本发明属于光学气体检测技术领域，具体涉及一种冷泉气体成分与浓度检测装置及检测方法。
背景技术：
冷泉气体是指以气泡或溶解气体的形式随沉积物孔隙水排入海洋中的混合气体，以甲烷、乙烷等烃类气体和硫化氢、二氧化碳、氢气等为主要成分。
海水中冷泉气体的浓度异常既是圈划天然气水合物发育区的直观、有效手段，同时也是分析水合物成因类型、确定水合物成矿气源的有效途径。这是因为当冷泉气体中含有重烃气体成分时，就意味着区域深层沉积中可能存在常规油气资源。因此，对海水中冷泉气体成分和浓度的准确探测具有重要的资源开发价值。
可调谐二极管激光吸收光谱(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy,tdlas)技术是一种将激光技术应用于吸收光谱测量的气体检测方法。由于其在分辨率、灵敏度和选择性等方面的优势，目前已成为痕量气体快速、在线分析的有效方法之一。
在tdlas技术的实际应用中，为了提高气体检测的精度和灵敏度，通常会在光源处采用高频正弦波调制技术、在信号接收处采用锁相放大和谐波提取技术。这是因为在气体检测，特别是对痕量气体进行检测时，探测器接收到的光强信号相比于大的背景信号来说是很小的，不利于直接测量浓度，而上述技术的引入能够有效地滤除噪声及背景信号干扰，从而分离出有用信号，最终提高信噪比和探测灵敏度。
现有技术中，tdlas技术多用于单一气体成分的浓度测量，当被测气体中含有多种气体成分时，通常需要预知所含气体的种类，并据此配置多套激光器及其气体检测通道，系统构成复杂，通用性较差。此外，对于气体检测器的输出信号，通常采用锁相环进行锁相放大，但是锁相环的反馈控制在痕量气体的弱信号检测方面存在不足，并且相位收敛速度较慢。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明提供一种冷泉气体成分与浓度检测装置，能够实现冷泉气体中多种气体成分的识别以及各气体成分浓度的快速、精确测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种冷泉气体成分与浓度检测装置，用于实现冷泉气体中多种气体成分的识别以及各气体成分浓度的测量；包括信号生成模块、气体成分分析模块、气体浓度检测模块和控制模块；
信号生成模块，用于生成激光器驱动信号、调制信号和锁相放大的本地参考信号；
气体成分分析模块，通过气体吸收峰的提取和比对进行被测气体中气体成分的分析；
气体浓度检测模块，根据气体成分分析的结果采用锁相放大和谐波检测进行气体浓度的反演；
控制模块，用于控制所述信号生成模块的信号发生、控制所述气体成分分析模块中的吸收峰比对、以及控制所述气体浓度检测模块中的相位同步。
进一步地，所述信号生成模块生成激光器驱动信号和线性调频调制信号，用于气体成分分析；所述激光器驱动信号的频率为fd，为锯齿波；所述线性调频调制信号的频段为flfm∈(fl,fh)，为正弦波，并且fl>>fd。
进一步地，所述气体成分分析模块包括气体吸收峰提取器和典型吸收峰样本库；被测气体的吸收峰信息通过所述气体吸收峰提取器被提取后，再和所述典型吸收峰样本库中的典型气体吸收峰进行比对，得到被测气体中的各种气体成分；
所述控制模块对被测气体中的吸收峰信息进行记录并反馈给所述信号生成模块用于定频调制信号，具体为：所述控制模块根据被测气体吸收峰所处频段，控制所述信号生成模块依次生成以被测气体吸收峰所处频段为基频的定频调制信号，以及所述信号生成模块产生用于锁相放大的频率为fr的本地参考信号。
进一步地，所述定频调制信号和所述本地参考信号用于被测气体中各气体成分的浓度检测；
所述定频调制信号和所述本地参考信号采用同一基准时钟；
定频调制信号为正弦波，所述本地参考信号为正弦波或方波。
