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。
[0043] 步骤(3)中提到的甲烧气体反演算法，是根据866'-1^曰11166的吸收定律，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。
[0044] 图7中，半导体激光器1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。激光电流驱 动的正弦波输入信号由DA转换模块8转换得到。DSP控制DA输出正弦波的调制频率、调制幅 度与直流偏置，实现对激光器输出波长的连续调制。波长调制范围要求覆盖甲烧气体在 1653.72nm处的吸收线。激光穿过待测甲烧气团被光电探测器接收，输出电流信号接入低噪 声前置放大电路。为了适应激光光强的大幅度变化，低噪声前置放大电路采用程控反馈控 审IJ，W满足不同光强条件下的气体测量。DSP根据采集正弦波的峰峰值大小，计算出前置放 大电路所需设置的反馈电阻值，实现输出电压信号的稳定输出。根据采样定理，为了获取更 多更精细的采样点，采用高速高位AD采集忍片，还原更真实的信号波形。AD采集忍片与DSP 处理器采用数据并口传输，AD采集频率与同步受控于DSP,实现DA输出与AD采集的完全同 步。
[0045] 图8给出了 DSP处理器对信号的处理流程。高速高位AD忍片将采集数据通过并口传 输给DSP处理器，DSP处理器对信号进行多个周期累加平均，去除随机噪声。取信号一个完整 周期数据，对其相位平移PI并存储数据。将信号平移后的数据与原信号数据进行累加，得到 加强的吸收信号，并去除了正弦载波背景。利用FFT变换计算出加强信号的二次谐波强度， 将它比上正弦波的峰峰值，有效去除光强抖动对测量的影响，其得到的结果值与甲烧气体 浓度成线性关系。结合标准浓度气体对比值结果的定标值，可反推出测量甲烧气体的具体 浓度。
[0046] 本发明的理论依据在于：
[0047] 根据化tran2012数据库的查询结果，如附图1所示，甲烧气体在近红外波段，于 1653.72nm处的吸收强度最大，故选用1654nm的激光作为检测光源。
[0048] 由于频率调嗽khirp)现象，半导体激光器在每一个正弦波调制周期内，输出频率 会产生周期性偏移，经甲烧气体吸收后的波形如图2所示，左右吸收线位置并不对称。对于 低浓度的甲烧气体，其吸收线比较微弱，如图3所示。
[0049] 采用高速高位的AD进行数据采集，获取更真实的信号细节，如图4所示。采集多个 信号周期，累加平均去除随机噪声。
[0050] 利用正弦波完全对称的特性，将信号的相位平移PI，再与自身进行叠加。通过调节 激光的波长到合适位置，使得叠加后的吸收线重合，结果如图5所示，此时其吸收深度最多 可增加一倍，而正弦载波被滤除，信噪比得到较大提升。
[0051] 激光器的正弦波调制采用DA控制输出正弦波，通过AD采集叠加结果，DSP自动反馈 控制调节激光器的波长位置。
[0052] 利用DSP的离散傅里叶变换，计算出叠加信号的二次谐波，如图6所示，将其比上正 弦波幅度值，结合定标值，既可推算出待测气体的浓度值。
[0053] 根据Beer-Lambeパ吸收定律，入射光Iin(V)经过气体吸收后，其透射光强为：
[0054] Iout(V) = Iin(v)exp(-a(v)CL)
[0055] Iout(V)为输出光强，a(v)为气体吸收系数，是激光频率V的函数，C为待测气体浓 度，L为光程长。当加上频率为CO的调制信号msin( cot)后，则输出光强为：
[0056] I〇ut(v,t) = Io(l+msin( ?t))e邱（-a(v)CL)
[0化7] 在C*L?1时，上式可近似为：
[005引 I0ut(v,t) = Io(l+msin( W t)-a(v)CL)
[0059]在一个标准大气压下，可W用洛伦兹曲线来拟合气体分子的吸收谱线形：
[0061 ] a〇表示纯气体在吸收线中屯、的吸收系数，Vo为吸收峰的中屯、频率，丫为吸收线半 宽。故输出光强可近似为：
[0063] 傅里叶级数展开得二次谐波为：
[0064] l2f = -ka〇CLIo
[0065] 由上式可知，二次谐波l2f光强Io的比值与气体浓度信息成比例关系，与光源的输 出功率无关，可W有效消除光源波动等干扰的影响。
【主权项】
1. 一种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烷浓度测量装置，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10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10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10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Beer-Lambert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 出待测甲烷气团的浓度并输出。2. -种基于权利要求1所述装置的基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烷浓度测量方 法，其特征在于主要包括以下步骤： (1) 采用正弦波对半导体激光器进行调制； (2) 激光穿过待测甲烷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； (3) 采用吸收信号二次谐波强度，反演计算待测甲烷气团浓度。3. 根据权利要求2所述的基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烷浓度测量方法，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， 半导体激光器中心波长在1654.73nm处，波长调制范围完全覆盖此处甲烷气体吸收谱线。4. 根据权利要求2所述的基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烷浓度测量方法，其特征 在于:所述的步骤(2)中提到的信号波形相位平移自相加算法，包括以下步骤： (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； (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位以上的AD采集 芯片进行采集，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； (3) DSP处理器对信号采集数据进行累加后多次平均； (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。5. 根据权利要求2所述的基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烷浓度测量方法，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，反演出目标甲烷气体浓度。
【专利摘要】本发明公开了一种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烷浓度测量装置及方法，通过对半导体激光器波长进行正弦波调制，利用低噪声前置放大电路将光电流信号转换低噪声的电压信号，并进行滤波放大处理，随后采用高速高位的ADC对信号进行低失真数据采集，重点运用DSP处理器对信号进行相位平移自相加算法，在提升吸收信号幅度的同时，消除正弦波载波的影响，最后通过FFT变换得到的二次谐波强度，结合正弦波峰峰值等参数反演计算出甲烷气体浓度。本发明在不增加硬件成本的基础上，通过算法大大提升了激光甲烷气体检测系统的检测灵敏度。
【IPC分类】G01N21/39
【公开号】CN105527247
【申请号】CN201510885606
【发明人】李幼安, 宁小玲
【申请人】安徽中科瀚海光电技术发展有限公司
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年12月1日