一种烟道氨浓度激光在线检测系统技术领域
本发明属于气体浓度检测技术领域，具体涉及利用可调谐的激光器测试材料在特定元素或分子的特征波长下的相对效应。
背景技术
目前火力发电厂普遍采用的烟气脱硝技术是干法脱硝，即利用氨气参与氧化还原反应以最大限度地除去氮氧化物。在脱硝过程中，当氨气的含量不足时，氮氧化物无法完全去除；当氨气的含量过多时，虽然会提高脱硝效率，但过量氨气通过烟道排出时将污染大气环境。因此在脱硝过程中需严格检测氨气的浓度。
激光红外吸收光谱氨气原位检测系统采用基于气体红外吸收光谱的先进测量方法，它采用半导体激光器发射调制激光通过待测气体，根据激光强度与待测气体浓度的关系计算出待测气体浓度，相比于采用间歇式抽取方法的氨气浓度检测系统和抽取热湿法氨气浓度检测系统，具有测量速度快、精度高和不易受其他气体影响等优点。但在烟气的高温脱硝过程中，激光传输易受到粉尘、颗粒和高温湍流等因素的影响，降低探测精度，产生检测误差。
研究者何莹等公开了一种高温氨逃逸激光原位监测系统，该系统利用DFB激光器作为光源，通过电流控制器和温控器调谐激光器输出中心波长在1531nm附近；调制后的激光通过2:98的光纤分束器分成参考光和检测光，其中2％的参考光经标准吸收池后由探测器转换成电信号送入信号处理模块，98％的检测光经垂直安装在烟道壁上的悬臂式光学探头射入700K的高温烟气中，吸收后的光谱信号由悬臂式光学探头内的探测器转换成电信号也送入信号处理模块；所述的参考光与检测光所转换成电信号经信号处理模块放大滤波和自动增益控制，再接入工控机进行数据采集处理并反演氨气浓度(何莹,张玉钧,王立明,等.高温氨逃逸激光原位监测的浓度反演算法[J].红外与激光工程,2014,第43卷,第3期,897-901页)。上述现有技术虽然进行了温度修正以及针对烟道环境和系统噪声引起的波形形变，使用迭代收敛法进行福依特线型拟合计算吸收谱线的积分面积(即积分吸光度)等一系列技术手段，但是仍然无法有效地克服粉尘、颗粒和高温湍流等因素所引起的散射、漂移等大气湍流效应(如畸变波前)，因此系统最大相对检测误差还是高达到1.5％。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供一种烟道氨浓度激光在线检测系统，该系统可抑制光谱信号噪声，改善激光传输质量，显著提高烟道中氨气浓度的检测精度。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
一种烟道氨浓度激光在线检测系统，该激光在线检测系统包括温压一体传感器、可调谐半导体激光吸收光谱检测装置和相对安装在烟道的左右两侧的发射光学探头与接收光学探头，其中所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置包括半导体激光器、激光器控制器、扫描信号电路、分束器、标准吸收池、第二探测器、变形镜控制单元、比较放大电路和数据采集处理器；其特征在于，
所述的发射光学探头包括具有窗口镜的圆柱形的保护筒，该保护筒内相对设有倾斜安装的反射式变形镜、支承该反射式变形镜的支座和激光准直器；其中，所述窗口镜的中心线经过所述反射式变形镜的反射镜面中心；所述的激光准直器由三维调整架支承在所述保护筒的侧壁上，且其发射端的中心线也经过所述反射式变形镜的反射镜面的中心；
所述扫描信号电路产生的扫描信号接入激光器控制器，控制半导体激光器输出中心波长为氨气红外吸收波长的激光，该激光由分束器分成检测光和参考光；其中，所述的检测光射入发射光学探头内先准直再由所述反射式变形镜变形后射出，然后经过烟道到达接收光学探头内，由接收光学探头内的第一探测器转换成电信号送入比较放大电路的正向输入端；所述的参考光经标准吸收池后由第二探测器转换成电信号送入比较放大电路的反向输入端；
所述的检测光和参考光所转换成电信号经比较放大电路比较放大后输出光谱信号接入所述变形镜控制单元，该变形镜控制单元将所接收的光谱信号采用随机并行梯度下降法进行计算，得到目标函数最优解和该最优解所对应的驱动电压；其中，所述的最优解送入数据采集处理器进行浓度反演，计算出烟道中氨气的浓度；所述的驱动电压送至所述反射式变形镜的压电致动器，控制反射式变形镜的镜面形状；其中所述的随机并行梯度下降法包括以下步骤：
(1)启动所述的激光在线检测系统后，所述的变形镜控制单元建立如下式(Ⅰ)所示的光谱信号强度的目标函数ytx和如下式(Ⅱ)迭代运算表达式：
ytx＝f(v)＝f[(v1,v2,v3,......,vm)] (Ⅰ)
