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TWI712781B - 氣體吸收光譜量測系統及其量測方法 - Google Patents

氣體吸收光譜量測系統及其量測方法 Download PDF

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TWI712781B
TWI712781B TW108144672A TW108144672A TWI712781B TW I712781 B TWI712781 B TW I712781B TW 108144672 A TW108144672 A TW 108144672A TW 108144672 A TW108144672 A TW 108144672A TW I712781 B TWI712781 B TW I712781B
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陳柏凱
宋隆佑
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種氣體吸收光譜量測系統，包括一光源、一光源控制器、一光強度偵檢器及一計算模組。光源用以發出一光波，光源控制器用以調控光波之波長。光強度偵檢器用以偵測由光源產生並通過至少一目標氣體的光強度。計算模組包括一數值處理器以及一儲存單元。儲存單元用以儲存一光譜資料庫，數值處理器用以擬合至少一目標氣體之吸收光譜與光譜資料庫中之標準圖譜，並進行相似度比對運算，以取得殘差值最小的至少一目標氣體的溫度及壓力，並根據至少一目標氣體的最小殘差值，決定至少一目標氣體的物種濃度。

Description

氣體吸收光譜量測系統及其量測方法
本發明是有關於一種量測系統及其量測方法，且特別是有關於一種氣體吸收光譜量測系統及其量測方法。
開徑式紅外線光譜儀進行氣體監測，僅以25℃及一大氣壓之實驗標準圖譜進行定量分析，當環境的溫度、壓力及濕度顯著改變時，將導致標準圖譜與實測圖譜擬合結果誤差大。
此外，以高解析穿透分子吸收光譜資料庫(HITRAN，high-resolution transmission molecular absorption database)進行紅外光譜壓力與溫度影響之模擬可知，當溫度或壓力條件改變時，相同濃度之氣體的紅外光圖譜也會隨之改變，且隨著光譜解析度的提升，紅外光圖譜的變化更為明顯。
另外，傳統開徑式紅外線光譜儀進行氣體監測時，由於缺乏環境溫度、氣壓變化造成的紅外光圖譜之特徵峰的變化，因此僅能夠計算大氣中不同時間氣體之相對濃度。相對地，量子串連雷射(Quantum cascade lasers,QCL)相較於傳統紅外 線光譜儀具有高光強度及高解析等特性，可提升紅外光譜氣體物種的辨識能力，然而其缺點是溫度與壓力改變所導致的紅外光圖譜的變化變得顯著，因此有待進一步改善。
本發明係有關於一種氣體吸收光譜量測系統及其量測方法，係透過模擬資料庫及/或實驗平台，建立不同溫度及壓力條件下的高解析度氣體標準圖譜、矩陣資料庫與演算法，來進行多種氣體之定性與定量解析及計算。此外，本發明能即時修正多種氣體共存時，不同溫度與壓力條件造成的氣體濃度計算偏差，以達到高穩定的開徑式光路系統及高解析的光譜溫度與壓力效應修正的需求。
根據本發明之一方面，提出一種氣體吸收光譜量測系統，包括一光源、一光源控制器、一光強度偵檢器、一計算模組。光源用以發出一光波。光源控制器用以調控光波之波長。光強度偵檢器用以偵測由光源產生並通過至少一目標氣體的光強度。計算模組包括一數值處理器以及一儲存單元。儲存單元用以儲存一光譜資料庫，數值處理器用以擬合至少一目標氣體之吸收光譜與光譜資料庫中之標準圖譜，並進行相似度比對運算，以取得殘差值最小的至少一目標氣體的溫度及壓力，並根據至少一目標氣體的最小殘差值，決定至少一目標氣體的物種濃度。
根據本發明之一方面，提出一種氣體吸收光譜量測方法，包括下列步驟。建立一光譜資料庫於一計算模組中。利用 一光譜儀取得通過至少一目標氣體的光強度。擬合該至少一目標氣體之混合光譜與光譜資料庫中之標準圖譜，並進行相似度比對運算，以取得殘差值最小的至少一目標氣體的溫度及壓力。根據至少一目標氣體的最小殘差值，決定至少一目標氣體的物種濃度。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100:氣體吸收光譜量測系統
