本发明属于气体检测，涉及一种低浓度甲烷气体测量方法及系统。
背景技术：
1、tdlas(tunable diode laser absorption spectroscopy)是可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称，该技术利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量，tdlas气体检测技术具有高灵敏、连续在线、快速响应以及环境适应性强的特点。
2、tdlas技术依赖于可连续调谐的窄线宽半导体激光器作为光源，激光器的波长调谐主要通过其工作温度和驱动电流的调节来实现波长调谐，获得目标气体高分辨率吸收光谱来反演气体浓度信息。在实际进行甲烷气体检测过程中，温度调谐响应速率较慢，为hz到亚hz量级，而电流调谐的响应速率较快，其最大响应速率在百khz以上，因此通常采用固定激光器的工作温度，并通过锯齿波形式的电流调谐方法进行操作。
3、现有的气体吸收检测技术包括直接吸收检测技术和波长调试检测技术。直接吸收通常采用波长扫描的方式对半导体激光器进行驱动控制，半导体激光器的输出波长由温度与驱动电流共同决定，具有系统简洁、易于实现的特点。在温度控制模块电路的作用下，半导体激光器工作在恒定温度，其输出波长与注入驱动电流呈线性关系，根据在特定波长处的吸收现象，可以对检测气体进行鉴别，根据吸收特征峰值高度的大小可以对检测气体进行精确定量分析。如申请公布号为cn106770024a的发明专利，公开了一种基于免基线波长扫描直接吸收光谱的气体浓度测量方法，克服了传统直接吸收方法对基线敏感的缺点，同时避免了由于基线拟合误差对结果的影响。但由于电路系统、光学器件以及光机系统等引入到光谱中的高斯白噪声，使得微弱的信号淹没在噪声中，造成低浓度的气体不能有效识别与测量。
4、与直接吸收检测技术相比，波长调制检测技术可以有效抑制电路系统、光学器件以及光机系统等引入到光谱中的高斯白噪声，能够有效提取淹没在噪声中的微弱信号，提高光谱信号的检测灵敏度。如申请公布号为cn110320178b的发明专利，公开了一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统及其检测方法，能够将响应时间从几分钟缩短至几秒钟，满足气体检测的快速性及灵敏性要求，同时通过将参考气室内气体浓度设置为已知浓度，并控制参考气室内压强和温度与检测气室内的压强和温度保持一致，实现了系统免标定。但是，实际波长调制系统较为复杂，需要采用锁相放大器等电子电路，成本较高，不利于推广，因此亟需提出一种适用于低浓度甲烷气体的测量方法。
技术实现思路
1、本发明的技术方案用于解决基于直接吸收技术不能有效识别低浓度甲烷气体、基于波长调制检测技术检测低浓度甲烷气体结构复杂、成本高的问题。
2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
3、一种低浓度甲烷气体测量方法，包括以下步骤：
4、s1、采集高浓度甲烷气体信号，获取高浓度甲烷气体的吸收波形；
5、s11、基于直接吸收技术的测量光路，向待测区域通入高浓度甲烷气体；
6、s12、基于直接吸收技术获取高浓度甲烷气体的吸收波形；
7、s2、获取高浓度甲烷气体的变化特征曲线；
8、s3、对高浓度甲烷气体的变化特征进行归一化处理，并存储到系统；
9、s4、向待测区域通入待测气体，采集待测气体信号，获取待测气体的吸收波形；
10、s5、获取待测气体的变化特征曲线；
11、s6、对待测气体的变化特征曲线进行相关性计算，判断待测气体与高浓度甲烷气体的相关性，并根据形成的相关性曲线反演待测气体浓度；