vn＝knΔvnΔytxn (Ⅱ)
上式(Ⅰ)中，m为反射式变形镜的压电致动器的序号(即变形单元的序号)，v＝(v1,v2,v3,.....,vm)，v1～vm分别为反射式变形镜的相应压电致动器的驱动电压；
上式(Ⅱ)中，n为迭代次数，vn＝(v1n,v2n,v3n,......,vmn)，Δvn为所述压电致动器驱动电压的随机扰动变量，Δytxn为比较放大电路所输出的光谱信号强度的随机扰动变量，kn为放大倍数并由下式(Ⅲ)计算得到：
kn＝qkn-1 (Ⅲ)
上式(Ⅲ)中，q＝0.91；
(2)所述的变形镜控制单元接收到比较放大电路输出的光谱信号后，按以下步骤对上式(Ⅱ)进行迭代运算：
(2.1)当n＝1时，设置：kn＝1.2，Δvn＝0.5V，Δytxn＝1000mV，按公式(Ⅱ)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，完成第一次迭代；
(2.2)当n≥2时，每一步都先对上一步比较放大电路输出的光谱信号的强度变化趋势进行如下判断：
如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn-1＜0，则令Δvn＝-0.5V，并按公式(Ⅱ)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；
如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn-1≥0，先按公式(Ⅲ)计算kn值，再按公式(Ⅱ)计算出vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；
(2.3)按步骤(2.2)逐步进行迭代运算至预设的迭代次数后，选择目标函数ytx的最大值作最优解送入数据采集处理器，同时将该最优解所对应的驱动电压送至所述反射式变形镜相应的压电致动器，完成第一个迭代循环；
(3)循环执行步骤(2.2)和(2.3)，直至所述的激光在线检测系统关闭。
上述方案中，所述的反射式变形镜可以是4-64位变形镜，甚至可以是波面单元更多的变形镜。虽然波面单元越多，校正的准确性也越高，但是波面单元越多不仅成本高，而且运算时间越长，因此要进行综合评价后确定变形镜的波面单元的数量。本发明所述激光在线检测系统发射光学探头中的反射式变形镜，可改变准直后的激光光束的波前，减少了激光光束经烟道传输过程中的漂移、扩散，使第一探测器有限接收孔径中的能量得到提升，改善了激光传输质量。
由于本发明所述检测系统在第一次迭代时，设置kn＝1.2，Δvn＝0.5V，Δytxn＝1000mV，使反射式变形镜的镜面产生较大的变形，而从第二次迭代则按公式(Ⅲ)计算kn，并将kn及系统自动获取的Δvn和Δytxn代入公式(Ⅱ)进行迭代运算，同时每一步都按步骤(2.2)对第一探测器接收到的光信号强度的变化趋势进行判断，因此可有效避免目标函数的计算结果过早地陷入局部极值。尤其是，本发明所述检测系统以每一个迭代循环所得到的最优解作为浓度反演的光谱信号，因此可抑制光谱信号噪声，进一步改善激光传输质量，显著提高烟道中氨气浓度的检测精度。
附图说明
图1为本发明所述的激光在线检测系统的一个具体实施例的原理框图，图中的波浪线表示烟气。
图2～5为图1中反射式变形镜的一个具体实施例的结构示意图，其中，图2主视图(省略了窗口镜)，图3为图2的A—A剖视图，图4为图2的B—B剖视图，图5为图2的C—C剖视图。
图6为图1中变形镜控制单元的电原理框图。
图7为图1中变形镜控制单元的工作流程图。
具体实施方式
实施例1
根据项目的要求和目前数据处理芯片的运算速度及变形镜的成本，本实施例选用四单元连续波面的变形镜，该变形镜的促动器为压电致动器。
参见图1，本发明所述的激光检测系统包括发射光学探头1、接收光学探头2、温压一体传感器13和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置3，其中所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置3包括半导体激光器4、激光器控制器5、扫描信号电路12、分束器6、标准吸收池7、第二探测器8、变形镜控制单元9、比较放大电路10和数据采集处理器11。其中，发射光学探头1和接收光学探头2安装在烟道14的左右两侧。
