基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量【技术领域】，为提供一种提高可调谐激光吸收光谱检测精度的方法和装置，可以在不增加系统硬件开销的情况下，完整的采集、记录谱线的全部信息，从而提高TDLAS系统的测量精度，并适合于气体浓度、压力、温度及流速在线（及原位）或离线检测或监测应用。为达到上述目的，本发明的技术方案是：基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法，步骤是：检测气体对激光的吸收谱线，对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数进行测量，其中，在激光激发阶段施加某种变换，在检测气体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换。本发明主要应用于气体检测。
【专利说明】基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量【技术领域】，涉及可调谐二极管激光吸收光谱分析的方法和装置，特别是用于痕量气体检测的可调谐二极管激光器的调制方法和装置，本发明可以用于气体浓度、温度、压力或流速的高精度测量，具体讲，涉及基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法和装置。
【背景技术】
[0002]可调谐二极管激光吸收光谱分析(Tunable diode laser absorptionspectroscopy, TDLAS)是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛用于工业流程中的气体监控、环境大气检测以及科学研究等领域。它利用二极管激光器的波长调谐特性，即通过改变二极管激光器的温度或注入电流，改变激光器的输出波长。在波长调谐范围内，检测待测气体的特征吸收光谱，在气体吸收光谱的线形(spectral line profile)中包含有与气体浓度、压力、温度、流速等相关的信息，通过对吸收光谱的线形分析，可以在线测量气体的浓度、温度、压力或流速。
[0003]对于高浓度或吸收系数较大的气体，通常采用直接吸收光谱检测方法。直接吸收光谱是检测通过被测气体后光强度随波长的变化，通过对吸收信号的强度分析，由朗伯-比尔(Beer-Lambert)定律计算被测气体的浓度。这种测量方法受光源的光强波动、检测器和放大器噪声、外界干扰等影响，其测量误差较大、灵敏度和精度较低。
[0004]为了提高检测灵敏度，通常采用波长调制光谱(Wavelength modulationspectroscopy, WMS)技术。WMS技术对激光做波长扫描和高频调制，经气体吸收后的激光由光电探测器转换为电信号，利用相敏检测(通常使用锁相放大器)技术检测气体吸收光谱的高频调制谐波信号。WMS可以抑制激光强度起伏、系统Ι/f噪声、漂移等各种噪声的影响，极大地提高了信号的信噪比，检测灵敏度比直接吸收光谱分析技术高两个数量级以上。
[0005]通常，在激光吸收光谱分析中技术中采用锯齿波对激光波长做线性扫描，这种线性扫描过程中将吸收光谱线形直接传递到检测器，在不同的温度和压力条件下，气体吸收光谱的线形呈现为高斯线形(Gaussian profile)、洛仑兹线形(Lorentzian profile)或福伊特线形(Voigt profile)，要采集完整的线形信息，一方面需要足够多的采样点数，即AD转换器采样率和数据存储器要足够大，这与处理器的速度、运算能力及成本有较大关系，另一方面也需要抑制信号传递通道的寄生幅度干扰、非线性、相位噪声等对谱线线形的干扰。目前采用锯齿波的线性波长扫描技术中，由于受AD采样率以及数据处理速度的限制，对气体吸收谱线大多是欠采样。这影响了光谱信息的准确采集和处理，尤其是存在噪声和干扰时，对测量精度的影响很大。
[0006]德国慕尼黑工业大学的J.Chen等人提出一种非线性波长扫描方法，通过使在吸收光谱峰值附近的波长扫描速率为零，以增加对吸收谱峰值的采样点数，并通过数据拟合提高光谱分析的灵敏度。这种方法理论上可以将测量简化、优化，但是，它需要准确获取并保持吸收光谱的峰值相对位置，任何小的温度或注入电流扰动(噪声)都可能将产生较大的影响，这在实践中实现的技术要求高，另外，这种检测方法只记录了气体吸收谱线的线强信息，而丢弃了吸收光谱中的线形信息，只能用于气体浓度的测量，并需要对温度和压力进行补偿。不能用于气体温度、压力及流速的测量。
【发明内容】
[0007]本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种提高可调谐激光吸收光谱检测精度的方法和装置。基于本发明的方法和装置，可以在不增加系统硬件开销的情况下，完整的采集、记录谱线的全部信息，从而提高TDLAS系统的测量精度，并适合于气体浓度、压力、温度及流速在线(及原位)或离线检测或监测应用。 [0008]为达到上述目的，本发明的技术方案是:基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法，步骤是:检测气体对激光的吸收谱线，对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数进行测量，其中，在激光激发阶段施加某种变换，在检测气体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换。
[0009]施加某种变换采用的变换函数包括但不限于高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数中的一种，所施加变换函数的特征参数与气体吸收谱线参数、激光器的调制特性以及激光驱动器的传输特性参数相关。
[0010]所述传输特性参数相关具体为:所施加变换函数的幅值a、中心位置b、和宽度c特征参数与气体吸收谱线中心位置λ。、线宽Ym参数、锯齿波周期Τ、幅度AVm参数以及包括激光驱动器的电压-电流转换系数α、二极管激光器的电流调谐速率β的激光器的调制特性相关，具体如下:
[0011]波形幅值a与施加的调制锯齿波斜率相关，取为:
AV
[0012]a<^-(I)
T
[0013]其中，T是锯齿波周期，单位:ms，Λ Vni是锯齿波的幅度，单位:V ；
[0014]中心位置b取值为:
[0015]b= λ c(t) =kT(2)
[0016]其中，Xc(t)为谱线的中心位置出现的时刻，k为常数系数且k〈l,k取0.5~0.8 ;
[0017]宽度c与待测气体谱线宽度FWHM，Y m，单位:nm、激光波长调谐范围Λ vm,单位:nm和锯齿波的周期T有关:
[0018]C = k^--T(3)
[0019]其中，Ic1为经验系数，取值范围为1.1~3，激光波长调谐范围Avm与锯齿波幅度关系为
[0020]Δ V m= α.β.Vm(4)
[0021]α是激光驱动器的电压-电流转换系数，单位:mA/V ； β是二极管激光器的电流调谐速率，单位:nm/mA。
[0022]在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的；在光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列做逆坐标变换，得到以波长间隔的光谱数据序列。[0023]在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的，变换函数记做G(t)，叠加到注入电流中的信号Q(t)为，[0024]Q(t)= / G(t)dt (5)[0025]在吸收谱线光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列Di (t)做逆坐标变换，得到以波长间隔的光谱数据序列& ( λ )，具体为:[0026]Dj ( λ ) =Di (t)(6)[0027]λ」=λ 0+(i AVmf-G(t)) α β (7)[0028]i = 0，1，2，....，INT (S/f) -1[0029]式中，INTO为取整运算，S为数据的采样率，λ ^为锯齿波最小值对应的为激光输出波长，DJt)为经AD转换得到的光谱数据序列，即等时间间隔的数据序列；i为一个锯齿波周期内的采样点序号，Dj(A)为变换后的数据序列，即按照波长间隔的光谱数据序，f为锯齿波的频率，Λ Vni为锯齿波的幅度，α是激光驱动器的电压-电流转换系数，单位:mA/V ；β是二极管激光器的电流调谐速率，单位:nm/mA ;变换后的光谱数据序列即为不失真的光谱数据，按照公知的方法对光谱线形分析，得到被测气体包括浓度、压力、温度的参量。[0030]一种基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的装置，包括:激光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或嵌入式处理器、光准直透镜、气体池，激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体池及设置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器，光电探测器的输出信号经前置放大器、锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器，信号发生器用于产生特定函数的调制信号叠加到二极管激光器的注入电流中，锁相放大器还输出反馈信号到信号发生器。[0031]其信号发生器是基于数字存储方式，由可编程逻辑器件构成的电路或模块，其输出信号包括幅度调制信号、解调信号和同步信号。[0032]调制信号通过激光器驱动器控制二极管激光器的注入电流，实现对激光波长的扫描和/或高频调制，激光经气体吸收被光电检测器接收及锁相放大器解调，再由计算机对数据做进一步处理。[0033]信号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储器、调制信号输出接口、同步解调信号输出接口，微控制器按照程序存储器中的程序运行而产生调制信号数据并写入到数据存储器，微控制器控制逻辑电路产生同步解调信号输出到同步解调信号输出接口，逻辑电路还根据数据存储器中的调制信号数据通过数字-模拟转换电路产生调制信号输出到调制信号输出接口，调制信号由锯齿波、正弦波和变换函数信号叠加而成，同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。[0034]本发明的技术特点及效果:[0035]可以避免现有方法中丢失光谱信息，实现光谱信息的无失真传递和检测，从而提高光谱反演的精度，并提高光谱分析的灵敏度。[0036]本发明的施加时间坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法，可以应用于直接吸收光谱分析方法，也可以应用于激光调制吸收光谱分析方法。
【专利附图】
【附图说明】[0037]图1是应用本发明方法和装置进行气体检测的TDLAS系统框图(实施例1)[0038]I激光器驱动器
[0039]2 二极管激光器
[0040]3信号发生器
[0041]4光电探测器
[0042]5前置放大器
[0043]6锁相放大器
[0044]7AD转换器
[0045]8计算机(嵌入式处理器)
[0046]9、10光准直透镜
[0047]11气体池。
[0048]图2调制信号产生电路框图
[0049]21微控制器
[0050]22程序存储器
[0051]23逻辑电路
[0052]24数字-模拟转换电路
[0053]25数据存储器
[0054]26调制信号输出接口
[0055]27同步解调信号输出接口。
[0056]图3是实施例1的激光调制信号
[0057]①锯齿波信号
[0058]②高频正弦信号
[0059]③积分高斯信号
[0060]④叠加变换后的调制信号。
[0061]图4是应用本发明方法和装置进行气体检测的TDLAS系统框图(实施例2)
[0062]I激光器驱动器
[0063]2 二极管激光器
[0064]3信号发生器
[0065]4光电探测器
[0066]5前置放大器
[0067]7AD转换器
[0068]8计算机(嵌入式处理器)
[0069]9、10光准直透镜。
[0070]图5是实施例2的激光调制信号