12、s61、将待测气体的变化特征曲线与系统中的高浓度甲烷气体变化特征曲线进行相关性计算，得到相关性值；
13、s62、设定相关性阈值，若计算后的相关性值超过设定的相关性阈值，判断该待测气体吸收信号为有效的气体吸收信号，根据拟合后的相关性曲线计算甲烷气体的吸收浓度。
14、进一步地，步骤s12中所述基于直接吸收技术获取高浓度甲烷气体的吸收波形具体为：待测区域未通入高浓度甲烷气体时，获取直接吸收光谱数据；待测区域通入高浓度甲烷气体后，在吸收光谱两端选取多个数据点，对光谱基线进行多项式拟合，计算得到吸收光谱的背景数据，计算所得光谱背景数据与直接吸收光谱数据的比值，得到高浓度甲烷气体的吸收特征谱线。
15、进一步地，步骤s2中所述获取高浓度甲烷气体的变化特征曲线具体为：对高浓度甲烷气体的吸收特征谱线进行一次求导，获取该吸收波形的单调性和极值，得到吸收波形的变化趋势。
16、进一步地，步骤s3中所述对高浓度甲烷气体的变化特征进行归一化处理具体为：查找高浓度甲烷气体的变化特征曲线的最大值，将变化特征曲线上的所有数据除以最大值，实现归一化处理。
17、进一步地，步骤s61中所述相关性值的计算表达式为：
18、
19、式中，rxy(m)为相关性值，m为滞后值，n为时间值，y(n-m)为相较于x(n)滞后m个时间点的y(n)序列。
20、本发明还提供一种低浓度甲烷气体测量系统，包括样本采集模块、样本变化特征模块、样本归一化模块、待测气体采集模块、待测气体变化特征模块和相关性计算模块；
21、所述样本采集模块用于采集高浓度甲烷气体信号，获取高浓度甲烷气体吸收波形；
22、基于直接吸收技术的测量光路，向待测区域通入高浓度甲烷气体；
23、基于直接吸收技术获取高浓度甲烷气体的吸收波形；
24、所述样本变化特征模块用于获取高浓度甲烷气体的变化特征曲线；
25、所述样本归一化模块用于对高浓度甲烷气体的变化特征进行归一化处理，并存储到系统；
26、所述待测气体采集模块用于向待测区域通入待测气体，采集待测气体信号，获取待测气体吸收波形；
27、所述待测气体变化特征模块用于获取待测气体的变化特征曲线；
28、所述相关性计算模块用于对待测气体的变化特征曲线进行相关性计算，判断待测气体与高浓度甲烷气体的相关性，并根据形成的相关性曲线反演待测气体浓度；
29、将待测气体的变化特征曲线与系统中的高浓度甲烷气体变化特征曲线进行相关性计算，得到相关性值；
30、设定相关性阈值，若计算后的相关性值超过设定的相关性阈值，判断该待测气体吸收信号为有效的气体吸收信号，根据拟合后的相关性曲线计算甲烷气体的吸收浓度。
31、进一步地，所述样本采集模块中基于直接吸收技术获取高浓度甲烷气体的吸收波形具体为：待测区域未通入高浓度甲烷气体时，获取直接吸收光谱数据；待测区域通入高浓度甲烷气体后，在吸收光谱两端选取多个数据点，对光谱基线进行多项式拟合，计算得到吸收光谱的背景数据，计算所得光谱背景数据与直接吸收光谱数据的比值，得到高浓度甲烷气体的吸收特征谱线。
32、进一步地，所述样本变化特征模块中获取高浓度甲烷气体的变化特征曲线具体为：对高浓度甲烷气体的吸收特征谱线进行一次求导，获取该吸收波形的单调性和极值，得到吸收波形的变化趋势。
33、进一步地，所述样本归一化模块中对高浓度甲烷气体的变化特征进行归一化处理具体为：查找高浓度甲烷气体的变化特征曲线的最大值，将变化特征曲线上的所有数据除以最大值，实现归一化处理。
34、进一步地，所述相关性计算模块中相关性值的计算表达式为：
35、
36、式中，rxy(m)为相关性值，m为滞后值，n为时间值，y(n-m)为相较于x(n)滞后m个时间点的y(n)序列。
