光源模块的仿真结构示意图；
[0024] 图3为光源输出激光波长的曲线图；
[0025]图4为气室模块的仿真结构图；
[0026] 图5为经过气室相应吸收线型函数吸收后，得到的吸收信号线型图：（5a)洛伦兹 线型下吸收信号、（5b)高斯线型下吸收信号；
[0027] 图6为信号检测模块的仿真结构图；
[0028] 图7为二次谐波信号的仿真结果图：（7a)洛伦兹吸收线型下的二次谐波信号； (7b)高斯吸收线型下的二次谐波信号；
[0029] 图8洛伦兹吸收线型下二次谐波随调制度的变化图；
[0030] 图9为二次谐波线型的特征值图；
[0031]图10为洛伦兹吸收线型下二次谐波的峰型特征值随调制度变化图；
[0032] 图11为高斯吸收线型下二次谐波随调调制度的变化图；
[0033] 图12为高斯吸收线型下二次谐波的峰型特征值随调制度变化图；
[0034] 图13为调制后的光强信号图；
[0035] 图14为二次谐波峰型特征图；
[0036] 图15为2f信号随巾i变化图：（15a)分析信号；（15b)探测信号；
[0037] 图16为2f信号随&变化图：（16a)分析信号；（16b)探测信号；
[0038] 图17为2f信号峰高比随t/X变化图：（17a)PHR随巾丨变化；（17b)PHR随1^变 化；
[0039] 图18为2f信号随巾/变化图：（18a)分析信号；（18b)探测信号；
[0040] 图19为2f信号特征随巾2变化图：（19a)PHR随（i) 2变化；（19b)基线水平随（i) 2 变化；
[0041] 图20为2f信号随巾/变化：（20a)分析信号；（20b)探测信号；
[0042] 图21为2以言号特征随匕变化图：（21&)?冊随1^变化；（2113)基线水平随1^ 2变 化；
[0043] 图22为2f信号随m变化图：（22a)分析信号；（22b)探测信号；
[0044] 图23为2f探测信号特征随m变化图：（23a)峰高比；（23b)基线水平；
[0045] 图24为2f信号随调制幅度变化图；
[0046] 图25为2f信号特征随调制幅度变化图：（25a)峰高比；（25b)基线水平；
[0047] 图26为2f信号标准差图。
【具体 实施方式】
[0048] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明，但本发明的实施范围并不 局限于此。
[0049] Simulink作为一种计算机仿真软件工具，是Matlab的重要组件，它为用户提供 一种动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，具有如下特点：（1)内部提供丰富的模块 库，可以模拟连续、离散或混合系统，线性、非线性系统；(2)提供图形编辑器，操作简单； (3)可呈现层次关系框图，可封装成模块，流程清晰；(4)通过示波器可直接观察仿真结果， 进行实时分析；（5)可访问Matlab，进行数据的导入和存储，对进过进行分析与可视化，定 义参数和测试数据；（6)提供传递模块和接口工具，可将Matlab算法和C/C++代码导入模 型；（7)广泛应用于数字信号处理、通信、电路仿真、控制逻辑设计、电力系统仿真等领域。
[0050] 本发明正是利用Simulink软件，进行检测系统的模型建立，对检测系统的各工作 模块进行仿真，通过仿真结果得到检测的直接吸收和二次谐波信号。本发明的仿真系统包 括：光源模块、气室模块、信号检测模块。
[0051] 光源模块，用于将调制电流注入到激光器中进行波长调制，由激光器输出一定频 率及强度的激光。驱动激光器的调制信号由低频锯齿波扫描信号和高频正弦波调制信号及 驱动器自身设置的中心注入电流组成，如公式（1)。
[0052] iic=i〇+ib+iacos(2nft) (1)
[0053] 相应的输出激光的波长如公式（2)所示。
[0054] v(t) =v〇+vb+vacos(2tift) (2)
[0055] 激光二极管的输出波长在低频调制范围内可近似认为是随注入电流线性变化的， 存在以下关系：v=kv;ii，第四章的实验计算结果知，kv;i= 0. 07nm/mA。该系统的激光驱动 器调制输入存在电压电流转换关系50mA/V，即i= 0. 05u，转化系数ki;u= 0. 05A/V，其中u 为驱动器输入的电压值。激光器输出激光波长如公式（3)所不。
[0056] v(t) =v〇+kv；i ?ki；u ?ub ?t+kv；i ?ki；u ?ua ?cos(2itft) (3)
[0057] 输入参数：
[0058] (1)激光器：中心频率v0= 1512nm，光强I。=led;
[0059] (2)正弦波调制信号：频率f= 15KHz，幅值ua= 0? 2V;
[0060] (3)锯齿波扫描信号：频率f= 5Hz，幅值ub= 0? 6V;
[0061] 输出参数：激光器瞬时频率v(t)，中心频率V(l，输出光强L。光源仿真模块结构示 意如图2所示，设定仿真时间及仿真步长，输出的激光波长的仿真结果，如图3所示。
[0062] 且有，以上公式中，取L为led，气体浓度C为1。吸收光程长L为lm。所选激光 器的中心波长％为1512nm。氨气分子吸收线型函数，只考虑洛伦兹线型和高斯线型，谱线 强度S(T)取为1，谱线宽度AV为0.5nm〇
[0063] 气室模块，用于实现待测气体在特定中心波长处，按照特定谱线吸收线型对激光 进行吸收，主要在于谱线线型的确定，完成模拟激光在气室中的吸收。气室模块的仿真结构 如图4所示。
[0064] 经过气室相应吸收线型函数吸收后，得到的吸收信号分别如图5所示，其中5a为 洛伦兹吸收线型下的气体吸收信号，5b为高斯吸收线型下的气体吸收信号。
