邵国栋， 李峥辉， 郭松杰， 邹丽昌， 邓 瑶， 卢志民, 2, 3， 姚顺春, 2, 3*

1. 华南理工大学电力学院， 广东 广州 510640 2. 广东省能源高效清洁利用重点实验室， 广东 广州 510640 3. 广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心， 广东 广州 510640

引 言

可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy， TDLAS)技术由于选择性强、 灵敏度高、 精确度高、 非侵入式测量等优点， 被广泛应用于大气环境监测、 燃烧流场诊断、 工业过程控制、 人体呼吸探测等领域[1]。 可调谐二极管激光器有两种最广泛使用的吸收光谱技术： 直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术。

已有的基线拟合研究主要集中在对基线进行修正和对误差进行校准两个方面。 在此基础上， 提出了一种新的浓度反演方法： 基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号， 即直接拟合法， 对透射激光强度进行拟合以提取光谱和浓度信息， 并通过测量不同浓度的CO2， 验证该方法的可行性和准确性。

1 理论分析

1.1 Beer-Lambert定律

根据Beer-Lambert定律， 一束激光穿过气体， 其透射信号与入射信号的关系可表示为[7]

It=I0e-PSLxφ(ν)

(1)

式中，It为透射激光强度，I0为入射激光强度；P[atm]为被测气体的总压强;S[cm-2·atm-1]为吸收谱线的线强， 可以通过分子光谱数据库HITRAN确定[9]；L[cm]为光程长度；x是目标气体的浓度， 用体积分数表示；φ(ν)为线型函数， 表示被测气体吸收谱线的形状， 本文以洛伦兹线型拟合吸收谱线。

(2)

(3)

式中，A是积分吸光度， 通常用式(3)计算目标气体浓度， 即积分面积法， 也称为吸光度曲线拟合法。

1.2 梯度下降法的基本原理

梯度下降法是一种经典的数值优化算法， 用来递归性地逼近最小偏差， 常作为机器学习领域训练算法的核心内容被应用于人工神经网络与逻辑斯谛回归。……