进一步地，所述气体浓度检测模块包含气体吸收室、气体衰减室、分别和所述气体吸收室及所述气体衰减室连接的光电探测器；
所述定频调制信号连同所述激光器驱动信号对激光器进行调制，所述激光器形成的探测光束分两路分别进入所述气体吸收室和所述气体衰减室，经充分吸收后由所述光电探测器进行信号接收，所述光电探测器的输出信号作为锁相放大的被测信号，所述信号生成模块产生的本地参考信号作为锁相放大的本地信号，通过乘法器和低通滤波进行二次谐波提取，获得被测气体浓度信息。
进一步地，所述光电探测器输出的信号包括两路：第一路输出信号det1直接输出至乘法器，第二输出信号det2经带通滤波后输出至乘法器；
所述本地参考信号包括两路：第一路本地参考信号ref1经移相器i输出至乘法器，第二路本地参考信号ref2依次经移相器i、倍频器和移相器ii输出至乘法器；
将所述第一路输出信号det1和所述第一路本地参考信号ref1配对，所述控制模块根据乘法器低通输出的最优直流分量获得所述移相器i的最终相位值φ；然后将所述第二输出信号det2和所述第二路本地参考信号ref2配对，给所述移相器i赋相位值φ，进行光电探测器输出信号的二次谐波检测；其中，所述本地参考信号和所述定频调制信号同频。
进一步地，所述光电探测器输出的信号包括两路：第一路输出信号det1直接输出至乘法器，第二输出信号det2经带通滤波后输出至乘法器；
所述本地参考信号包括两路：第一路本地参考信号ref1经移相器i输出经分频器后输入至乘法器，第二路本地参考信号ref2依次经移相器i和移相器ii输出至乘法器；
将所述第一路输出信号det1和所述第一路本地参考信号ref1配对，所述控制模块根据乘法器低通输出的最优直流分量获得所述移相器i的最终相位值φ；然后将所述第二输出信号det2和所述第二路本地参考信号ref2配对，给所述移相器i赋相位值φ，进行光电探测器输出信号的二次谐波检测；其中，所述本地参考信号的频率为所述单频调制信号频率的2倍。
进一步地，所述光电探测器输出的两路信号以及两路所述本地参考信号的选择由所述控制模块进行；
所述移相器i最终相位值φ的获取和记录由所述控制模块进行。
进一步地，所述移相器i的相位调节范围为0～π，移相器ii的相位调节为π/2。
一种冷泉气体成分与浓度检测方法，采用所述一种冷泉气体成分与浓度检测装置，所述方法包括气体成分检测步骤以及气体浓度检测步骤；
所述气体成分检测步骤，包括：
信号生成模块产生激光器驱动信号s1和线性调频调制信号s2；所述激光器驱动信号s1用于驱动和调节激光器，频率为fd，为锯齿波；所述线性调频调制信号为正弦波，频率范围为flfm∈(fl,fh)，并且fl>>fd；
经所述激光器驱动信号s1调制后的激光器产生的探测光进入气体吸收室，基于不同成分的气体在不同的频段具有光学吸收特性，被测气体的吸收峰信息通过所述气体成分分析模块中的气体吸收峰提取器提取后，再和所述典型吸收峰样本库中的典型气体吸收进行比对，即可得到被测气体中的气体成分；
所述控制模块用于对被测气体中的吸收峰信息进行记录；
所述气体浓度检测步骤，包括：
所述控制模块根据被测气体吸收峰所处频段，控制所述信号生成模块依次生成以被测气体吸收峰所处频段为基频的定频调制信号s3以及用于锁相放大的频率为fr的本地参考信号s4；所述定频调制信号s3频率为fm，fr＝fm；
所述定频调制信号s3连同所述激光器驱动信号s1对激光器进行调制，所述激光器形成的探测光束分两路分别进入所述气体吸收室和所述气体衰减室，经充分吸收后由所述光电探测器进行信号接收；
所述光电探测器输出两路信号：第一路输出信号det1直接输出至乘法器，第二输出信号det2经带通滤波后输出至乘法器；
所述本地参考信号s4包括：第一路本地参考信号ref1经移相器i输出至乘法器，第二路本地参考信号ref2依次经移相器i、倍频器和移相器ii输出至乘法器；