[0065] 信号检测模块，用于探测二次谐波信号，封装后的仿真模块如图6所示，洛伦兹和 高斯线型下的二次谐波信号的仿真结果，如图7所示，其中7a为洛伦兹吸收线型下的二次 谐波信号；7b为高斯吸收线型下的二次谐波信号。
[0066] 一、理想情况下，不同吸收线型下的二次谐波信号建模分析方法如下：
[0067] 调制度作为影响二次谐波探测的首要因素，对二次谐波的线型有着重要影响。所 谓的理想情况下，即不考虑光强调制时，分别对不同调制度下的洛伦兹线型和高斯线型吸 收下的二次谐波进行建模分析如下。
[0068] 1、洛伦兹吸收线型下的二次谐波分析
[0069] 通过对洛伦兹吸收线型下的探测到的二次谐波进行仿真建模，不同调制度下的二 次谐波信号的仿真结果如图8所示。可以看出，随着调试度的变化，峰型发生了明显变化。 如图9所示，定义几个二次谐波的峰型特征值：谱线中心峰的最大幅值为P，两侧峰谷值的 绝对值为N，且有峰高值为S=P+N，波峰波谷幅值比为R=P/N，。该四个变量分别随调制 度的变化图如图10所示。对于洛伦兹吸收线型，二次谐波的最大幅值P随调制度的增大先 增大后减小，通过计算知调制度为2. 2时达最大值；峰谷值的绝对值N，以近指数方式增大； 峰高值S随调制度的变化与P的变化趋势类似，不同的是调制度为3. 1左右时达最大值；波 峰波谷幅值比R随调制度以近指数形式逐渐减小。
[0070] 2、高斯吸收线型下的二次谐波分析
[0071] 与洛伦兹吸收线型下二次谐波类似，对高斯线型下的二次谐波进行仿真建模，二 次谐波仿真结果如图11所示。高斯线型下的二次谐波随调制度的变化与洛伦兹线型明显 不同。对P、N、S、R进行计算分析，其随调试度的变化如图12所示。
[0072] 由图12可知，高斯吸收线型情况下：最大幅值P、峰谷值的绝对值N和峰高值S随 调制度的增大都以近指数形式增大；波峰波谷幅值比R不随调制度变化。
[0073] 同时可以看出，洛伦兹吸收线型下的二次谐波信号的峰宽随着调制度的增加而逐 渐变宽，而高斯吸收线型下的二次谐波信号的峰宽不随调制度的变化而变化。这一特点对 于多气体探测二次谐波时非常重要，因为当检测气体的压强较大时，气体按洛伦兹线型对 探测光进行吸收，当外界条件变化以及参数改变时，谱线的展宽会引起相邻二次谐波谱线 的重叠，造成测量干扰。
[0074] 二、针对实际情况中存在的光强调制影响，考虑光强调制下的二次谐波进行仿真 分析的过程详述如下。
[0075] 实际检测过程中，不但激光频率被调制，光强也被调制了，并存在关系如公式 (3-4)所示。
[0077] 经过调制后的激光强度的仿真结果，如图13所示。
[0078] 最终得到的二次谐波探测信号如公式（3-5)所示。
[0080] 考虑到光强调制的线性和非线性部分的存在，可知与理想情况下的二次谐波：
相比，实际情况下，二次谐波信号中引入了奇次谐 波成分及高次谐波成分，使得二次谐波的线型发生畸变，不再保持理论上的对称性。同时由 于非线性部分的存在，使得探测到的谐波信号产生了与吸收无关的背景信号
，即 RAM，作为一种背景信号影响信号的基线水平。从上式中也可以看出，考虑光强调制时，二次 谐波的线型是由其线性部分、非线性部分以及调制幅度和吸收线型共同决定的。下面我们 从这三个方面对二次谐波信号的影响分别进行仿真分析。这里将左右峰高比（PHR)作为线 型对称性的判别依据，峰高比为La/Lb，如图14所示。
[0081] 1、光强调制的线性部分对二次谐波的影响
[0082] 首先给定非线性部分参数，通常非线性部分较小，设置非线性部分参数如下：小2 =100°，k2=0. 05,模拟结果通过Simulink的存储模块"ToWorkspaces"导出到Matlab里 进行分析显示，模拟结果如图14和15所示，其中横坐标为归一化频率失谐量x= (v。-%)/Av〇
[0083] (1)线性相移伞满影响：
[0084]固定线性系数&，改变线性相移，由图15可知分析信号和探测信号的基线随 线性相移基本保持不变。但由于非线性部分的存在，探测信号较之分析信号，基线发生了偏 移。通过计算，可知两信号峰高比PHR随着巾满变化相同，如图15中（15a)，随着相移角 对90 °的接近，峰高比接近1，对称性逐渐变好。
[0085](2)线性系数匕的影响：
[0086] 固定线性相移t，改变线性系数匕。当线性相移<^= 90°时，由公式（2-47)和 (2-51)可知分析信号和探测信号相同，线性部分为0,匕对信号无影响。
[0087] 当线性相移(^#90°时，改变线性系数1^，二次谐波的分析信号和探测信号分别 为图16的（a)和（b)所示，可知两者的基线随&基本保持不变，探测信号依旧存在基线偏 移。两者峰高比随k/变化相同，如图17所示，均随着ki的增大而线性减小，对称性变差，即 h影响线型的不对称程度。
[0088] 2、光强调制的非线性部分对二次谐波的影响
[0089] 首 先给定线性部分参数，已有理论证明，光强调制和频率调制间的线性相移和调 制频率有关，当调制频率在兆赫兹以下时，光强调制和频率调制间的线性相移近为180°。 而对于波长调制技术来说，使用的调制频率都在兆赫兹以下，因此设置线性部分相移为 180°进行建模分析。设置参数如下180°，ki= 0. 1。
[0090] ⑴非线性相移伞2的影响：
[0091] 固定非线性系数令k2= 0. 05,仿真结果如图18,知分析信号基本不随<i> 2而变化， 探测信号的基线随巾2的增大而减小。峰高比基本保持不变，变化情况如图19,可知巾 2对 探测信号峰高比基本没影响，但严重影响其基线水平，当巾2= 90°时基线水平为0,基线 水平随着巾2不断变化，带来一定程度的背景偏移信号。