100’:氣體吸收光譜實驗平台
101:光源
102:光源控制器
103:光強度偵檢器
104:類比/數位轉換器
105:計算模組
105’:計算單元
106:橢圓拋物面鏡
107:光學鏡窗
108:反射鏡
109:氣體樣品槽
L:光波
S11~S14:步驟
第1圖繪示依照本發明一實施例之開徑式氣體吸收光譜量測系統的示意圖。
第2圖繪示本發明一實施例之用以建立光譜資料庫的氣體吸收光譜實驗平台的示意圖。
第3A圖繪示本發明一實施例之光譜資料庫的溫度及壓力矩陣中目標氣體N2O的標準圖譜的示意圖。
第3B圖繪示本發明一實施例之光譜資料庫的溫度及壓力矩陣中目標氣體CO的標準圖譜的示意圖。
第3C圖繪示本發明一實施例之光譜資料庫的溫度及壓力矩陣中目標氣體H2O的標準圖譜的示意圖。
第4A圖繪示本發明一實施例之目標氣體N2O、CO、H2O的吸收光譜的示意圖。
第4B圖繪示本發明一實施例之目標氣體N2O、CO、H2O的吸收光譜與光譜資料庫中之標準圖譜進行擬合的示意圖。
第5圖繪示本發明一實施例之取得殘差值最小的該至少一目標氣體的溫度及壓力的示意圖。
第6圖繪示根據第5圖取得的溫度及壓力值以得到各目標氣體N2O、CO、H2O的濃度修正係數的示意圖。
第7圖繪示依照本發明一實施例之氣體吸收光譜量測方法的示意圖。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考所附圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
依照本發明之一實施例，提出一種氣體吸收光譜量測系統及其量測方法，例如以HITRAN模擬資料庫及QCL光學實驗平台建立不同溫度及壓力條件下的高解析度氣體標準圖譜，用於多種氣體共存之吸收光譜之解析，並將目標氣體的吸收光譜與不同溫度及壓力條件下之標準圖譜資料庫進行擬合，經多變量最小平方法(Multivariable least squares method)線性回歸分析，求得最佳解，以即時修正多種氣體共存時不同溫度及壓力條件造成的濃度計算偏差，再將所得到的濃度修正係數乘上光譜資料庫中各目標氣體之物種濃度值，即可獲得混合光譜中各目標氣體之 物種濃度。上述多變量最小平方法例如是古典最小平方法或部分最小平方法。
以開徑式紅外線光譜儀進行氣體監測時，大氣中水氣含量及微塵等均會影響反射光強度，因而在建立光譜資料庫時，需同時將目標氣體及大氣中常見的水氣加入考量，以所有影響吸收光譜圖型的因素(包括溫度、壓力及大氣中常見的水氣及目標氣體)來建立溫度-壓力矩陣光譜資料庫。
此外，進行氣體監測時，波數範圍應選擇目標氣體的定量區間，以涵蓋所有目標氣體的吸收尖峰區。光的波數W定義為波長λ的倒數，W=1/λ，單位以cm-1表示。在波數的實際量測上為1公分內的波峰(crest)或波谷(trough)數量。
在特定濃度範圍內，氣體濃度與其吸收強度遵循比爾定律(Beer’s law)呈線性關係。因此，氣體的吸收強度(A)與吸收係數(α)、光徑長(l)、濃度(c)三者均呈正比：A=αlc，其中α為吸收係數(absorptivity，或稱absorption coefficient)，亦可稱為消光係數(extinction coefficient,k)。然而，若是在光徑長(l)使用公分(cm)作為單位，並且濃度(c)使用莫耳M作為單位，吸收係數(α)使用M-1cm-1作為單位，那麼這時候的吸收係數，即可稱為莫耳吸收係數(molar absorptivity)，其符號以ε來代表。
此外，氣體濃度與其吸收強度的關係式亦可表示為：A=K λ C，其中K λ 為氣體濃度係數。若有多個氣體共存，單一種 波數λ1、λ2中各氣體的吸收強度A λ1 、A λ2 則可分別表示為A λ1 =K a,λ1 C a +K b,λ1 C b +E λ1 、A λ2 =K a,λ2 C a +K b,λ2 C b +E λ2 。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之氣體吸收光譜量測系統100的示意圖。氣體吸收光譜量測系統100包括一光源101、一光源控制器102、一光強度偵檢器103、一類比/數位轉換器104、一計算模組105、一橢圓拋物面鏡106、一光學鏡窗107以及一反射鏡108。