[0071]⑤是锯齿波信号
[0072]⑥是积分余弦信号
[0073]⑦是叠加变换后的调制信号。
【具体实施方式】
[0074]本发明是一种基于坐标变换提高可调谐激光光谱分析灵敏度的方法和装置，通过在激光激发阶段施加某种变换，在信号检测处理阶段施加相应的逆变换，以保证光谱数据的完备性、提高数据采集和处理效率，变换函数的特征参数根据气体吸收谱线参数、激光器的调制特性以及激光驱动器的传输特性参数设定。本发明主要用于痕量气体吸收谱线的分析、检测，可以用于气体浓度、温度、压力或流速的测量。
[0075]本发明的技术方案是:
[0076]一种对可调谐激光吸收光谱分析施加坐标变换的方法，即在激光的激发阶段施加某种变换，而在信号的检测处理阶段施加相应的逆变换，所施加变换的作用是保证光谱数据的记录完备性、提高数据采集和处理的效率、提高测量精度或其它好处。
[0077]所施加的变换函数可以是任意有利于光谱数据采集、记录和/或便于运算的函数，比如，高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数(bell shaped curve)等。所施加变换函数的特征参数(幅值a、中心位置b、和宽度c)与气体吸收谱线参数(中心位置λ。、线宽Ym)、锯齿波参数(周期Τ、幅度AVm)以及激光器的调制特性(激光驱动器的电压-电流转换系数α、二极管激光器的电流调谐速率β )等相关。具体如下:
[0078]波形幅值a与施加的调制锯齿波斜率相关，通常情况下可以取为:
[0079]
【权利要求】
1.一种基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法，步骤是:利用非线性调谐方法对激光器的发射波长进行扫描，检测气体对激光的吸收谱线，对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数进行测量，其特征是，激光扫描阶段施加某种非线性变换，在检测气体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换。
2.如权利要求1所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法，其特征是，施加某种变换采用的变换函数包括但不限于高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数中的一种，所施加变换函数的特征参数与气体吸收谱线参数、激光器的调制特性以及激光驱动器的传输特性参数相关。
3.如权利要求2所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法，其特征是，所述传输特性参数相关具体为:所施加变换函数的幅值a、中心位置b、和宽度c特征参数与气体吸收谱线中心位置λ。、线宽Ym参数、锯齿波周期Τ、幅度AVmS数以及包括激光驱动器的电压-电流转换系数α、二极管激光器的电流调谐速率β的激光器的调制特性相关，具体如下: 波形幅值a与施加的调制锯齿波斜率相关,取为:
4.如权利要求1所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法，其特征是，在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的；在光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列做逆坐标变换，得到以波长间隔的光谱数据序列。
5.如权利要求1所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法，其特征是，在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的，变换函数记做G⑴，叠加到注入电流中的信号Q (t)为，
6.一种基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的装置，其特征是，包括:激光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或嵌入式处理器、光准直透镜、气体池，激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体池及设置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器，光电探测器的输出信号经前置放大器、锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器，信号发生器用于产生特定函数的调制信号叠加到二极管激光器的注入电流中，锁相放大器还输出反馈信号到信号发生器。
7.如权利要求5所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的装置，其特征是，信号发生器是基于数字存储方式，由可编程逻辑器件构成的电路或模块，其输出信号包括调制信号、解调信号和同步信号输出。
8.如权利要求5所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的装置，其特征是，信号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储器、调制信号输出接口、同步解调信号输出接口，微控制器按照程序存储器中的程序运行而产生调制信号数据并写入到 数据存储器，微控制器控制逻辑电路产生同步解调信号输出到同步解调信号输出接口，逻辑电路还根据数据存储器中的调制信号数据通过数字-模拟转换电路产生调制信号输出到调制信号输出接口，调制信号由锯齿波、正弦波和变换函数信号叠加而成，同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。
【文档编号】G01N21/39GK103604774SQ201310660930
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】杜振辉, 李金义, 刘翰蔚 申请人:天津大学