[0092] (2)非线性系数k2的影响：
[0093]固定非线性相移，令巾2= 100°，仿真结果如图20,知分析信号幅值基本不随k2 而变化，探测信号的基线随k2的增大而减小，峰高比基本保持不变，如图21中a所示。1^2使 得基线偏移情况加重，如图21中b所示。
[0094] 由以上结论可以看出，线型不对称性产生的根本原因是光强调制和频率调制之间 存在某一特定的线性相移巾i，而RAM产生的根本原因在于光强调制和频率调制之间存在 某一特定的非线性相移巾2。作为导致二次谐波畸变的主要因素，光强调制的线性部分和 非线性部分各参数可以通过特殊的实验方法进行测得，GregoryB.Rieker[69]对此展开研 宄，结果表明在其他参数不变的情况下这两部分参数h、巾2、k2基本不随调制幅度变 化。同时，由式（2-47)、（2-51)知调制度也会对二次谐波的线型及背景信号产生影响，下面 对次进行分析。
[0095] (3)调制度对二次谐波的影响
[0096] 改变调制度m，二次谐波线型的变化如图22所示，探测信号峰高比及基线水平变 化如图23所示。可知分析信号和探测信号峰高比变化相同，均随着m的增大而减小。基线 随着m的增大逐渐向下移动，m影响信号基线水平即背景信号的大小。
[0097] 对于上述分析，进行实验验证，设置锯齿波扫描信号为5Hz，正弦调制信号为 15kHz，调节扫描幅度100mV到500mV，得到二次谐波信号如图24。
[0098] 通过计算，得到二次谐波信号的峰高比以及基线水平随调制幅度的变化情况，如 图25。可以看出峰高比逐渐远离1，即峰型的对称性随着调制幅度的增大而变差。基线水 平向负向逐渐增大，即背景信号逐渐增大。
[0099] 通过计算信号标准差来表明信号的噪声水平，如图26。可以看出，实验结果与理论 分析相符，即调制幅度严重影响信号的背景信号大小，随着调制度的增加而逐渐增大。在大 调制度情况下，分析信号与背景信号可能处于同一量级，因此，可以通过调整调制幅度来降 低背景信号，以获得较大的信噪比来进行取值计算浓度。
[0100] 通过以上分析可知，波长调制过程带来的光强调制会对传统二次谐波的线型产生 一定程度的影响，从而带来二次谐波线型的畸变，主要表现在线型的对称性和基线水平。其 中线型的对称性主要受光强调制的线性部分影响：线型不对称产生的根本原因是光强调制 和频率调制之间存在一定的线性相移，线性系数ki影响这种不对称程度。线型的基线水 平即RAM产生的根本原因是光强调制和频率调制之间存在某一定的非线性相移巾2，非线性 系数k2影响基线的偏移程度。这些参数可以通过特殊的实验方法及曲线拟合的方法测得， 已知调制度，由公式（2-47)可进一步推知光强调制带来的RAM大小。此外，可知考虑光强 调制时，调制度对二次谐波的线型及背景信号也有很大影响，在一定范围内，随着调制度的 增大，线型的不对称性增大，基线偏移程度增大带来更大的背景信号。因此，在实际检测中， 选取适当的调制幅度对于提高检测精度尤为重要，通常以最大信噪比作为调制幅度的选择 依据来抑制RAM，这也为RAM的抑制提供了理论依据。
[0101] 本发明通过对检测系统进行仿真建模，分析了洛伦兹线型和高斯线型两种不同吸 收线型下的二次谐波特点，以及随调制度的变化情况，并进行了对比分析。同时，对考虑光 强调制情况下，进行了二次谐波建模分析，分析了光强调制的线性部分、非线性部以及调制 度对二次谐波的影响，给出了二次谐波畸变以及RAM产生的根本原因。为进一步的理论分 析及背景信号分析奠定了基础，以便指导实验参数选取以及RAM抑制方法的选取。
[0102] 尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方 式，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发 明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。
【主权项】
1. 一种基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统，其特征在于，该系统包括利用计算机仿 真软件工具Simulink仿真出的光源模块、气室模块以及信号检测模块；其中： 所述光源模块，用于将调制电流注入到激光器中进行波长调制，由激光器输出一定频 率及强度的激光； 所述气室模块，用于实现待测气体在特定中心波长处，按照特定谱线吸收线型对激光 进行吸收，主要在于谱线线型的确定，完成模拟激光在气室中的吸收； 所述信号检测模块，用于探测二次谐波信号，封装后的仿真模块如图6所示，洛伦兹和 高斯线型下的二次谐波信号的仿真结果。2. 利用如权利要求1所述的基于IDLAS技术的氨气检测仿真系统实现的仿真分析方 法，考虑光强调制下的二次谐振信号进行仿真分析，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤1、仿真分析光强调制的线性部分对二次谐波的影响，给定非线性部分参数，通 常非线性部分较小，设置非线性部分参数如下：巾2= 100°，k2= 0.05,模拟结果通过 Simulink的存储模块"ToWorkspaces"导出到Matlab里进行分析显示，其中横坐标为归一 化频率失谐量X= (Ve-Vtl) /AV; 随着相移角的接近，峰高比接近1，对称性逐渐变好； 固定线性相移，改变线性系数匕。