光源101用以發射一光波，光源控制器102用以調控光源101之光波長。光強度偵檢器103用以偵測由光源101產生並通過至少一目標氣體的光強度。類比/數位轉換器104用以將訊號轉換為類比訊號或數位訊號。計算模組105包括一數值處理器以及一儲存單元。儲存單元用以儲存一光譜資料庫。數值處理器用以擬合至少一目標氣體之吸收光譜與光譜資料庫中之標準圖譜，並進行相似度比對運算，以決定至少一目標氣體的溫度、壓力及物種濃度。光學鏡窗107為一可被光源101發出之光波L穿透之光學玻璃，用以保護系統內部組件不受微粒沾汙，並可確保量測不受系統內部氣體影響。在一實施例中，使用對特定波長範圍具有抗反射塗層材料之光學鏡窗107，可有效降低來自光學鏡窗107所導致之干涉效應。光波L可穿透橢圓拋物面鏡106之通孔及光學視窗107而到達反射鏡108，且反射鏡108反射光波L之後，反射光波L再經由橢圓拋物面鏡106全反射而到達光強度偵檢器103。在另一實施例中，反射鏡108亦可設置為面向光強度偵檢器103，以將由光源101發射出的光 波L直接反射至光強度偵檢器103。在又一實施例中，光強度偵檢器103亦可設置為面向光源101，以直接接收由光源101發射出的光波L。
光源101可包括下列其中一種發光元件：傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)、可調諧二極體雷射(tunable diode laser,TDLS)、可調諧半導體雷射(tunable semiconductor laser)、量子串連雷射(quantum cascade laser,QCL)、帶間串連雷射(intra-band cascade laser,ICL)、垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)、水平共振腔面射型雷射(horizontal cavity surface emitting laser,HCSEL)、分散式回饋雷射(distributed feedback laser)、發光二極體(light emitting diode,LED)、超發光二極體(Super-luminescent diode)、放大自發射光源(amplified spontaneous emission source,ASE source)、氣體雷射(gas discharge laser)、液體雷射(liquid laser)、固態雷射(solid state laser)、光纖雷射(fiber laser)、色心雷射(color center laser)、白熾燈(incandescent lamp)、放電燈(discharge lamp)、熱發射體(thermal emitter)或非線性光學交互作用產生光頻率可調裝置(device capable of generating frequency tunable light through nonlinear optical interactions)。
光強度偵檢器103可包括下列其中一種元件：銦鎵砷偵檢器(InGaAs detector)、砷化銦偵檢器(InAs detector)、磷化銦偵檢器(InP detector)、矽偵檢器(silicon detector)、矽鍺偵檢器(SiGe detector)、鍺偵檢器(germanium detector)、汞碲化鎘偵檢器(MCT detector)、硫化鉛偵檢器(PbS detector)、硒化鉛偵檢器(PbSe detector)、熱電堆偵檢器(thermopile detector)、多元陣列偵檢器(multi-element array detector)、單元偵檢器(single element detector)或光電倍增管(photo-multiplier)。
在一實施例中，光譜資料庫例如以HITRAN模擬資料庫所建立，並儲存於計算模組105中。HITRAN模擬資料庫用以取得不同溫度-壓力條件下之紅外光譜模擬訊號，以建立多種氣體的標準圖譜。在另一實施例中，光譜資料庫係在氣體樣品槽109(參見第2圖)中，控制至少一目標氣體的溫度、壓力及濃度條件下，擷取對應之目標氣體的吸收光譜所建立，並儲存於計算模組105中。
