CN103604774B - 基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，为提供一种提高可调谐激光吸收光谱检测精度的方法和装置，可以在不增加***硬件开销的情况下，完整的采集、记录谱线的全部信息，从而提高TDLAS***的测量精度，并适合于气体浓度、压力、温度及流速在线（及原位）或离线检测或监测应用。为达到上述目的，本发明的技术方案是：基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的方法，步骤是：检测气体对激光的吸收谱线，对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数进行测量，其中，在激光激发阶段施加某种变换，在检测气体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换。本发明主要应用于气体检测。

Description

基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的方法和装置

技术领域

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，涉及可调谐二极管激光吸收光谱分析的方法和装置，特别是用于痕量气体检测的可调谐二极管激光器的调制方法和装置，本发明可以用于气体浓度、温度、压力或流速的高精度测量，具体讲，涉及基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的方法和装置。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱分析（Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛用于工业流程中的气体监控、环境大气检测以及科学研究等领域。它利用二极管激光器的波长调谐特性，即通过改变二极管激光器的温度或注入电流，改变激光器的输出波长。在波长调谐范围内，检测待测气体的特征吸收光谱，在气体吸收光谱的线形（spectral line profile）中包含有与气体浓度、压力、温度、流速等相关的信息，通过对吸收光谱的线形分析，可以在线测量气体的浓度、温度、压力或流速。

对于高浓度或吸收系数较大的气体，通常采用直接吸收光谱检测方法。直接吸收光谱是检测通过被测气体后光强度随波长的变化，通过对吸收信号的强度分析，由朗伯-比尔(Beer-Lambert)定律计算被测气体的浓度。这种测量方法受光源的光强波动、检测器和放大器噪声、外界干扰等影响，其测量误差较大、灵敏度和精度较低。

为了提高检测灵敏度，通常采用波长调制光谱（Wavelength modulation spectroscopy,WMS）技术。WMS技术对激光做波长扫描和高频调制，经气体吸收后的激光由光电探测器转换为电信号，利用相敏检测（通常使用锁相放大器）技术检测气体吸收光谱的高频调制谐波信号。WMS可以抑制激光强度起伏、***1/f噪声、漂移等各种噪声的影响，极大地提高了信号的信噪比，检测灵敏度比直接吸收光谱分析技术高两个数量级以上。

通常，在激光吸收光谱分析中技术中采用锯齿波对激光波长做线性扫描，这种线性扫描过程中将吸收光谱线形直接传递到检测器，在不同的温度和压力条件下，气体吸收光谱的线形呈现为高斯线形（Gaussian profile）、洛仑兹线形（Lorentzian profile）或福伊特线形（Voigtprofile），要采集完整的线形信息，一方面需要足够多的采样点数，即AD转换器采样率和数据存储器要足够大，这与处理器的速度、运算能力及成本有较大关系，另一方面也需要抑制信号传递通道的寄生幅度干扰、非线性、相位噪声等对谱线线形的干扰。目前采用锯齿波的线性波长扫描技术中，由于受AD采样率以及数据处理速度的限制，对气体吸收谱线大多是欠采样。这影响了光谱信息的准确采集和处理，尤其是存在噪声和干扰时，对测量精度的影响很大。

德国慕尼黑工业大学的J.Chen等人提出一种非线性波长扫描方法，通过使在吸收光谱峰值附近的波长扫描速率为零，以增加对吸收谱峰值的采样点数，并通过数据拟合提高光谱分析的灵敏度。这种方法理论上可以将测量简化、优化，但是，它需要准确获取并保持吸收光谱的峰值相对位置，任何小的温度或注入电流扰动（噪声）都可能将产生较大的影响，这在实践中实现的技术要求高，另外，这种检测方法只记录了气体吸收谱线的线强信息，而丢弃了吸收光谱中的线形信息，只能用于气体浓度的测量，并需要对温度和压力进行补偿。不能用于气体温度、压力及流速的测量。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种提高可调谐激光吸收光谱检测精度的方法和装置。基于本发明的方法和装置，可以在不增加***硬件开销的情况下，完整的采集、记录谱线的全部信息，从而提高TDLAS***的测量精度，并适合于气体浓度、压力、温度及流速在线（及原位）或离线检测或监测应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的方法，步骤是：检测气体对激光的吸收谱线，对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数进行测量，其中，在激光激发阶段施加某种变换，在检测气体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换。

施加某种变换采用的变换函数包括但不限于高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数中的一种，所施加变换函数的特征参数与气体吸收谱线参数、激光器的调制特性以及激光驱动器的传输特性参数相关。

所述传输特性参数相关具体为：所施加变换函数的幅值a、中心位置b、和宽度c特征参数与气体吸收谱线中心位置λ_c、线宽γ_m参数、锯齿波周期T、幅度ΔV_m参数以及包括激光驱动器的电压-电流转换系数α、二极管激光器的电流调谐速率β的激光器的调制特性相关，具体如下：