当线性相移（J)1= 90°时，由公式（2-47)和 (2-51)可知分析信号和探测信号相同，线性部分为0，匕对信号无影响； 当线性相移(^#90°时，改变线性系数1^，二次谐波的分析信号和探测信号两者的基 线随Ic1基本保持不变，探测信号依旧存在基线偏移；两者峰高比随k/变化相同，均随着k: 的增大而线性减小，对称性变差，即&影响线型的不对称程度。 步骤2、仿真分析光强调制的非线性部分对二次谐波的影响；给定线性部分参数，设置 线性部分相移为180°进行建模分析。设置参数如下：t= 180°，k1= 0.1。 非线性相移巾2的影响：固定非线性系数令k2= 0.05,分析信号基本不随巾2而变化， 探测信号的基线随巾2的增大而减小；峰高比基本保持不变，相移巾2对探测信号峰高比没 影响；当巾 2= 90°时基线水平为0,基线水平随着巾2不断变化，带来一定程度的背景偏移 信号； 非线性系数k2的影响：固定非线性相移，令巾2= 100°，分析信号幅值基本不随1^2而 变化，探测信号的基线随k2的增大而减小，峰高比基本保持不变，k2使得基线偏移情况加 重。 调制度对二次谐波的影响：改变调制度m，探测信号峰高比及基线水平变化结果；分析 信号和探测信号峰高比变化相同，均随着m的增大而减小，基线随着m的增大逐渐向下移 动，m影响信号基线水平即背景信号的大小。 设置锯齿波扫描信号为5Hz，正弦调制信号为15kHz，调节扫描幅度IOOmV到500mV，得 到二次谐波信号。
【专利摘要】本发明公开了一种基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统及信息仿真分析方法，该系统包括利用计算机仿真软件工具Simulink仿真出的光源模块、气室模块以及信号检测模块。考虑光强调制下的二次谐振信号进行仿真分析，分析了洛伦兹线型和高斯线型两种不同吸收线型下的二次谐波特点，以及随调制度的变化情况，并进行了对比分析。同时，对考虑光强调制情况下，进行了二次谐波建模分析，分析了光强调制的线性部分、非线性部以及调制度对二次谐波的影响。与现有技术相比，本发明对考虑光强情况下的二次谐波的线型进行了仿真建模分析，分别对光强调制的线性部分、非线性部分、调制度对二次谐波的影响进行了分析。
【IPC分类】G01N21/39
【公开号】CN104897609
【申请号】CN201510007975
【发明人】赵学玒, 汪曣, 杜康, 蒋学慧, 孙传强, 孙运, 郭媛, 赵迎
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年1月8日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种发动机尾气中氨气检测技术，特别是涉及一种基于TDLAS技术的 氨气检测仿真系统及其仿真分析方法。
【背景技术】
[0002] 能源和环境是人类社会生存和发展的物质基础，发动机作为与能源和环境关系极 为密切的载体，已成为与各行业、家庭密切相关的生产生活必需品。柴油机以其油耗低、扭 矩大的优势，被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等领域，尤其在车辆动力方面的 发展优势最为明显。随着柴油汽车保有量的快速、持续增长，柴油汽车尾气排放的主要气体 成分氮氧化物（NOx)和颗粒物（PM)对环境的污染问题日益突出。研宄和实践表明，以尿素 水溶液为还原剂的SCR技术是唯一能够满足国IV甚至未来国V要求的排气后处理方法。 其原理是利用柴油汽车排气管排气的热量使得还原剂（尿素+水，比例32. 5% )热解生成 NH3，在催化剂的作用下与排气中N0X进行还原反应生成氮气和水。尿素剂量由SCR电控系 统控制，实际工作中喷出的尿素量应略多于化学反应所需要的量，以确保还原完全，剩余的 NH3排放到大气中。这一部分排放的NH3又造成了新的大气环境污染。
[0003] 此外，NH3很容易和大气中的一些酸性气体发生中和反应生成铵盐，促进大气细颗 粒物（PM2. 5)的形成，排放到空气中会产生严重的环境效应，对空气质量、大气能见度及酸 性沉降有重要影响。
[0004] 可调谐二极管激光吸收光谱技术（TunableDiodeLaserAbsorption Spectros-copy，TDLAS)，作为一种高选择性、高灵敏度、高精度的快速在线检测技术，被广 泛应用于环境大气检测领域。TDLAS利用半导体激光器调谐特性，结合谐波检测技术，对特 定频率处的待测气体进行吸收探测。由于探测的谱线线宽很窄，故可避免其他气体干扰，实 现近似"单线光谱"检测。由于激光的相干性好且光功率密度高，因而可实现高精度检测。 谐波探测技术结合长光程技术，能够很好的抑制噪声，提高检测灵敏度，检测限可达ppm~ ppt级别[18][19]。此外，它可以实现开放光程的实时、在线检测，一系列优越性能使其在 大气线检测方面迅速发展，成为重要检测手段之一。
[0005] 现有技术中亟待研发一种以SCR型机动车逃逸氨为检测目标，开展TDLAS检测的 氨气检测仿真系统，以便于学术研宄，乃至于产业预测分析的借鉴。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述现有技术，本发明提出了基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统及其 仿真分析方法，对检测系统进行了基于Simulink软件的仿真建模，并且实现了二次谐波信 号的建模分析。
[0007] 本发明提出了一种基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统，该系统包括利用计算机 仿真软件工具Simulink仿真出的光源模块、气室模块以及信号检测模块；其中：
