基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光光谱学领域中的可调谐半导体激光吸收光谱测量技术，涉及激光 光谱信号处理中信号调制技术及微弱信号处理方法，尤其是一种基于双光谱吸收线和波形 匹配的激光甲烷浓度测量方法。
【背景技术】
[0002] 瓦斯（主要成分：甲烷）突出及爆炸问题已成为煤矿安全的重要威胁，加强对瓦斯 类危险气体的检测，已成为现代煤矿产业安全的基本保障。
[0003] 采用气体分子激光吸收光谱技术实现的气体检测，具有精度高、反应快、抗气体干 扰性强及非接触测量等特征，已成为现代气体检测的重点发展技术。对比目前常用的催化 燃烧式检测技术，气体分子激光光谱吸收技术利用甲烷分子对激光吸收波长的独特性，确 保仪器仅对甲烷气体产生感应检测，杜绝了其他气体对甲烷气体检测的干扰。而且，催化燃 烧式甲烷检测技术在高浓度甲烷测量时，受氧气含量的影响，反而会出现浓度越高测量值 越小的二值性误测问题，气体分子激光光谱吸收技术则从原理上杜绝了这种情况的发生。 另外，由于气体分子激光光谱吸收技术采用的是甲烷分子与激光光子之间的作用效应，其 测量过程的反应速度是其他任何技术都无法比拟的。随着半导体激光器工艺的发展和成本 的降低，气体分子激光光谱吸收技术在气体检测行业中的广泛应用已成为必然趋势。
[0004] 为了提高激光吸收光谱技术应用于气体浓度检测时的灵敏度，往往需要选择较 强的气体吸收线，但是这就形成了最低检测限和量程之间的矛盾。以甲烷气体为例，利用气 体分子激光光谱吸收技术实现高浓度气体检测时，强烈的甲烷气体吸收会使得吸收谱线信 号饱和，造成测量值不能随着浓度的增加继续升高，量程受到限制。为解决问题，在保证测 量精度的同时，提升测量量程范围达到0-100%，设计了一种基于双光谱吸收线波长线性扫 描技术的激光甲烷浓度测量方法。该方法利用邻近双光谱吸收线的线性特性，实现了甲烷 高/低浓度检测算法的自动切换，既确保了甲烷检测时的最低浓度检测限，又保证了高低 浓度甲烷气体的全量程测量。
[0005] 激光光谱测量技术应用过程中另一个难题是光路和电路中无处不在的干扰，常见 情况包括：
[0006] (1)由于测量光路暴露在待测气体环境中，接收光电探测器很容易受到各种环境 光的干扰；
[0007] (2)通过反射或者散射路径回到光电探测器的激光往往非常微弱，光电检测放大 电路中的电噪声对光谱吸收波形的信噪比影响很大；
[0008] (3)有些测量环境，测量过程中反射激光的背景会发生变化，信号突变同样会对吸 收波形造成干扰。
[0009] 这些情况一旦发生，干扰就会改变甚至淹没实际气体吸收信号，导致的结果就是 影响测量结果准确性，在一些有气体浓度报警要求的系统中会出现误报警情况。
[0010] 本发明专利正是针对激光吸收光谱测量中存在的这些问题，采用波形匹配技术， 根据标准吸收波形特征、剔除出现在两条吸收线附近的各种干扰和噪声，从而大大降低激 光吸收光谱技术用于气体浓度测量时的误报率。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提供一种基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方 法，在保证激光甲烷浓度测量最低检测限的同时提高浓度测量范围，解决目前激光气体浓 度测量技术中广泛存在的量程范围和最低检测限难以兼顾的矛盾，同时根据直接吸收波形 特征进行实时波形匹配、解决激光吸收光谱测量过程中光路和电路中的干扰造成误报的问 题。
[0012] 本发明采用的技术方案是：
[0013] -种基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量系统，其特征在于：包括 有半导体激光器、光电探测器，半导体激光器发射的激光穿过待测甲烷气团由光电探测器 接收，光电探测器的信号输出端与高线性度低噪声前置放大电路的信号输入端连接，高线 性度低噪声前置放大电路的信号输出端与带通滤波与放大电路的信号输入端连接，带通滤 波与放大电路的信号输出端与数据采集与处理电路的信号输入端，信号采集与处理电路的 信号输出端一方面与带线性补偿的调制信号生成器的信号输入端连接，带线性补偿的调制 信号生成器的信号输出端与电流驱动电路的信号输入端连接，电流驱动电路的信号输出端 与半导体激光器控制连接；信号采集与处理电路的信号输出端另一方面通过采用与线性补 偿调制信号对应的吸收波形匹配算法和双光谱吸收线浓度反演方法计算出待测甲烷气团 的浓度并输出。
