一种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烷测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及激光光谱学领域与气体检测技术，特别设及一种基于正弦波调制的高 灵敏度激光甲烧浓度测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 危险气体的检测，已成为现代居民生活、工业生产及国家安全的基本保障。
[0003] 随着半导体激光器的制造工艺的提升及成本的降低，基于半导体激光器的气体吸 收光谱测量技术已成为现代气体检测技术的重点发展方向。该技术利用气体分子对激光光 谱的吸收特性，具有精度高、反应快、抗气体干扰性强及非接触测量等优点。但是在实际应 用中，受测量光路的限制及电路噪声的干扰，激光光谱测量技术要检测极低浓度的气体，如 空气中的甲烧气体，亦非易事。理论上可通过W下途径来提升激光光谱测量技术的测量精 度与灵敏度：
[0004] (1)增加测量光路。但实际测量光路受实际运用空间的限制、激光光强的损耗、光 路稳定性要求等原因，不可能大幅度增大；
[0005] (2)采用单色性更好、线宽更窄的激光器。运样的激光器除了成本的大大增加之 夕h其体积相对往往也会更大。而且对于极低浓度的气体测量，吸收线深度的改进并不大。
[0006] (3)提升电路的信噪比。
[0007] 综上所述，提升电路的信噪比，是最经济、最方便、最直接的途径。除了在硬件上尽 量减少噪声的引入之外，想办法提高信号强度，滤除噪声是技术突破的关键。针对该问题， 本发明专利提出了一种基于正弦波调制的激光甲烧气体检测方法，它采用信号相位平移自 相加方案，能够将信号强度最高提升一倍，并同时消除正弦载波，降低了噪声。
【发明内容】
[000引本发明的目的是提供一种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烧浓度测量装置及 方法，实现极低浓度的甲烧气体测量。
[0009] 本发明采用的技术方案是：
[0010] -种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烧浓度测量装置，其特征在于:包括有半 导体激光器、光电探测器、前置放大电路、滤波放大电路、高速高位AD采集模块、DSP处理器、 DA转换模块和激光驱动模块;DSP处理器的IO端口连接在DA转换模块的控制端口，DA转换模 块的输出端连接激光驱动模块的输入端，激光驱动模块的电流输出端连接半导体激光器的 LD管脚，半导体激光器发射的激光穿过待测气团由光电探测器接收，光电探测器的输出信 号接入低噪声前置放大电路的输入端，低噪声前置放大电路的程控端口与DSP处理器的IO 端口连接，低噪声前置放大电路的信号输出端连接在滤波放大电路的信号输入端，滤波放 大电路的信号输出端与高速高位AD数据采集模块输入端相连，高速高位AD数据采集模块的 数据输出端与控制端与DSP处理器的IO端口相连;DSP处理器通过采用信号相位平移自相加 算法，结合866'-1^311166的吸收定律，利用信号的二次谐波强度和正弦波峰峰值参数，反演计 算出待测甲烧气团的浓度并输出。
[0011] -种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烧浓度测量方法，其特征在于主要包括W 下步骤：
[0012] (1)采用正弦波对半导体激光器进行调制；
[0013] (2)激光穿过待测甲烧气团被光电探测器接收，输出电流信号经低噪声前置放大、 滤波放大与高速高位数据采集处理后，采用信号波形相位平移自相加算法来加强吸收信 号，消除载波影响，降低噪声，提升信噪比；
[0014] (3)采用吸收信号二次谐波强度，反演计算待测甲烧气团浓度。
[0015] 所述的基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烧浓度测量方法，其特征在于:所述的 步骤(1)中的半导体激光器，是采用高位DA产生的正弦波调制信号进行驱动，半导体激光器 中屯、波长在1654.73nm处，波长调制范围完全覆盖此处甲烧气体吸收谱线。
[0016] 所述的基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烧浓度测量方法，其特征在于:所述的 步骤(2)中提到的信号波形相位平移自相加算法，包括W下步骤：