[0008] 所述光源模块，用于将调制电流注入到激光器中进行波长调制，由激光器输出一 定频率及强度的激光；
[0009] 所述气室模块，用于实现待测气体在特定中心波长处，按照特定谱线吸收线型对 激光进行吸收，主要在于谱线线型的确定，完成模拟激光在气室中的吸收；
[0010] 所述信号检测模块，用于探测二次谐波信号，封装后的仿真模块如图6所示，洛伦 兹和高斯线型下的二次谐波信号的仿真结果。
[0011] 本发明还提出了一种利用基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统实现的仿真分析 方法，考虑光强调制下的二次谐振信号进行仿真分析，该方法包括以下步骤：
[0012] 步骤1、仿真分析光强调制的线性部分对二次谐波的影响，给定非线性部分参数， 通常非线性部分较小，设置非线性部分参数如下：巾 2= 100°，k2= 0.05,模拟结果通过 Simulink的存储模块"ToWorkspaces"导出到Matlab里进行分析显示，其中横坐标为归一 化频率失谐量x= (v。、) /Av;
[0013] 随着相移角的接近，峰高比接近1，对称性逐渐变好；
[0014] 固定线性相移t，改变线性系数匕。当线性相移<^= 90°时，由公式（2-47)和 (2-51)可知分析信号和探测信号相同，线性部分为0，匕对信号无影响；
[0015] 当线性相移巾声90°时，改变线性系数1^，二次谐波的分析信号和探测信号两者 的基线随匕基本保持不变，探测信号依旧存在基线偏移；两者峰高比随k/变化相同，均随着 &的增大而线性减小，对称性变差，即ki影响线型的不对称程度。
[0016] 步骤2、仿真分析光强调制的非线性部分对二次谐波的影响；给定线性部分参数， 设置线性部分相移为180°进行建模分析。设置参数如下 ：(^= 180°，k1= 0.1。
[0017] 非线性相移巾2的影响：固定非线性系数令k2= 0. 05,分析信号基本不随巾2而变 化，探测信号的基线随巾2的增大而减小；峰高比基本保持不变，相移巾 2对探测信号峰高比 没影响；当巾2= 90°时基线水平为0,基线水平随着巾2不断变化，带来一定程度的背景偏 移信号；
[0018] 非线性系数k2的影响：固定非线性相移，令巾2= 100°，分析信号幅值基本不随 k2而变化，探测信号的基线随k2的增大而减小，峰高比基本保持不变，k2使得基线偏移情况 加重。
[0019] 调制度对二次谐波的影响：改变调制度m，探测信号峰高比及基线水平变化结果； 分析信号和探测信号峰高比变化相同，均随着m的增大而减小，基线随着m的增大逐渐向下 移动，m影响信号基线水平即背景信号的大小。
[0020] 设置锯齿波扫描信号为5Hz，正弦调制信号为15kHz，调节扫描幅度100mV到 500mV，得到二次谐波信号。
[0021] 与现有技术相比，本发明对考虑光强情况下的二次谐波的线型进行了仿真建模分 析，分别对光强调制的线性部分、非线性部分、调制度对二次谐波的影响进行了分析。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的仿真系统结构示意图；
[0023] 图2为光源模块的仿真结构示意图；
[0024] 图3为光源输出激光波长的曲线图；
[0025]图4为气室模块的仿真结构图；
[0026] 图5为经过气室相应吸收线型函数吸收后，得到的吸收信号线型图：（5a)洛伦兹 线型下吸收信号、（5b)高斯线型下吸收信号；
[0027] 图6为信号检测模块的仿真结构图；
[0028] 图7为二次谐波信号的仿真结果图：（7a)洛伦兹吸收线型下的二次谐波信号； (7b)高斯吸收线型下的二次谐波信号；
[0029] 图8洛伦兹吸收线型下二次谐波随调制度的变化图；
[0030] 图9为二次谐波线型的特征值图；
[0031]图10为洛伦兹吸收线型下二次谐波的峰型特征值随调制度变化图；
[0032] 图11为高斯吸收线型下二次谐波随调调制度的变化图；
[0033] 图12为高斯吸收线型下二次谐波的峰型特征值随调制度变化图；
[0034] 图13为调制后的光强信号图；
[0035] 图14为二次谐波峰型特征图；
[0036] 图15为2f信号随巾i变化图：（15a)分析信号；（15b)探测信号；
[0037] 图16为2f信号随&变化图：（16a)分析信号；（16b)探测信号；
[0038] 图17为2f信号峰高比随t/X变化图：（17a)PHR随巾丨变化；（17b)PHR随1^变 化；
[0039] 图18为2f信号随巾/变化图：（18a)分析信号；（18b)探测信号；
[0040] 图19为2f信号特征随巾2变化图：（19a)PHR随（i) 2变化；（19b)基线水平随（i) 2 变化；
[0041] 图20为2f信号随巾/变化：（20a)分析信号；（20b)探测信号；
[0042] 图21为2以言号特征随匕变化图：（21&)?冊随1^变化；（2113)基线水平随1^ 2变 化；
[0043] 图22为2f信号随m变化图：（22a)分析信号；（22b)探测信号；
[0044] 图23为2f探测信号特征随m变化图：（23a)峰高比；（23b)基线水平；
[0045] 图24为2f信号随调制幅度变化图；
[0046] 图25为2f信号特征随调制幅度变化图：（25a)峰高比；（25b)基线水平；
[0047] 图26为2f信号标准差图。
【具体 实施方式】
[0048] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明，但本发明的实施范围并不 局限于此。