将所述第一路输出信号det1和所述第一路本地参考信号ref1配对，所述控制模块根据乘法器低通输出的最优直流分量获得所述移相器i的最终相位值φ；然后将所述第二输出信号det2和所述第二路本地参考信号ref2配对，给所述移相器i赋相位值φ，进行光电探测器输出信号的二次谐波检测。
采用本发明所述装置在进行冷泉气体成分与浓度检测过程中，各模块之间协同配合。其中在气体成分分析方面，控制模块控制信号生成模块产生激光器驱动信号s1和线性调频调制信号s2，驱动气体成分分析模块对待测气体中的气体成分进行分析，获得并记录气体成分分析结果；在气体浓度检测方面，控制模块根据气体成分分析结果控制信号生成模块产生驱动信号s1、定频调制信号s3和本地参考信号s4，驱动气体浓度检测模块进行各气体成分的浓度检测。此外，在气体浓度检测时，控制模块对移相器i进行调节，获得并记录锁相相位φ，最终实现各气体成分的浓度检测。
本发明的有益技术效果：
1)本发明所述装置通过可调谐激光器的波长调制，根据不同频段的典型吸收峰获得气体成分信息，并通过改进的锁相放大技术提高气体浓度的检测精度和效率。
2)传统锁相放大技术通常直接对探测信号的二次谐波进行相位同步，但在实际应用中，由于二次谐波的振幅正比于气体浓度，因此对于低浓度气体，一方面，较低的气体光学吸收度会导致二次谐波的振幅趋近于零，进而导致锁相环无有效输入，造成锁相环失效；另一方面，本地参考信号的抖动会在相位同步过程中引入误差。本发明所述装置和方法在锁相放大处理过程中，先通过一次谐波进行相位同步，之后根据获得的同步相位进行二次谐波检测，这种“相位同步+气体检测”的分步处理方式一方面利用较强的一次谐波能够提高同步相位获取的准确性和可靠性，另一方面能够缩短二次谐波的检测时间，降低参考信号抖动引入的检测误差。因此通过本发明所述的锁相放大处理方法，将更加准确可靠的获得锁相相位，并降低参考信号误差对气体检测的影响，进而提高气体检测的灵敏度和精度。
附图说明
图1是本发明实施例1中气体成分及浓度快速检测装置的模块组成示意图；
图2是本发明实施例1中气体成分及浓度快速检测装置的组成示意图；
图3是本发明实施例2中气体成分及浓度快速检测装置的本地参考信号生成示意图；
图4是本发明实施例中气体成分及浓度快速检测方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
针对现有技术中，tdlas技术多用于单一气体成分的浓度测量，当被测气体中含有多种气体成分时，通常需要预知所含气体的种类，并据此配置多套激光器及其气体检测通道，系统构成复杂，通用性较差的技术问题；此外，针对现有技术中气体检测器的输出信号通常采用锁相环进行锁相放大，但是锁相环的反馈控制在痕量气体的弱信号检测方面存在不足，并且相位收敛速度较慢的技术问题。本发明提供以下实施例：
实施例1
一种冷泉气体成分与浓度检测装置，用于实现冷泉气体中多种气体成分的识别以及各气体成分浓度的测量；如图1，2所示，包括信号生成模块、气体成分分析模块、气体浓度检测模块和控制模块；
信号生成模块，用于生成激光器驱动信号、调制信号和锁相放大的本地参考信号；优选地，在实施例中，所述信号生成模块选用信号发生器101。
气体成分分析模块，通过气体吸收峰的提取和比对进行被测气体中气体成分的分析；
气体浓度检测模块，根据气体成分分析的结果采用锁相放大和谐波检测进行气体浓度的反演；
控制模块，用于控制所述信号生成模块的信号发生、所述气体成分分析模块中的吸收峰比对、以及所述气体浓度检测模块中的相位同步。优选地，在实施例中，所述信号生成模块选用控制器106。
在本实施例中，所述信号发生器101和激光器102的信号输入端连接，所述激光器102的信号输出端和气体吸收室103以及气体衰减室107连接，所述气体吸收室103依次和吸收峰提取器104、吸收峰样本室105连接；所述吸收峰提取器104和控制器106连接；所述控制器106和所述信号发生器101连接；
