一种消除光强抖动对激光气体遥测影响的方法

1.本发明属于激光光谱技术领域，主要是获得一种消除光强抖动对激光气体遥测影响的方法。


背景技术：

2.痕量气体检测在环境检测、工业生产、生物医学、精细农业、国防安全、温室气体减排等领域都有重要需求。特别的，在甲烷传输管道、危险气体运输等领域需要对痕量气体进行远距离遥感测量。
3.激光吸收光谱技术是一种新型的痕量气体检测技术，具有实时在线、高灵敏、高分辨、非入侵等优点，基于该技术开发的激光遥感气体传感器已得到广泛应用。
4.波长调制光谱技术(wms)是一种激光吸收光谱技术，其通过高频调制激光波长从而抑制低频噪声的影响，具有抗干扰能力强、受环境影响小等优势，可以获得比直接吸收光谱技术更高的探测灵敏度。
5.当wms应用于气体遥感测量时会存在一个问题：在遥感测量中，激光会照射在不同的物体表面，照射角度随机变化，这会导致探测窗口接受到的光强存在很大的起伏，从而造成浓度反演的误差，严重影响遥感设备的性能。


技术实现要素：

6.针对目前遥感测量误差误差影响遥感设备性能的问题，本发明提供了一种消除光强抖动对激光气体遥测影响的方法。
7.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
8.一种消除光强抖动对激光气体遥测影响的方法，由函数发生器产生的两个信号，经过加法器后接入激光驱动器，再控制激光器电流，使出射的激光通过准直镜出射，照射到反射面后返回并被收光系统收集，然后被探测器采集；将探测器输出的信号送入单片机系统进行处理，对信号进行解调获得解调信号，同时提取光强调制幅度信号，两个信号相除得到归一化的波长调制信号，对信号进行拟合获得浓度信息，消除光强抖动。
9.进一步，函数发生器产生一个三角波信号和一个正弦波信号，通过加法器将两个信号相加，然后送入激光驱动器，从而改变激光器电流，同时扫描和调制激光频率，得到的激光频率v表示为：
[0010][0011]
其中，为激光中心频率，a为调制深度，f为调制频率，t为时间；
[0012]
对于激光驱动器，对电流调谐的同时会引起激光光强的变化，激光出射光强i0表示为：
[0013][0014]
其中，为中心光强，ia为调制系数，φ为光强调制相对于频率调制的相位差；
[0015]
当激光通过被测气体，由于气体的吸收，透射光强将会衰减，经过反射面反射到达探测器的光强i
t
表示为：
[0016]it
(t)＝rio(t)e-α(v)
＝ri0(t)(1-α(v))
ꢀꢀꢀ
(3)
[0017]
其中，r为反射面引起的光强损耗，α为吸收系数；吸收系数表示为：
[0018][0019]
其中hk为吸收系数的傅里叶展开系数；
[0020]
在波长调制光谱技术中，通常使用一个和调制信号同频的参考信号对透射探测器输出信号进行解调，得到的解调信号x
2f
表示为：
[0021][0022]
其中g为增益系数，ψ表示解调相位；根据对解调信号x
2f
进行线型拟合或寻找解调信号x
2f
的峰值反演气体浓度；
[0023]
当激光频率远离气体吸收线时，α(v)＝0，此时将公式(3)调整为：
[0024][0025]
从公式(3)中可以看出无吸收波段的调制光强的幅度为截取探测器测量的一段光强信号，求该段信号的峰峰值，就等于2a；或者利用该值对x
2f
进行归一化处理，得到结果为
[0026][0027]
消除由于反射面不同以及反射角度变化引起的光强抖动。
[0028]
进一步，所述截取探测器测量的一段光强信号的时间长度等于调制周期，即1/f。
[0029]
与现有技术相比本发明具有以下优点：
[0030]
本发明技术提供了一种消除光强抖动对激光气体遥测影响的方法，通过截取探测光强的一段信号，通过寻找其峰峰值可以获得光强起伏系数，利用该系数可以消除光强起伏对wms的影响。本发明技术简单、便捷，算法不需要消耗很大的硬件和软件成本，因此非常适合应用于基于单片机的激光遥感仪。
附图说明
[0031]
图1是本方法的装置示意图。
具体实施方式
[0032]
实施例1
[0033]
如图1所示，由函数发生器产生的32hz的慢扫信号和10khz的调制信号经过加法器后接入激光驱动器，改变激光器电流，从而调谐激光器的波长。同时函数发生器还会输出一路参考信号给单片机系统。dfb激光器输出光经过一个准直镜出射，经过一个反射面(该反
射面可以是墙面、地面、气体传输管道、车辆外壳等)的反射后，被收光系统探测，然后送入探测器，探测器的输出信号送入单片机系统。
[0034]
在单片机中，首先使用参考信号对探测器信号进行解调，获得波长调制光谱信号。此外，提取出一段时间(时间长度等于调制周期)的探测器信号，获得光强调制峰峰值。利用波长调制光谱信号除以光强调制峰峰值，获得归一化后的波长调制光谱信号，对该信号进行光谱拟合或者求取其峰值就可以用于反演气体浓度。
[0035]
具体如下：
[0036]
函数发生器产生一个三角波信号和一个正弦波信号，通过加法器将两个信号相加，然后送入激光驱动器，从而改变激光器电流，同时扫描和调制激光频率，得到的激光频率v表示为：
[0037][0038]
其中，为激光中心频率，a为调制深度，f为调制频率，t为时间；
[0039]
对于激光驱动器，对电流调谐的同时会引起激光光强的变化，激光出射光强i0表示为：
[0040][0041]
其中，为中心光强，ia为调制系数，φ为光强调制相对于频率调制的相位差；
[0042]
当激光通过被测气体，由于气体的吸收，透射光强将会衰减，经过反射面反射到达探测器的光强i
t
表示为：
[0043]it
(t)＝ri0(t)e-α(
v)＝r
i0
(t)(1-α(v))
ꢀꢀꢀ
(3)
[0044]
其中，r为反射面引起的光强损耗，α为吸收系数；吸收系数表示为：
[0045][0046]
其中hk为吸收系数的傅里叶展开系数；
[0047]
在波长调制光谱技术wms中，通常使用一个和调制信号同频的参考信号对透射探测器输出信号进行解调，得到的解调信号x
2f
表示为：
[0048][0049]
其中g为由于探测器放大、调制过程等引起的增益系数，ψ表示解调相位；根据对解调信号x
2f
进行线型拟合或寻找解调信号x
2f
的峰值反演气体浓度；
[0050]
在遥感测量中，由于激光打在不同的反射面上，并且反射角度不同，导致r存在很大的起伏变化，会引起浓度反演值的误差。
[0051]
当激光频率远离气体吸收线时，α(v)＝0，此时将公式(3)调整为：
[0052][0053]
从公式(3)中可以看出无吸收波段的调制光强的幅度为截取探测器
测量的光强信号的一段(时间长度等于调制周期，也就是1/f)，求该段信号的峰峰值，就等于2a；或者利用该值对x
2f
进行归一化处理，得到结果为
[0054][0055]
从结果可以看出经过归一化处理的信号可以消除r因子，因此可以消除由于反射面不同以及反射角度变化引起的光强抖动。
[0056]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。