[0049] Simulink作为一种计算机仿真软件工具，是Matlab的重要组件，它为用户提供 一种动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，具有如下特点：（1)内部提供丰富的模块 库，可以模拟连续、离散或混合系统，线性、非线性系统；(2)提供图形编辑器，操作简单； (3)可呈现层次关系框图，可封装成模块，流程清晰；(4)通过示波器可直接观察仿真结果， 进行实时分析；（5)可访问Matlab，进行数据的导入和存储，对进过进行分析与可视化，定 义参数和测试数据；（6)提供传递模块和接口工具，可将Matlab算法和C/C++代码导入模 型；（7)广泛应用于数字信号处理、通信、电路仿真、控制逻辑设计、电力系统仿真等领域。
[0050] 本发明正是利用Simulink软件，进行检测系统的模型建立，对检测系统的各工作 模块进行仿真，通过仿真结果得到检测的直接吸收和二次谐波信号。本发明的仿真系统包 括：光源模块、气室模块、信号检测模块。
[0051] 光源模块，用于将调制电流注入到激光器中进行波长调制，由激光器输出一定频 率及强度的激光。驱动激光器的调制信号由低频锯齿波扫描信号和高频正弦波调制信号及 驱动器自身设置的中心注入电流组成，如公式（1)。
[0052] iic=i〇+ib+iacos(2nft) (1)
[0053] 相应的输出激光的波长如公式（2)所示。
[0054] v(t) =v〇+vb+vacos(2tift) (2)
[0055] 激光二极管的输出波长在低频调制范围内可近似认为是随注入电流线性变化的， 存在以下关系：v=kv;ii，第四章的实验计算结果知，kv;i= 0. 07nm/mA。该系统的激光驱动 器调制输入存在电压电流转换关系50mA/V，即i= 0. 05u，转化系数ki;u= 0. 05A/V，其中u 为驱动器输入的电压值。激光器输出激光波长如公式（3)所不。
[0056] v(t) =v〇+kv；i ?ki；u ?ub ?t+kv；i ?ki；u ?ua ?cos(2itft) (3)
[0057] 输入参数：
[0058] (1)激光器：中心频率v0= 1512nm，光强I。=led;
[0059] (2)正弦波调制信号：频率f= 15KHz，幅值ua= 0? 2V;
[0060] (3)锯齿波扫描信号：频率f= 5Hz，幅值ub= 0? 6V;
[0061] 输出参数：激光器瞬时频率v(t)，中心频率V(l，输出光强L。光源仿真模块结构示 意如图2所示，设定仿真时间及仿真步长，输出的激光波长的仿真结果，如图3所示。
[0062] 且有，以上公式中，取L为led，气体浓度C为1。吸收光程长L为lm。所选激光 器的中心波长％为1512nm。氨气分子吸收线型函数，只考虑洛伦兹线型和高斯线型，谱线 强度S(T)取为1，谱线宽度AV为0.5nm〇
[0063] 气室模块，用于实现待测气体在特定中心波长处，按照特定谱线吸收线型对激光 进行吸收，主要在于谱线线型的确定，完成模拟激光在气室中的吸收。气室模块的仿真结构 如图4所示。
[0064] 经过气室相应吸收线型函数吸收后，得到的吸收信号分别如图5所示，其中5a为 洛伦兹吸收线型下的气体吸收信号，5b为高斯吸收线型下的气体吸收信号。
[0065] 信号检测模块，用于探测二次谐波信号，封装后的仿真模块如图6所示，洛伦兹和 高斯线型下的二次谐波信号的仿真结果，如图7所示，其中7a为洛伦兹吸收线型下的二次 谐波信号；7b为高斯吸收线型下的二次谐波信号。
[0066] 一、理想情况下，不同吸收线型下的二次谐波信号建模分析方法如下：
[0067] 调制度作为影响二次谐波探测的首要因素，对二次谐波的线型有着重要影响。所 谓的理想情况下，即不考虑光强调制时，分别对不同调制度下的洛伦兹线型和高斯线型吸 收下的二次谐波进行建模分析如下。
[0068] 1、洛伦兹吸收线型下的二次谐波分析
[0069] 通过对洛伦兹吸收线型下的探测到的二次谐波进行仿真建模，不同调制度下的二 次谐波信号的仿真结果如图8所示。可以看出，随着调试度的变化，峰型发生了明显变化。 如图9所示，定义几个二次谐波的峰型特征值：谱线中心峰的最大幅值为P，两侧峰谷值的 绝对值为N，且有峰高值为S=P+N，波峰波谷幅值比为R=P/N，。该四个变量分别随调制 度的变化图如图10所示。对于洛伦兹吸收线型，二次谐波的最大幅值P随调制度的增大先 增大后减小，通过计算知调制度为2. 2时达最大值；峰谷值的绝对值N，以近指数方式增大； 峰高值S随调制度的变化与P的变化趋势类似，不同的是调制度为3. 1左右时达最大值；波 峰波谷幅值比R随调制度以近指数形式逐渐减小。
[0070] 2、高斯吸收线型下的二次谐波分析
[0071] 与洛伦兹吸收线型下二次谐波类似，对高斯线型下的二次谐波进行仿真建模，二 次谐波仿真结果如图11所示。高斯线型下的二次谐波随调制度的变化与洛伦兹线型明显 不同。对P、N、S、R进行计算分析，其随调试度的变化如图12所示。
[0072] 由图12可知，高斯吸收线型情况下：最大幅值P、峰谷值的绝对值N和峰高值S随 调制度的增大都以近指数形式增大；波峰波谷幅值比R不随调制度变化。
[0073] 同时可以看出，洛伦兹吸收线型下的二次谐波信号的峰宽随着调制度的增加而逐 渐变宽，而高斯吸收线型下的二次谐波信号的峰宽不随调制度的变化而变化。这一特点对 于多气体探测二次谐波时非常重要，因为当检测气体的压强较大时，气体按洛伦兹线型对 探测光进行吸收，当外界条件变化以及参数改变时，谱线的展宽会引起相邻二次谐波谱线 的重叠，造成测量干扰。
[0074] 二、针对实际情况中存在的光强调制影响，考虑光强调制下的二次谐波进行仿真 分析的过程详述如下。