并且，所述气体吸收室103和气体衰减室107分别和光电探测器ⅰ和光电探测器ⅱ连接，所述光电探测器ⅰ和光电探测器ⅱ的信号输出端分为两路，一路和乘法器端口1连接，另一路经过带通滤波110和乘法器端口2连接；
所述信号发生器101移相器i111连接，移相器i111输出端分为两路，一路和乘法器端口4连接；另一路经过倍频器112、移相器ii113后和乘法器端口3连接。
信号发生器101生成激光器驱动信号s1和线性调频调制信号s2，激光器驱动信号s1和线性调频调制信号s2用于驱动和调节激光器102；其中，所述激光器驱动信号为频率为fd的锯齿波，所述线性调频调制信号为频段为flfm∈(fl,fh)的正弦波，并且fl远高于fd。在本实施例中，fd的频率取值范围为20～50hz，fl的频率取值范围为20～50khz。
所述气体成分分析模块包括气体吸收峰提取器104和典型吸收峰样本库105；被测气体的吸收峰信息通过所述气体成分分析模块中的气体吸收峰提取器104提取后，再和所述典型吸收峰样本库105中的典型气体吸收进行比对，即可得到被测气体中的气体成分；
控制器106根据被测气体吸收峰所处频段，控制信号发生器101依次生成以被测气体吸收峰所处频段为基频的定频调制信号s3以及用于锁相放大的频率为fr的本地参考信号s4；所述定频调制信号s3频率为fm，fr＝fm；
所述定频调制信号s3和所述本地参考信号s4用于被测气体中各气体成分的浓度检测；所述定频调制信号s3和所述本地参考信号s4采用同一基准时钟；所述定频调制信号s3为正弦波，所述本地参考信号s4为正弦波或方波，且所述定频调制信号和所述本地参考信号同频。
所述气体浓度检测模块包含气体吸收室103、气体衰减室107、分别和所述气体吸收室及所述气体衰减室连接的光电探测器(包括光电探测器ⅰ和光电探测器ⅱ)；
所述定频调制信号s3连同所述激光器驱动信号s1对激光器进行波长调制，所述激光器形成的探测光束分两路分别进入所述气体吸收室103和所述气体衰减室107，经充分吸收后由所述光电探测器(包括光电探测器ⅰ和光电探测器ⅱ)进行信号接收，所述光电探测器的输出信号作为锁相放大的被测信号，所述信号生成模块产生的本地参考信号作为锁相放大的本地信号，通过乘法器和低通滤波进行二次谐波提取，获得被测气体浓度信息。
为了提高锁相放大的相位同步效率，采用一次谐波进行相位匹配，并以此为基础进行二次谐波检测。具体方法为：
所述光电探测器输出的信号包括两路：第一路输出信号det1直接输出至乘法器，第二输出信号det2经带通滤波后输出至乘法器；
所述本地参考信号包括两路：第一路本地参考信号ref1经移相器i输出至乘法器，第二路本地参考信号ref2依次经移相器i、倍频器和移相器ii输出至乘法器；
将所述第一路输出信号det1经乘法器端口1，将所述第一路本地参考信号ref1通过移相器i111(调相范围0～π)经乘法器端口4分别送入乘法器114，乘法器114输出后经低通滤波115得到直流分量，控制器106通过调节移相器i的相位值获得最优直流输出，并记录此时的相位值φ作为移相器i的调节相位(即所述移相器i的最终相位值φ)；然后将所述第二输出信号det2经带通滤波110(2fm)提取二次谐波并由乘法器端口2送入乘法器，将所述第二路本地参考信号ref2经移相器i加入相位φ后经倍频器(双倍频)112和移相器ii113(移相π/2)后由乘法器端口3送入乘法器，此时乘法器输出经低通滤波即可得到气体浓度信息。
在本实施例中，所述光电探测器输出信号det1和det2以及两路本地参考信号ref1和ref2的选择由所述控制模块进行。