波形幅值a与施加的调制锯齿波斜率相关，取为：

$a\≤\frac{\mathrm{\Δ}{V}_m}{T}---\left(1\right)$

其中，T是锯齿波周期，单位：ms，ΔV_m是锯齿波的幅度，单位：V；

中心位置b取值为：

b=λ_c(t)=kT （2）

其中，λ_c(t)为谱线的中心位置出现的时刻，k为常数系数且k<1，k取0.5～0.8；

宽度c与待测气体谱线宽度FWHM，γ_m，单位：nm、激光波长调谐范围Δv_m，单位：nm和锯齿波的周期T有关：

$c=\frac{k_1{\mathrm{\&gamma;}}_m}{\mathrm{\&Delta;}{v}_m}T---\left(3\right)$

其中，k₁为经验系数，取值范围为1.1～3，激光波长调谐范围Δv_m与锯齿波幅度关系为

Δν_m=α·β·V_m （4）

α是激光驱动器的电压-电流转换系数，单位：mA/V；β是二极管激光器的电流调谐速率，单位：nm/mA。

在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的；在光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列做逆坐标变换，得到以波长间隔的光谱数据序列。

在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的，变换函数记做G(t)，叠加到注入电流中的信号Q(t)为，

Q(t)=∫G(t)dt （5）

在吸收谱线光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列D_i(t)做逆坐标变换，得到以波长间隔的光谱数据序列D_j(λ)，具体为：

D_j(λ)=D_i(t) （6）

λ_j=λ₀+(iΔV_mf-G(t))αβ （7）

i＝0,1,2,....,INT(S/f)-1

式中，INT()为取整运算，S为数据的采样率，λ₀为锯齿波最小值对应的为激光输出波长，D_i(t)为经AD转换得到的光谱数据序列，即等时间间隔的数据序列；i为一个锯齿波周期内的采样点序号，D_j(λ)为变换后的数据序列，即按照波长间隔的光谱数据序，f为锯齿波的频率，ΔV_m为锯齿波的幅度，α是激光驱动器的电压-电流转换系数，单位：mA/V；β是二极管激光器的电流调谐速率，单位：nm/mA；变换后的光谱数据序列即为不失真的光谱数据，按照公知的方法对光谱线形分析，得到被测气体包括浓度、压力、温度的参量。

一种基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的装置，包括：激光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或嵌入式处理器、光准直透镜、气体池，激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体池及设置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器，光电探测器的输出信号经前置放大器、锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器，信号发生器用于产生特定函数的调制信号叠加到二极管激光器的注入电流中，锁相放大器还输出反馈信号到信号发生器。

其信号发生器是基于数字存储方式，由可编程逻辑器件构成的电路或模块，其输出信号包括幅度调制信号、解调信号和同步信号。

调制信号通过激光器驱动器控制二极管激光器的注入电流，实现对激光波长的扫描和/或高频调制，激光经气体吸收被光电检测器接收及锁相放大器解调，再由计算机对数据做进一步处理。

信号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储器、调制信号输出接口、同步解调信号输出接口，微控制器按照程序存储器中的程序运行而产生调制信号数据并写入到数据存储器，微控制器控制逻辑电路产生同步解调信号输出到同步解调信号输出接口，逻辑电路还根据数据存储器中的调制信号数据通过数字-模拟转换电路产生调制信号输出到调制信号输出接口，调制信号由锯齿波、正弦波和变换函数信号叠加而成，同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。

本发明的技术特点及效果：

可以避免现有方法中丢失光谱信息，实现光谱信息的无失真传递和检测，从而提高光谱反演的精度，并提高光谱分析的灵敏度。

本发明的施加时间坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法，可以应用于直接吸收光谱分析方法，也可以应用于激光调制吸收光谱分析方法。

附图说明

图1是应用本发明方法和装置进行气体检测的TDLAS***框图（实施例1）

1激光器驱动器

2二极管激光器

3信号发生器

4光电探测器

5前置放大器

6锁相放大器

7AD转换器

8计算机（嵌入式处理器）

9、10光准直透镜

11气体池。

图2调制信号产生电路框图

21微控制器

22程序存储器

23逻辑电路

24数字-模拟转换电路

25数据存储器

26调制信号输出接口

27同步解调信号输出接口。

图3是实施例1的激光调制信号

①锯齿波信号

②高频正弦信号

③积分高斯信号

④叠加变换后的调制信号。

图4是应用本发明方法和装置进行气体检测的TDLAS***框图（实施例2）

1激光器驱动器

2二极管激光器

3信号发生器

4光电探测器

5前置放大器

7AD转换器

8计算机（嵌入式处理器）

9、10光准直透镜。

图5是实施例2的激光调制信号

⑤是锯齿波信号

⑥是积分余弦信号

⑦是叠加变换后的调制信号。

具体实施方式

本发明是一种基于坐标变换提高可调谐激光光谱分析灵敏度的方法和装置，通过在激光激发阶段施加某种变换，在信号检测处理阶段施加相应的逆变换，以保证光谱数据的完备性、提高数据采集和处理效率，变换函数的特征参数根据气体吸收谱线参数、激光器的调制特性以及激光驱动器的传输特性参数设定。本发明主要用于痕量气体吸收谱线的分析、检测，可以用于气体浓度、温度、压力或流速的测量。