LBL(line by line)為單色(Monochromatic)輻射傳遞模式，即每次使用單一種波數計算模式內大氣中各氣體的輻射通量，LBL模式用以將吸收光譜資料讀入並設定欲計算的波數範圍，即可計算氣體的吸收係數。其中，LBL的吸收係數計算方式如下：k υ(p,θ)=Σ S i (θ)f i,v (p,θ)，k表示為吸收係數，下標υ為波數(cm -1)，p為氣壓(hPa)，θ為溫度(K)，S i (θ)為第i條吸收線的吸收線強度，f i,v (p,θ)為吸收線形狀參數。其中，氣體的吸收線位置與吸收線強度等參數資訊可從HITRAN模擬資料庫中獲得，或是在實驗室以控制溫度及壓力條件下，進行實際光譜擷取。針對HITRAN模擬資料庫無法提供之氣體，能由實驗室進行溫度及壓力控制之氣體樣品槽109建立標準圖譜資料庫， 或是由商業可取得之標準圖譜，例如美國西北太平洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)建立的不同溫度條件之高解析標準圖譜。
在HITRAN模擬部分，各氣體分壓條件分別為20000ppm的H2O、0.15ppm的CO及0.33ppm的N2O，溫度條件範圍為0~50℃。壓力條件範圍為1.5~0.5大氣壓(atm)。上述參數與一般大氣中既存氣體濃度、氣溫及氣壓條件相符合，以此進行標準圖譜資料庫的建立，以符合真實環境之狀況。
在實驗室建立標準圖譜部分，所使用的光源101為雷射光或其他準直光。氣體樣品槽109為光徑長50cm之不鏽鋼腔體，其光學鏡窗107為厚度5mm之矽鏡窗但不限制。請參照第2圖，其繪示用以建立光譜資料庫的密閉抽氣式氣體吸收光譜實驗平台100’的示意圖。氣體吸收光譜實驗平台100’包括一光源101、一光源控制器102、一光強度偵檢器103、一類比/數位轉換器104、一計算單元105’、一橢圓拋物面鏡106、一光學鏡窗107、一反射鏡108以及一氣體樣品槽109。光源101、光源控制器102、光強度偵檢器103、類比/數位轉換器104、橢圓拋物面鏡106、光學鏡窗107及反射鏡108的性質及功能如第1圖所示，在此不再贅述。與第1圖不同之處在於，計算單元105’用以將量測資料轉換為光譜，以進行標準圖譜資料庫的建立。此外，氣體樣品槽109用以儲存氣體並控制氣體的濃度、溫度及壓力，可確保量測不受系統外部氣體影響。
請參照第3A至3C圖，其分別繪示不同溫度及壓力條件下目標氣體(例如N2O、CO及H2O)之吸收光譜，橫軸為波數範圍(2207~2212cm-1)，縱軸為每一波數所對應之吸收強度。
請參照第4A及4B圖，其分別繪示將第4A圖之混合氣體圖譜與第3A至3C圖中標準圖譜擬合，並進行相似度比對運算，其中相似度越高，殘差值越小。反之，相似度越小，殘差值越高。殘差值的計算方式例如為與不同溫度及壓力條件下的標準圖譜進行擬合並經最小平方法線性回歸分析及運算，以取得多個殘差值，在從多個殘差值中找出最小殘差值。首先，假設方程式y=ax1(P,T)+bx2(P,T)+cx3(P,T)+E，其中y、x1、x2、x3分別為混合氣體、N2O、CO及H2O於特定溫度T及壓力P條件下的吸收強度，a、b、c為各目標氣體的吸收係數，E為殘差值，壓力條件設為0.9atm、0.95atm及1.0atm。溫度條件設為278K、288K及298K，但不以此為限。當殘差值(E)愈接近零，即為上述方程式的最佳解，藉此求得各目標氣體的吸收係數a、b、c。上述方程式以多變數(a、b、c、Eλ1~Eλn)聯立方程式表示如下。
Figure 108144672-A0305-02-0013-1
其中，
Figure 108144672-A0305-02-0013-2
為波數範圍在2207~2212cm-1之間的混合氣體的吸收強度(A)，
Figure 108144672-A0305-02-0013-3
為N2O、CO及H2O等目標氣體於對應波數範圍內特定溫度T及壓力P條件下的吸收強度，
Figure 108144672-A0305-02-0013-8
為混合氣體於對應波數範圍內的殘差值(E)，表示如下：E=(E 2207.01 2 +E 2207.02 2 +…+E 2212.00 2 ) 1/2 。
求多個聯立方程式的最佳解，以找到各目標氣體於特定溫度T及壓力P矩陣之最小殘差值(E)。後續，再根據目標氣體的最小殘差值(E)，得到相對應之目標氣體濃度修正係數，即各目標 氣體於特定溫度T及壓力P條件下的吸收係數a、b、c。