参见图2～5，上述发射光学探头1包括具有窗口镜1-1的圆柱形的保护筒1-2，该保护筒1-2内相对设有45°倾斜安装的反射式变形镜1-4、支承该反射式变形镜的支座1-5和激光准直器1-3。其中，支座1-5为直角的楔形块，并固定在保护筒1-2的底面上；反射式变形镜1-4为四单元反射式变形镜，其背面中心的柔性轴1-8和四周对称分布的四个压电致动器1-6由支架1-9支撑在支座1-5的斜面上；窗口镜1-1的中心线经过反射式变形镜1-4的反射镜面中心；激光准直器1-3由三维调整架1-7支承在保护筒1-2的侧壁上，且其发射孔的中心线也经过反射式变形镜1-4的反射镜面中心。
参见图1～5，上述可调谐半导体激光吸收光谱检测装置3中，扫描信号电路12产生的扫描信号连接入激光器控制器5，控制半导体激光器4输出中心波长为1531nm(氨气红外吸收波长)的激光，该激光由分束器6分成检测光︰参考光＝98:2的检测光和参考光；其中，所述的检测光射入发射光学探头1，经准直器1-3准直、反射式变形镜1-4变形反射后穿过烟道14，再由接收光学探头2内的第一探测器转换成电信号送入比较放大电路10的正向输入端；所述的参考光经标准吸收池7后由第二探测器8转换成电信号送入比较放大电路10的反向输入端。
参见图6，变形镜控制单元9由数据处理单元、A/D转换器和驱动电路依次连接组成，其中，数据处理单元为DSP TMS320F2812组成的最小控制单元，A/D转换器由12位四路电压输出数位类比转换器ADC7724U构成，驱动电路由四块高压功率运算放大器PA85组成。
参见图1～6，所述的检测光和参考光所转换成电信号经比较放大电路10比较放大后输出光谱信号接入变形镜控制单元9，该变形镜控制单元9将所接收的光谱信号采用随机并行梯度下降法进行计算，得到目标函数最优解和该最优解所对应的四路驱动电压v1～v4；其中，所述的最优解送入数据采集处理器11进行浓度反演，计算出烟道中氨气的浓度；所述的四路驱动电压送至反射式变形镜1-4的压电致动器，控制反射式变形镜2-4的镜面形状。
参见图7结合图1～6，上述随机并行梯度下降法包括以下步骤：
(1)启动所述的激光在线检测系统后，所述的变形镜控制单元9建立如下式(A)所示的光谱信号强度的目标函数ytx和如下式(B)迭代运算表达式：
ytx＝f(v)＝f[(v1,v2,v3,v4)] (A)
vn＝knΔvnΔytxn (B)
上式(A)中，v＝(v1,v2,v3,v4)，v1～v4分别为反射式变形镜1-4中的四个压电致动器1-6的驱动电压；
上式(B)中，n为迭代次数，vn＝(v1n,v2n,v3n,v4n)，Δvn为所述四压电致动器驱动电压的随机扰动变量，且Δvn＝(Δv1n＝v1n-v1n-1,Δv2n＝v2n-v2n-1,Δv3n＝v3n-v3n-1,Δv4n＝v4n-v4n-1),Δytxn为比较放大电路10所输出的光谱信号强度的随机扰动变量，kn为放大倍数并由下式(C)计算得到：
kn＝qkn-1 (C)
上式(C)中，q＝0.91；
(2)所述的变形镜控制单元9接收到比较放大电路10输出的光谱信号后，按以下步骤对上式(B)进行迭代运算：
(2.1)当n＝1时，设置：kn＝1.2，Δvn＝0.5V，Δytxn＝1000mV，按公式(B)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，完成第一次迭代；
(2.2)当n≥2时，每一步都先对上一步比较放大电路10输出的光谱信号的强度变化趋势进行如下判断：
如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn-1＜0，则令Δvn＝-0.5V，并按公式(B)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；
如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn-1≥0，先按公式(C)计算kn值，再按公式(B)计算出vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；
(2.3)按步骤(2.2)逐步进行迭代运算，迭代至30次后，选择目标函数ytx的最大值作最优解送入数据采集处理器11，同时将该最优解所对应的驱动电压送至所述反射式变形镜1-4中的四个压电致动器1-6，完成第一个迭代循环；
(3)循环执行步骤(2.2)和(2.3)，直至所述的激光在线检测系统关闭。