[0014] 一种基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法，其特征在于主要包 括以下步骤：
[0015] (1)采用双光谱吸收线波长线性扫描技术对半导体激光器进行调制，输出波长线 性扫描，扫描范围覆盖两个指定吸收线；
[0016] (2)通过待测甲烷气团的激光经光电探测器接收后进行前置放大、带通滤波放大 和高速采集等处理后，采用吸收波形匹配算法与参考吸收线进行波形匹配，去除各种噪声、 干扰，保留实际吸收线；
[0017] (3)采用双光谱吸收线浓度反演算法对待测甲烷气团浓度进行实时反演。
[0018] 所述的基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法，其特征在于，所 述的步骤（1)中提到的双光谱吸收线波长线性扫描技术，包括以下步骤：
[0019] (1)对半导体激光器进行线性扫描，采集光电转换后的信号，并进行二次多项式拟 合，记录多项式参数；
[0020] (2)根据不同半导体激光器参数，对上一步骤中得到的多项式求反函数，并用此对 激光器调制扫描函数进行线性补偿，产生波长线性扫描所需的调制信号波形数据；
[0021] (3)利用单片机和高位DA产生经过线性补偿的调制信号波形数据，配合温度控制 模块和激光器电流驱动模块驱动半导体激光器进行波长线性扫描，获得稳定的宽谱线波长 扫描激光输出。
[0022] 所述的基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法，其特征在于，所 述的步骤（2)中提到的吸收光谱波形匹配算法，包括以下步骤：
[0023] (1)为了突出吸收波形的特征，用于匹配算法的光谱吸收波形源自于对光电探测 器获取的直接吸收信号进行交流放大和滤波结果；
[0024] (2)利用标准浓度气体获得参考光谱吸收波形，记录该光谱吸收的几个特征，包括 起始值大小、吸收峰位置、吸收谷位置以及峰值谷值比值；
[0025] (3)根据波形匹配要求的严格程度和干扰强弱，设置上述特征的取值区间；
[0026] (4)依次将起始值大小、吸收峰位置、吸收谷位置以及峰值谷值比值与参考光谱吸 收波形进行比较，只要其中一个参数不在所设置的取值区间内，就认定是干扰，同样，只有 以上参数都在取值区间范围内，才判断是真实吸收。
[0027] 所述的基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法，其特征在于，所 述的步骤（1)中提到的双光谱吸收线浓度反演算法，包括以下步骤：
[0028] (1)利用Hitran2008数据库中获取两条相邻且吸收线强相差两个量级左右的甲 烷气体吸收线；
[0029] (2)根据波形匹配和滤波去噪后的直接吸收信号波形特点，选择处理后的两条光 谱吸收线作为浓度反演的依据；
[0030] (3)设置强吸收线峰值饱和门限值，当检测到的峰值大于该值时，认定吸收饱 和；
[0031] (4)优先选择强吸收线用于浓度反演，强吸收线饱和之后改选弱吸收线，从而实现 对激光甲烷气体高/低浓度算法的自动切换；
[0032] (5)根据Beer-Lambert吸收定律，利用检测到的接收光强和直接吸收波形峰峰值 等参数，反演出目标气体浓度。
[0033] 本发明的理论依据在于：
[0034] 本发明利用半导体激光器的波长可调谐性与窄线宽特性，通过电流控制扫描获得 调制的激光光谱；当激光频率与甲烷气体分子振动频率一致时，甲烷分子受激光光子激发 吸收光子产生能级跃迀。根据Beer-Lambert吸收定律，频率为V强度为I。的入射光经过 气体吸收后，其透射光强为：
[0035] K v) = I0(v) exp [-S (T) Φ ( v-v0, T)PxL]
[0036] 其中S(T)为吸收线线强，为温度T的函数，Φ (v-V(]，T)为归一化的吸收线线形 函数，为频率和温度的函数，P为气体总压，X为吸收气体的浓度体积比，L为吸收光程长。
[0037] 当气体总压P、温度T及光程长度L不变时，可将吸收线线形函数Φ ( V - V。，T)作 为常量，其入射光强Ic( V )为已知，透射光强