請參照第5圖，其繪示殘差值(E)為0時，目標氣體的溫度及壓力分別為308K及0.95atm。接著，請參照第6圖，再由目標氣體的溫度及壓力矩陣中找出相對應之目標氣體濃度修正係數，其中N2O、CO及H2O的濃度修正係數a、b、c分別為0.98、0.85及1.00。
接著，將上述目標氣體濃度修正係數乘上光譜資料庫中相對應之目標氣體濃度值，即可得到目標氣體的實際物種濃度。例如：N2O的實際濃度為0.33ppm*0.98=0.322ppm，CO的實際濃度為0.15ppm*0.85=0.127ppm，H2O的實際濃度為20000ppm*1.0=20000ppm。
若不考慮不同溫度及壓力產生濃度偏差的話，直接以一般1atm及298K的圖譜進行濃度計算，所得到的N2O、CO及H2O的濃度分別為0.301ppm、0.197ppm、24308ppm，所得到的濃度與實際濃度之間的偏差百分比為N2O：-7%，CO：55%，H2O：22%。因此，本發明之氣體吸收光譜量測系統100能應用在高穩定的開徑式QCL光路系統中，並可滿足高解析的光譜溫度與壓力效應修正的需求。
請參照第1及7圖，其中第7圖繪示依照本發明一實施例之氣體吸收光譜量測方法的示意圖。氣體吸收光譜量測方法包括下列步驟S11~S14。步驟S11中，建立一光譜資料庫於一計算模組105中。步驟S12中，利用一光譜儀(即氣體吸收光 譜量測系統100)取得通過至少一目標氣體的光強度。步驟S13中，擬合至少一目標氣體之吸收光譜與光譜資料庫中之標準圖譜，並進行相似度比對運算，以取得殘差值最小的至少一目標氣體的溫度及壓力。步驟S14中，根據至少一目標氣體的最小殘差值，得到一濃度修正係數，以決定至少一目標氣體的物種濃度。
上述之計算模組105藉由最小平方法進行特徵峰相似度比對運算，以找出目標氣體之溫度及壓力矩陣之最小殘差值，進而得到目標氣體濃度修正係數及相對應之目標氣體的物種濃度，以減少濃度偏差值。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:氣體吸收光譜量測系統
101:光源
102:光源控制器
103:光強度偵檢器
104:類比/數位轉換器
105:計算模組
106:橢圓拋物面鏡
107:光學鏡窗
108:反射鏡
L:光波

Claims (14)

  1. 一種氣體吸收光譜量測系統，包括：一光源，用以發出一光波；一光源控制器，用以調控該光波之波長；一光強度偵檢器，用以偵測由該光源產生並通過至少一目標氣體的光強度；以及一計算模組，包括一數值處理器以及一儲存單元，該儲存單元用以儲存一光譜資料庫，該數值處理器用以擬合該至少一目標氣體之吸收光譜與該光譜資料庫中之標準圖譜，並進行相似度比對運算，以取得殘差值最小的該至少一目標氣體的溫度及壓力，並根據該最小殘差值所對應的該至少一目標氣體的溫度及壓力決定至少一目標氣體濃度修正係數，並將該至少一目標氣體濃度修正係數乘上該光譜資料庫中相對應之至少一目標氣體濃度值，以得到該至少一目標氣體的物種濃度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該光譜資料庫包括不同溫度-壓力條件下的多種氣體的標準圖譜，以供相似度比對。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該光譜資料庫係以HITRAN模擬資料庫所建立，並儲存於該計算模組中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該光譜資料庫係在氣體樣品槽中，控制該至少一目標氣體的溫度、壓力及 濃度條件下，擷取對應之目標氣體的吸收光譜所建立，並儲存於該計算模組中。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該計算模組藉由最小平方法進行特徵峰相似度比對運算，以找出該至少一目標氣體之溫度及壓力矩陣之最小殘差值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該光強度偵檢器係設置為面向該光源。