参见图6并结合图1，变形镜控制单元9中的数据处理单元(DSP TMS320F2812)按上述方法求得目标函数ytx的最优解后，便输出相应的驱动电压v1、v2、v3和v4控制反射式变形镜1-4的镜面形状，进而改变第一探测器所接收的光强。
参见图1并结合图7，数据采集处理器11接收到变形镜控制单元9输出的每一个迭代循环的最优解(光谱信号强度数据)和温压一体传感器13探测到的大气压力及环境温度后，可采用常规方法对烟道14所排放的氨气浓度进行反演计算，本实施例所采用的方法如下所述。
1)在数据采集处理器11中对最优检测上光谱信号ytx(i)构造如下式(D)所示的三次多项式背景基线模型：
y0x(i’)＝a0+a1i’+a2i’2+a3i’3 (D)
式(D)中，y0x(i’)为背景基线信号，a0、a1、a2、a3分别为三次多项式的系数，i’为光谱信号序列的频率，其范围是中心频率6528.5cm-1至6528.6cm-1和6529.3cm-1至6529.4cm-1两段无吸收区间；i的范围是中心频率6528.5cm-1至6529.4cm-1区间；当最优检测光谱信号ytx(i)与背景基线信号y0x(i’)的残差平方和取最小值时，计算a0、a1、a2、a3系数的最优值；
2)根据式(E)对扣除背景后的检测信号(ytx(i)-y0x(i’))进行光强归一化：
式(E)中y(i)′为归一化后的检测信号序列，I为最优检测光谱信号ytx(i)的直流分量；
3)根据经过标准吸收池7的第二探测器8接收的标准特征光谱信号y0(i)，对光强归一化后的检测信号序列y(i)′按式(F)进行相关性计算：
式(F)中i为光谱信号序列的频率，N为光谱信号总扫描频率点数，R2为相关系数；定义当R2高于85％时的检测信号序列y(i)′为有效检测信号序列y0(i)′，进行后续处理。
5)按式(G)计算有效检测信号的积分吸光度AC：
AC＝∫ln(y0(i)′)di (G)
式(G)中AC为积分吸光度，i为光谱信号序列的频率；
6)根据温压一体传感器13获得烟道内温度TC，按下式(H)计算出烟道中氨浓度C：
式(H)中Pc为烟道测量的压力，LC为烟道中光路的光程，S(TC)为监测温度下的高温线强，并根据式(I)获得：
S(Tc)＝a+bTc+cTc2+dTc3+eTc4+fTc5 (I)
式(I)中，根据Gamache数据库中6528.8cm-1位置处氨气线强，S(TC)表示为五次多项式非线性模型，其中拟合系数a＝1.16E-2，b＝2.34E-4，c＝-8.97E-7，d＝1.35E-9，e＝-9.49E-13，f＝2.58E-16。
实施例2
一、整体效果的比较
参照图1在高温炉实验装置的炉体两侧相对安装发射光学探头1和接收光学探头2，再使所述高温炉实验装置工作在700K，上述准备工作完成后，启动图1所示的激光检测系统进行氨气浓度检测，然后利用鼓风机向炉内连续通入含有喷灰尘颗粒的10mg/m3到100mg/m3的一组氨气标气，每隔5秒读取一次浓度值，每种浓度连续监测20次，并进行统计分析。结果如表1所示，最大的检测误差为0.8％，最大的平均检测误差为0.07％，相较于现有技术(何莹,张玉钧,王立明,等.高温氨逃逸激光原位监测的浓度反演算法[J].红外与激光工程,2014,第43卷,第3期,897-901页)效果显著提高。
表1浓度监测结果
| NH3浓度/mg/m3 | 10 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 |
| time＝1 | 9.98 | 20.07 | 40.11 | 60.15 | 80.19 | 100.12 |
| time＝2 | 9.92 | 19.88 | 39.96 | 60.18 | 79.79 | 100.02 |
| time＝3 | 10.03 | 19.93 | 40.07 | 60.05 | 80.06 | 100.02 |
| time＝4 | 9.99 | 19.95 | 39.79 | 60.2 | 79.86 | 100.11 |
| time＝5 | 9.92 | 20.1 | 40.04 | 59.84 | 80.18 | 99.8 |
| time＝6 | 10.02 | 20.11 | 39.86 | 59.79 | 79.95 | 99.78 |
| time＝7 | 9.99 | 20.04 | 39.78 | 60.12 | 80.18 | 100.08 |