[0075] 实际检测过程中，不但激光频率被调制，光强也被调制了，并存在关系如公式 (3-4)所示。
[0077] 经过调制后的激光强度的仿真结果，如图13所示。
[0078] 最终得到的二次谐波探测信号如公式（3-5)所示。
[0080] 考虑到光强调制的线性和非线性部分的存在，可知与理想情况下的二次谐波：
相比，实际情况下，二次谐波信号中引入了奇次谐 波成分及高次谐波成分，使得二次谐波的线型发生畸变，不再保持理论上的对称性。同时由 于非线性部分的存在，使得探测到的谐波信号产生了与吸收无关的背景信号
，即 RAM，作为一种背景信号影响信号的基线水平。从上式中也可以看出，考虑光强调制时，二次 谐波的线型是由其线性部分、非线性部分以及调制幅度和吸收线型共同决定的。下面我们 从这三个方面对二次谐波信号的影响分别进行仿真分析。这里将左右峰高比（PHR)作为线 型对称性的判别依据，峰高比为La/Lb，如图14所示。
[0081] 1、光强调制的线性部分对二次谐波的影响
[0082] 首先给定非线性部分参数，通常非线性部分较小，设置非线性部分参数如下：小2 =100°，k2=0. 05,模拟结果通过Simulink的存储模块"ToWorkspaces"导出到Matlab里 进行分析显示，模拟结果如图14和15所示，其中横坐标为归一化频率失谐量x= (v。-%)/Av〇
[0083] (1)线性相移伞满影响：
[0084]固定线性系数&，改变线性相移，由图15可知分析信号和探测信号的基线随 线性相移基本保持不变。但由于非线性部分的存在，探测信号较之分析信号，基线发生了偏 移。通过计算，可知两信号峰高比PHR随着巾满变化相同，如图15中（15a)，随着相移角 对90 °的接近，峰高比接近1，对称性逐渐变好。
[0085](2)线性系数匕的影响：
[0086] 固定线性相移t，改变线性系数匕。当线性相移<^= 90°时，由公式（2-47)和 (2-51)可知分析信号和探测信号相同，线性部分为0,匕对信号无影响。
[0087] 当线性相移(^#90°时，改变线性系数1^，二次谐波的分析信号和探测信号分别 为图16的（a)和（b)所示，可知两者的基线随&基本保持不变，探测信号依旧存在基线偏 移。两者峰高比随k/变化相同，如图17所示，均随着ki的增大而线性减小，对称性变差，即 h影响线型的不对称程度。
[0088] 2、光强调制的非线性部分对二次谐波的影响
[0089] 首 先给定线性部分参数，已有理论证明，光强调制和频率调制间的线性相移和调 制频率有关，当调制频率在兆赫兹以下时，光强调制和频率调制间的线性相移近为180°。 而对于波长调制技术来说，使用的调制频率都在兆赫兹以下，因此设置线性部分相移为 180°进行建模分析。设置参数如下180°，ki= 0. 1。
[0090] ⑴非线性相移伞2的影响：
[0091] 固定非线性系数令k2= 0. 05,仿真结果如图18,知分析信号基本不随<i> 2而变化， 探测信号的基线随巾2的增大而减小。峰高比基本保持不变，变化情况如图19,可知巾 2对 探测信号峰高比基本没影响，但严重影响其基线水平，当巾2= 90°时基线水平为0,基线 水平随着巾2不断变化，带来一定程度的背景偏移信号。
[0092] (2)非线性系数k2的影响：
[0093]固定非线性相移，令巾2= 100°，仿真结果如图20,知分析信号幅值基本不随k2 而变化，探测信号的基线随k2的增大而减小，峰高比基本保持不变，如图21中a所示。1^2使 得基线偏移情况加重，如图21中b所示。
[0094] 由以上结论可以看出，线型不对称性产生的根本原因是光强调制和频率调制之间 存在某一特定的线性相移巾i，而RAM产生的根本原因在于光强调制和频率调制之间存在 某一特定的非线性相移巾2。作为导致二次谐波畸变的主要因素，光强调制的线性部分和 非线性部分各参数可以通过特殊的实验方法进行测得，GregoryB.Rieker[69]对此展开研 宄，结果表明在其他参数不变的情况下这两部分参数h、巾2、k2基本不随调制幅度变 化。同时，由式（2-47)、（2-51)知调制度也会对二次谐波的线型及背景信号产生影响，下面 对次进行分析。
[0095] (3)调制度对二次谐波的影响
[0096] 改变调制度m，二次谐波线型的变化如图22所示，探测信号峰高比及基线水平变 化如图23所示。可知分析信号和探测信号峰高比变化相同，均随着m的增大而减小。基线 随着m的增大逐渐向下移动，m影响信号基线水平即背景信号的大小。
[0097] 对于上述分析，进行实验验证，设置锯齿波扫描信号为5Hz，正弦调制信号为 15kHz，调节扫描幅度100mV到500mV，得到二次谐波信号如图24。
[0098] 通过计算，得到二次谐波信号的峰高比以及基线水平随调制幅度的变化情况，如 图25。可以看出峰高比逐渐远离1，即峰型的对称性随着调制幅度的增大而变差。基线水 平向负向逐渐增大，即背景信号逐渐增大。
[0099] 通过计算信号标准差来表明信号的噪声水平，如图26。可以看出，实验结果与理论 分析相符，即调制幅度严重影响信号的背景信号大小，随着调制度的增加而逐渐增大。在大 调制度情况下，分析信号与背景信号可能处于同一量级，因此，可以通过调整调制幅度来降 低背景信号，以获得较大的信噪比来进行取值计算浓度。