在本实施例中，所述移相器i最终相位值φ的获取和记录由所述控制模块进行。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，唯不同之处在于，如图3所示，本实施例提供另一种本地参考信号s4的生成方法。为便于对探测信号的二次谐波进行检测，信号发生器101生成频率为定频调制信号s3频率2倍的本地参考信号s4，即fr＝2fm。本地参考信号分为两路，一路经移相器i(0～π)和移相器ii(π/2)送入乘法器端口3用于二次谐波检测，另一路经分频器116送入乘法器端口4用于获得最优直流输出时对应的移相器i的相位值。
上述实施例的气体成分及浓度快速检测装置，能够通过相对简便的系统构成实现多种气体成分的检测功能，实用性强；并且，通过改进的锁相放大和谐波检测技术，能够快速、准确的获得各种气体的浓度值，适用于混合气体的快速精确分析检测。
实施例3
本发明实施例提供一种冷泉气体成分与浓度检测方法，采用实施例1所述一种冷泉气体成分与浓度检测装置，所述方法包括气体成分检测步骤以及气体浓度检测步骤，如图4所示；
所述气体成分检测步骤，包括：
信号发生器101产生驱动信号s1和线性调频调制信号s2用于驱动和调节激光器102，其中驱动信号s1为锯齿波信号，频率为fd，线性调频调制信号s2为正弦信号，频率范围为flfm∈(fl,fh)，并且fl远高于fd。在本实施例中，fd的频率取值范围为20～50hz，fl的频率取值范围为20～50khz。经调制后激光器产生的探测光进入气体吸收室103，由于不同成分的气体在不同的频段具有光学吸收特性，因此通过吸收峰提取器104并与吸收峰样本库105中的典型气体吸收进行比对即可得到被测气体中的气体成分。同时，控制器106将对被测气体中的吸收峰信息进行记录。
所述气体浓度检测步骤，包括：
根据调频光束得到的气体成分以及吸收峰所处频段，控制器106对信号发生器101进行控制，依次生成以吸收峰所处频段为基频的定频调制信号s3，定频调制信号s3频率为fm，被测气体中第i中气体成分对应的定频调制信号s3对应的频率为fm＝fai，i为被测气体中气体成分序列数，0≤i≤n，n为被测气体中气体的种类总数；
对于被测气体中每种气体成分均进行如下浓度检测：
将第i种气体成分对应的定频调制信号s3i连同驱动信号s1对激光器102进行调制，开始依次进行各气体成分的浓度检测。激光器形成的探测光束分两路分别进入气体吸收室103和气体衰减室107，经充分吸收后由光电探测器(108和109)进行信号接收。在此分两路进行差分探测的目的是为了提高气体浓度检测的精度。光电探测器的输出信号的二次谐波携带气体浓度信息，对此将采用锁相放大的方式，通过对输出信号进行谐波检测来反演气体浓度。
锁相放大的被测信号为光电探测器的输出信号，将第i种气体成分对应的本地参考信号s4i由信号发生器101生成，频率与定频调制信号s3相同，即fr＝fm，波形为正弦波。在此，为了提高锁相放大的相位同步效率，采用一次谐波进行相位匹配，并以此为基础进行二次谐波检测。具体方法如下：首先，将光电探测器输出信号经乘法器端口1，本地参考信号通过移相器i111(调相范围0～π)经乘法器端口4分别送入乘法器114，乘法器输出后经低通滤波115得到直流分量，控制器106通过调节移相器i的相位值获得最优直流输出，并记录此时的相位值φ作为移相器i的调节相位；其次，将光电探测器的输出信号经带通滤波110(2fm)提取二次谐波，并由乘法器端口2送入乘法器，本地参考信号经移相器i加入相位φ后经倍频器(双倍频)112和移相器ii113(移相π/2)后由乘法器端口3送入乘法器，此时乘法器输出经低通滤波即可得到第i种气体成分对应的气体浓度ci。
不断重复上述步骤，直到被测气体中每种气体成分的浓度被测出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。