基于DOAS的光譜測量系統

摘 要：傳統的光譜測量系統多采用紅外氣體分析方法，功耗高，無法實現多點測量，測量范圍只限于低濃度?；贒OAS（差分吸收技術）的光譜測量系統，以差分吸收算法作為其基礎，通過ARM處理器計算濃度，能夠提升反演濃度的準確性。該系統主要具有數據采集、數據處理和數據顯示等功能。

關鍵詞：DOAS；光譜測量；ARM

引言

傳統的光譜測量多以電化學和紅外光譜法。電化學分析儀存在壽命短，零點漂移大等缺點，最為主要的是只能夠測出SO2和NO2的差值，會對測量結果產生較大影響。而紅外光譜分析儀因為不具有NO2頻譜的吸收峰而無法測量出其濃度[1]。

在上世紀80年代時，德國海德堡大學，環境物理研究所，Platt.U和Perner.D提出了DOAS技術。DOAS方法具有原理和結構簡單、響應速度快、精度高等優點?；贒OAS的光譜測量系統以DOAS技術為基礎，把龐大的光學系統模型微型化，進而引入到實驗室的研究應用范疇，具有簡易輕便的特點[2]。且只要光譜內顯現出的化學成份，系統都可以對其做精確測量。該系統主要特點是使用便攜式的光纖光譜儀來進行光譜數據采集，本系統使用的光纖光譜儀為美國海洋光學公司推出的Maya2000 pro，能夠精準的求解出被測氣體的濃度，且有效的避免零點漂移問題及交叉干擾。

1 結構設計

系統總體結構如圖1所示。

基于DOAS的光譜測量系統主要有三部分功能，包括數據采集、數據處理和數據顯示。

數據采集：獲得光譜儀的煙氣數據；

數據處理：通過ARM處理器將采集的數據進行求解運算；

數據顯示：通過LCD顯示屏顯示濃度。

2 數據采集模塊

數據采集模塊所用的硬件設施包括煙氣采樣泵、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，都用來采集標準大氣環境下的煙氣樣本；Maya2000 pro光纖光譜儀能將氣體的光學信號轉換為電學信號；通過光譜操作軟件即可顯示出光譜數據。

3 數據處理模塊

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

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

bool SendCommand（unsigned char *buf）；獲取數據

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

bool GeSpectratdata（unsigned char *buf）；獲取光譜儀數據

（2）數據處理功能是指ARM處理器對于接收到的光譜數據采用DOAS算法反演出氣體的濃度。DOAS技術是指氣體被紫外光照射不同的氣體分子吸收不同波長的光分子，這樣光分子的強度和結構，都會發生變化。通過對光譜儀采集到的吸收光譜進行分析，就可以得到氣體的種類和濃度。

DOAS技術最基本的思想是比爾郎伯定律。其數學表達式為：

對于（5）式，傳統的解決方法是通過多元線性回歸模型和最小二乘擬合方法來求解濃度。

4 數據顯示模塊

數據顯示模塊是由LCD顯示屏來完成的。數據顯示模塊使用Qt GUI來開發數據顯示界面。Qt是一個應用于界面開發的程序框架，它具有跨平臺的特性。

5 結束語

本系統基于傳統的差分吸收算法，通過光譜儀采集數據，ARM處理器求解數據，LCD顯示屏顯示數據。集光學，電子學，計算機學于一體，是嵌入式技術與光纖光譜儀相結合的一次具體應用，具有較高的研究應用價值。且該算法具有較高的精確度。

參考文獻

[1]王會峰，江緒前.遞推迭代的紫外光譜煙氣有害成分在線監測[J].光譜學與光譜分析，2012，1（32）：171-174.

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

[3]湯海濤.應用紫外差分吸收光譜技術的煙道污染氣體在線監測系統[D].天津大學，2004.

[4]黎超.基于ARM的便攜式煙氣分析儀控制器設計[D].西安工業大學，2012.