37、本发明的优点在于：
38、(1)在直接吸收技术基础上，通过已知的吸收波形变化特征与待测气体吸收波形变化特征做相关性计算，提升直接吸收技术的检测下限，实现低浓度甲烷气体测量，可以实现当低浓度吸收信号被噪声淹没时，仍能够利用相关性计算提取到吸收特征；与波长调制技术相比，本发明实现的低浓度气体测量能够显著的降低产品成本，利于推广。
39、(2)通过采集高浓度甲烷气体吸收信号作为参考，能够帮助系统更好地识别和分析待测气体中存在相同甲烷成分的信号。由于高浓度的数据提供了一个清晰的、信噪比高的谱线，有利于确定气体吸收特征和峰值位置，即使待测气体中甲烷含量处于低浓度状态，利用相关性计算也能够进行有效识别到。
40、(3)利用多项式拟合光谱基线和对特征曲线求导的方式，能够减少背景噪声的影响，以及突出甲烷气体的吸收特征，凸显特征数据中的微弱变换，即使甲烷气体处于低浓度下，也能够明显观察到。
41、(4)通过归一化处理将所有数据点标准化到同一尺度，一定程度上消除了系统差异和实验条件变化带来的影响，从而使得低浓度下数据的微小变化更加显著。
1.一种低浓度甲烷气体测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种低浓度甲烷气体测量方法，其特征在于，步骤s12中所述基于直接吸收技术获取高浓度甲烷气体的吸收波形具体为：待测区域未通入高浓度甲烷气体时，获取直接吸收光谱数据；待测区域通入高浓度甲烷气体后，在吸收光谱两端选取多个数据点，对光谱基线进行多项式拟合，计算得到吸收光谱的背景数据，计算所得光谱背景数据与直接吸收光谱数据的比值，得到高浓度甲烷气体的吸收特征谱线。
3.根据权利要求2所述的一种低浓度甲烷气体测量方法，其特征在于，步骤s2中所述获取高浓度甲烷气体的变化特征曲线具体为：对高浓度甲烷气体的吸收特征谱线进行一次求导，获取该吸收波形的单调性和极值，得到吸收波形的变化趋势。
4.根据权利要求3所述的一种低浓度甲烷气体测量方法，其特征在于，步骤s3中所述对高浓度甲烷气体的变化特征进行归一化处理具体为：查找高浓度甲烷气体的变化特征曲线的最大值，将变化特征曲线上的所有数据除以最大值，实现归一化处理。
5.根据权利要求4所述的一种低浓度甲烷气体测量方法，其特征在于，步骤s61中所述相关性值的计算表达式为：
6.一种低浓度甲烷气体测量系统，其特征在于，包括样本采集模块、样本变化特征模块、样本归一化模块、待测气体采集模块、待测气体变化特征模块和相关性计算模块；
7.根据权利要求6所述的一种低浓度甲烷气体测量系统，其特征在于，所述样本采集模块中基于直接吸收技术获取高浓度甲烷气体的吸收波形具体为：待测区域未通入高浓度甲烷气体时，获取直接吸收光谱数据；待测区域通入高浓度甲烷气体后，在吸收光谱两端选取多个数据点，对光谱基线进行多项式拟合，计算得到吸收光谱的背景数据，计算所得光谱背景数据与直接吸收光谱数据的比值，得到高浓度甲烷气体的吸收特征谱线。
8.根据权利要求7所述的一种低浓度甲烷气体测量系统，其特征在于，所述样本变化特征模块中获取高浓度甲烷气体的变化特征曲线具体为：对高浓度甲烷气体的吸收特征谱线进行一次求导，获取该吸收波形的单调性和极值，得到吸收波形的变化趋势。
9.根据权利要求8所述的一种低浓度甲烷气体测量系统，其特征在于，所述样本归一化模块中对高浓度甲烷气体的变化特征进行归一化处理具体为：查找高浓度甲烷气体的变化特征曲线的最大值，将变化特征曲线上的所有数据除以最大值，实现归一化处理。
10.根据权利要求9所述的一种低浓度甲烷气体测量系统，其特征在于，所述相关性计算模块中相关性值的计算表达式为：