[0017] (1)低噪声前置放大电路采用多级程控方式，使得接收信号幅度值稳定在合适范 围内；
[0018] (2)放大滤波后的电压信号，由高速高位AD采集模块采用并口高速16位W上的AD 采集忍片进行采集，采集同步受控于DSP处理器，实现与DA转换模块输出正弦波完全同步；
[0019] (3)DSP处理器对信号采集数据进行累加后多次平均；
[0020] (4)在一个完整的正弦波周期内，对信号进行-pi/2的数字相位平移，并将其与原 信号进行累加，得到幅度加强的吸收信号，同时去除了正弦载波，降低了本底噪声。
[0021] 所述的基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烧浓度测量方法，其特征在于:所述的 步骤(3)中提到的甲烧气体反演算法，是根据Beer-Lambert吸收定律，利用DSP计算出加强 吸收信号的二次谐波强度，结合正弦波峰峰值参数，反演出目标甲烧气体浓度。
[0022] 该发明不仅仅局限于甲烧气体的检测，通过更换不同波长的半导体激光器，可实 现其他有毒、危险气体的检测。
[0023] 本发明的优点在于：
[0024] 本发明W激光气体吸收光谱技术为本，基于正弦波调制半导体激光器，采用信号 相位平移自相加算法，在有效提升吸收信号强度的同时，去除正弦载波，降低本底噪声，大 大的提升了气体测量的检测灵敏度，有利于极低浓度甲烧气体的检测。
【附图说明】
[0025] 图1为化tran2012数据库甲烧分子在近红外波段的吸收线强图。
[0026] 图2为正弦波调制下甲烧气体吸收图。
[0027] 图3为低浓度下甲烧气体吸收图。
[00%]图4为经过数字滤波后的甲烧气体吸收图。
[0029] 图5为信号相位平移自相加图。
[0030] 图6为加强吸收信号的二次谐波图。
[0031 ]图7为本发明系统方案框图。
[0032]图8为本发明DSP数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0033] 如图7所示，一种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烧浓度测量装置，包括有半导 体激光器1、光电探测器3、前置放大电路4、滤波放大电路5、高速高位AD采集模块6、DSP处理 器7、DA转换模块8和激光驱动模块9; DSP处理器7的IO端口连接在DA转换模块8的控制端口， DA转换模块8的输出端连接激光驱动模块9的输入端，激光驱动模块9的电流输出端连接半 导体激光器1的LD管脚，半导体激光器1发射的激光穿过待测气团2由光电探测器3接收，光 电探测器3的输出信号接入低噪声前置放大电路4的输入端，低噪声前置放大电路4的程控 端口与DSP处理器8的IO端口连接，低噪声前置放大电路4的信号输出端连接在滤波放大电 路5的信号输入端，滤波放大电路5的信号输出端与高速高位AD数据采集模块6输入端相连， 高速高位AD数据采集模块6的数据输出端与控制端与DSP处理器8的IO端口相连;DSP处理器 8通过采用信号相位平移自相加算法，结合866尸1^日11166的吸收定律，利用信号的二次谐波强 度和正弦波峰峰值参数，反演计算出待测甲烧气团的浓度并输出。
[0034] -种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烧浓度测量方法，其特征在于主要包括W 下步骤：
[0035] (1)采用正弦波对半导体激光器1进行调制；
[0036] (2)激光穿过甲烧待测气团2被光电探测器3接收，输出电流信号经低噪声前置放 大、滤波放大与高速高位数据采集处理后，采用信号波形相位平移自相加算法来加强吸收 信号，消除载波影响，降低噪声，提升信噪比；
[0037] (3)采用吸收信号二次谐波强度，反演计算待测甲烧气团浓度。
[0038] 步骤(2)中提到的信号波形相位平移自相加算法，包括W下步骤：
[0039] 1)为了适应激光光强的宽泛变化，低噪声前置放大电路采用多级程控方式，使得 接收信号幅度值稳定在合适范围内；
[0040] 2)放大滤波后的电压信号，由高速高位AD采集模块采用并口高速16位W上的AD采 集忍片进行采集，采集同步受控于DSP处理器，实现与DA转换模块输出正弦波完全同步；
[0041] 3)为降低随机噪声，DSP将对信号采集数据进行累加后多次平均；
[0042] 4)在一个完整的正弦波周期内，对信号进行-pi/2的数字相