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括一反射鏡，用以將由該光源發射出的該光波反射至該光強度偵檢器，該反射鏡係設置為面向該光強度偵檢器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該光源包括：傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)、可調諧二極體雷射(tunable diode laser,TDLS)、可調諧半導體雷射(tunable semiconductor laser)、量子串連雷射(quantum cascade laser,QCL)、帶間串連雷射(intra-band cascade laser,ICL)、垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)、水平共振腔面射型雷射(horizontal cavity surface emitting laser,HCSEL)、分散式回饋雷射(distributed feedback laser)、發光二極體(light emitting diode,LED)、超發光二極體(Super-luminescent diode)、放大自發射光源(amplified spontaneous emission source,ASE source)、氣體雷射(gas discharge laser)、液體雷射(liquid laser)、固態雷射(solid state laser)、光纖雷射(fiber laser)、色心雷射(color center laser)、白熾燈(incandescent lamp)、放 電燈(discharge lamp)、熱發射體(thermal emitter)或非線性光學交互作用產生光頻率可調裝置(device capable of generating frequency tunable light through nonlinear optical interactions)。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該光強度偵檢器包括：銦鎵砷偵檢器(InGaAs detector)、砷化銦偵檢器(InAs detector)、磷化銦偵檢器(InP detector)、矽偵檢器(silicon detector)、矽鍺偵檢器(SiGe detector)、鍺偵檢器(germanium detector)、汞碲化鎘偵檢器(MCT detector)、硫化鉛偵檢器(PbS detector)、硒化鉛偵檢器(PbSe detector)、熱電堆偵檢器(thermopile detector)、多元陣列偵檢器(multi-element array detector)、單元偵檢器(single element detector)或光電倍增管(photo-multiplier)。
  10. 一種氣體吸收光譜量測方法，包括：建立一光譜資料庫於一計算模組中；利用一光譜儀取得通過至少一目標氣體的光強度；擬合該至少一目標氣體之混合光譜與該光譜資料庫中之標準圖譜，並進行相似度比對運算，以取得殘差值最小的該至少一目標氣體的溫度及壓力；以及根據該最小殘差值所對應的該至少一目標氣體的溫度及壓力，決定至少一目標氣體濃度修正係數，並將該至少一目標氣體濃度修正係數乘上該光譜資料庫中相對應之至少一目標氣體濃度值，以得到該至少一目標氣體的物種濃度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中建立該光譜資料庫包括取得不同溫度-壓力條件下的多種氣體的標準圖譜，以供相似度比對。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該光譜資料庫係以HITRAN模擬資料庫所建立，並儲存於該計算模組中。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該光譜資料庫係在氣體樣品槽中，控制該至少一目標氣體的溫度、壓力及濃度條件下，擷取對應之目標氣體的吸收光譜所建立，並儲存於該計算模組中。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該計算模組藉由最小平方法進行特徵峰相似度比對運算，以找出該至少一目標氣體的溫度及壓力矩陣之最小殘差值。
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