| time＝8 | 9.99 | 20.06 | 39.96 | 60.09 | 79.89 | 100.17 |
| time＝9 | 9.97 | 19.89 | 40.05 | 59.78 | 80.06 | 100.02 |
| time＝10 | 10.01 | 19.96 | 39.88 | 60.09 | 79.89 | 100.03 |
| time＝11 | 10.01 | 19.92 | 40.13 | 59.84 | 80.26 | 99.78 |
| time＝12 | 9.98 | 20.12 | 40.08 | 60.1 | 79.81 | 100.01 |
| time＝13 | 10.01 | 20.06 | 40.22 | 60.18 | 80.11 | 100.08 |
| time＝14 | 10.02 | 20.05 | 40.16 | 60.05 | 79.84 | 100.13 |
| time＝15 | 9.98 | 19.97 | 39.78 | 60.2 | 80.19 | 100.12 |
| time＝16 | 10.01 | 19.95 | 39.98 | 59.72 | 79.89 | 100.04 |
| time＝17 | 10.01 | 19.99 | 40.07 | 60.02 | 79.79 | 99.91 |
| time＝18 | 10.03 | 20.06 | 39.89 | 60.07 | 80.07 | 100.06 |
| time＝19 | 9.98 | 20.12 | 40.1 | 59.87 | 80.08 | 99.8 |
| time＝20 | 10.01 | 19.94 | 39.89 | 59.78 | 79.78 | 100.06 |
| 平均浓度/mg/m3 | 9.993 | 20.009 | 39.99 | 60.006 | 79.993 | 100.007 |
| 最大检测误差/％ | 0.8 | 0.6 | 0.55 | 0.47 | 0.33 | 0.22 |
| 平均检测误差/％ | 0.07 | 0.045 | 0.025 | 0.01 | 0.009 | 0.007 |
二、不同随机并行梯度下降法的效果比较
为了考察所述的随机并行梯度下降法对本发明所述检测系统技术效果的贡献，本发明人做了下述研究：
1、模拟条件：
参照图1在高温炉实验装置的炉体两侧相对安装发射光学探头1和接收光学探头2，再使所述高温炉实验装置工作在700K，然后利用鼓风机向炉内连续通入含有喷灰尘颗粒的10mg/m3氨气标气。
2、检测方法：
将实施例1中所述的随机并行梯度下降法用杨慧珍等公开的“随机并行梯度下降算法”(杨慧珍,陈波,李新阳,等.自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验研究[J].光学学报,2008,第28卷,第2期,205-210页)替换，而实施例1其它内容不变情况下，按上述模拟条件对高温炉实验装置排出的高温气体进行检测，且每隔5秒读取一次浓度值，连续监测20次，对采集的浓度值进行统计分析。结果如表2所示，最大相对检测误差为1.0％，最大的平均相对检测误差为0.14％
表2浓度监测结果
| NH3浓度/mg/m3 | 10 |
| time＝1 | 9.93 |
| time＝2 | 9.96 |
| time＝3 | 10.12 |
| time＝4 | 9.93 |
| time＝5 | 9.94 |
| time＝6 | 9.96 |
| time＝7 | 10.03 |
| time＝8 | 10.01 |
| time＝9 | 9.95 |
| time＝10 | 9.96 |
| time＝11 | 9.91 |
| time＝12 | 10.09 |
| time＝13 | 9.93 |
| time＝14 | 9.94 |
| time＝15 | 10.07 |
| time＝16 | 10.03 |
| time＝17 | 10.01 |
| time＝18 | 9.94 |
| time＝19 | 9.95 |
| time＝20 | 10.02 |
| 平均浓度/mg/m3 | 9.986 |
| 最大检测误差/％ | 1.0 |
| 平均检测误差/％ | 0.14 |
3、结果：
将上述相对于标气的浓度值的偏差(0.14％)与采用本发明的效果(0.07％)相比显见，本发明所述随机并行梯度下降法对整个系统的贡献显著。