[0100] 通过以上分析可知，波长调制过程带来的光强调制会对传统二次谐波的线型产生 一定程度的影响，从而带来二次谐波线型的畸变，主要表现在线型的对称性和基线水平。其 中线型的对称性主要受光强调制的线性部分影响：线型不对称产生的根本原因是光强调制 和频率调制之间存在一定的线性相移，线性系数ki影响这种不对称程度。线型的基线水 平即RAM产生的根本原因是光强调制和频率调制之间存在某一定的非线性相移巾2，非线性 系数k2影响基线的偏移程度。这些参数可以通过特殊的实验方法及曲线拟合的方法测得， 已知调制度，由公式（2-47)可进一步推知光强调制带来的RAM大小。此外，可知考虑光强 调制时，调制度对二次谐波的线型及背景信号也有很大影响，在一定范围内，随着调制度的 增大，线型的不对称性增大，基线偏移程度增大带来更大的背景信号。因此，在实际检测中， 选取适当的调制幅度对于提高检测精度尤为重要，通常以最大信噪比作为调制幅度的选择 依据来抑制RAM，这也为RAM的抑制提供了理论依据。
[0101] 本发明通过对检测系统进行仿真建模，分析了洛伦兹线型和高斯线型两种不同吸 收线型下的二次谐波特点，以及随调制度的变化情况，并进行了对比分析。同时，对考虑光 强调制情况下，进行了二次谐波建模分析，分析了光强调制的线性部分、非线性部以及调制 度对二次谐波的影响，给出了二次谐波畸变以及RAM产生的根本原因。为进一步的理论分 析及背景信号分析奠定了基础，以便指导实验参数选取以及RAM抑制方法的选取。
[0102] 尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方 式，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发 明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。
【主权项】
1. 一种基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统，其特征在于，该系统包括利用计算机仿 真软件工具Simulink仿真出的光源模块、气室模块以及信号检测模块；其中： 所述光源模块，用于将调制电流注入到激光器中进行波长调制，由激光器输出一定频 率及强度的激光； 所述气室模块，用于实现待测气体在特定中心波长处，按照特定谱线吸收线型对激光 进行吸收，主要在于谱线线型的确定，完成模拟激光在气室中的吸收； 所述信号检测模块，用于探测二次谐波信号，封装后的仿真模块如图6所示，洛伦兹和 高斯线型下的二次谐波信号的仿真结果。2. 利用如权利要求1所述的基于IDLAS技术的氨气检测仿真系统实现的仿真分析方 法，考虑光强调制下的二次谐振信号进行仿真分析，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤1、仿真分析光强调制的线性部分对二次谐波的影响，给定非线性部分参数，通 常非线性部分较小，设置非线性部分参数如下：巾2= 100°，k2= 0.05,模拟结果通过 Simulink的存储模块"ToWorkspaces"导出到Matlab里进行分析显示，其中横坐标为归一 化频率失谐量X= (Ve-Vtl) /AV; 随着相移角的接近，峰高比接近1，对称性逐渐变好； 固定线性相移，改变线性系数匕。当线性相移（J)1= 90°时，由公式（2-47)和 (2-51)可知分析信号和探测信号相同，线性部分为0，匕对信号无影响； 当线性相移(^#90°时，改变线性系数1^，二次谐波的分析信号和探测信号两者的基 线随Ic1基本保持不变，探测信号依旧存在基线偏移；两者峰高比随k/变化相同，均随着k: 的增大而线性减小，对称性变差，即&影响线型的不对称程度。 步骤2、仿真分析光强调制的非线性部分对二次谐波的影响；给定线性部分参数，设置 线性部分相移为180°进行建模分析。设置参数如下：t= 180°，k1= 0.1。 非线性相移巾2的影响：固定非线性系数令k2= 0.05,分析信号基本不随巾2而变化， 探测信号的基线随巾2的增大而减小；峰高比基本保持不变，相移巾2对探测信号峰高比没 影响；当巾 2= 90°时基线水平为0,基线水平随着巾2不断变化，带来一定程度的背景偏移 信号； 非线性系数k2的影响：固定非线性相移，令巾2= 100°，分析信号幅值基本不随1^2而 变化，探测信号的基线随k2的增大而减小，峰高比基本保持不变，k2使得基线偏移情况加 重。 调制度对二次谐波的影响：改变调制度m，探测信号峰高比及基线水平变化结果；分析 信号和探测信号峰高比变化相同，均随着m的增大而减小，基线随着m的增大逐渐向下移 动，m影响信号基线水平即背景信号的大小。 设置锯齿波扫描信号为5Hz，正弦调制信号为15kHz，调节扫描幅度IOOmV到500mV，得 到二次谐波信号。
【专利摘要】本发明公开了一种基于TDLAS技术的氨气检测仿真系统及信息仿真分析方法，该系统包括利用计算机仿真软件工具Simulink仿真出的光源模块、气室模块以及信号检测模块。考虑光强调制下的二次谐振信号进行仿真分析，分析了洛伦兹线型和高斯线型两种不同吸收线型下的二次谐波特点，以及随调制度的变化情况，并进行了对比分析。同时，对考虑光强调制情况下，进行了二次谐波建模分析，分析了光强调制的线性部分、非线性部以及调制度对二次谐波的影响。与现有技术相比，本发明对考虑光强情况下的二次谐波的线型进行了仿真建模分析，分别对光强调制的线性部分、非线性部分、调制度对二次谐波的影响进行了分析。
【IPC分类】G01N21/39
【公开号】CN104897609
【申请号】CN201510007975
【发明人】赵学玒, 汪曣, 杜康, 蒋学慧, 孙传强, 孙运, 郭媛, 赵迎
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年1月8日
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