本发明的技术方案是：

一种对可调谐激光吸收光谱分析施加坐标变换的方法，即在激光的激发阶段施加某种变换，而在信号的检测处理阶段施加相应的逆变换，所施加变换的作用是保证光谱数据的记录完备性、提高数据采集和处理的效率、提高测量精度或其它好处。

所施加的变换函数可以是任意有利于光谱数据采集、记录和/或便于运算的函数，比如，高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数（bell shaped curve）等。所施加变换函数的特征参数（幅值a、中心位置b、和宽度c）与气体吸收谱线参数（中心位置λ_c、线宽γ_m）、锯齿波参数（周期T、幅度ΔV_m）以及激光器的调制特性（激光驱动器的电压-电流转换系数α、二极管激光器的电流调谐速率β）等相关。具体如下：

波形幅值a与施加的调制锯齿波斜率相关，通常情况下可以取为：

$a\&le;\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_m}{T}---\left(8\right)$

其中，T是锯齿波周期（单位：ms），ΔV_m是锯齿波的幅度（单位：V）。

中心位置b取值为：

b=λ_c(t)=kT （9）

其中，λ_c(t)为谱线的中心位置出现的时刻，k为常数系数且k<1，一般k取0.5～0.8。

宽度c与待测气体谱线宽度（FWHM）γ_m（单位：nm）、激光波长调谐范围Δv_m（单位：nm）和锯齿波的周期T有关：

$c=\frac{k_1{\mathrm{\&gamma;}}_m}{\mathrm{\&Delta;}{v}_m}T---\left(10\right)$

其中，k₁为经验系数，取值范围一般为1.1～3。激光波长调谐范围Δv_m与锯齿波幅度关系为

Δν_m=α·β·V_m （11）

α是激光驱动器的电压-电流转换系数（单位：mA/V）；β是二极管激光器的电流调谐速率（单位：nm/mA）。

本发明所施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法，在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的，变换函数记做G(t)，叠加到注入电流中的信号Q(t)为，

Q(t)=∫G(t)dt （12）

本发明施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法，在光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列D_i(t)做逆坐标变换，得到以波长间隔的光谱数据序列D_j(λ)。具体为：

D_j(λ)=D_i(t) （13）

λ_j=λ₀+(iΔV_mf-G(t))αβ （14）

i＝0,1,2,....,INT(S/f)-1

式中，INT()为取整运算，S为数据的采样率，λ₀为锯齿波最小值对应的为激光输出波长，D_i(t)为经AD转换得到的光谱数据序列，即等时间间隔的数据序列；D_j(λ)为变换后的数据序列，即按照波长间隔的光谱数据序。f为锯齿波的频率，ΔV_m为锯齿波的幅度。α是激光驱动器的电压-电流转换系数（单位：mA/V）；β是二极管激光器的电流调谐速率（单位：nm/mA）。变换后的光谱数据序列即为不失真的光谱数据。据此，按照公知的方法对光谱线形分析，得到被测气体的浓度、压力、温度等参量。

所述施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析装置，其具体实现方法是，包括激光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机（或嵌入式处理器）、气体池等部分。信号发生器产生本发明必须的调制（和/或调谐）信号。可以使用商品化的信号发生器及其软件编辑任意波形信号，通过信号发生模块输出特定的调制信号，还可以采用专门设计的信号发生电路板，基于数字存储方式，由可编程逻辑器件（FPGA和/或CPLD）构成的电路（模块），其输出信号包括幅度调制信号用于激光器注入电流的调制，还包括解调信号输出用于锁相检测所需要的参考信号，还包括同步信号输出用于数据采集或处理。

调制信号通过激光器驱动器控制二极管激光器的注入电流，实现对激光波长的扫描和/或高频调制，激光经气体吸收被光电检测器接收及锁相放大器解调，再由计算机对数据做进一步处理，依据公知的方法，得到气体的浓度、温度、压力以及流速等参量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：可以避免现有方法中丢失光谱信息，实现光谱信息的无失真传递和检测，从而提高光谱反演的精度，并提高光谱分析的灵敏度。

本发明的施加时间坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法，可以应用于直接吸收光谱分析方法，也可以应用于激光调制吸收光谱分析方法，

下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式：

实施例1：（高斯函数的调制吸收方式）

下面以分析水分子的吸收谱线1395.514nm为例，说明施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法和装置。查阅HITRAN数据库，可以得到该谱线的吸收线强为5.93×10^-21cm/molecule，谱线宽度为0.0505nm。

本发明施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析装置，包括激光器驱动器1、二极管激光器2、信号发生器3、光电探测器4、前置放大器5、锁相放大器6、AD转换器7、计算机（或嵌入式处理器）8、光准直透镜9和10；气体池11等部分，其构成原理如图1所示。其中二极管激光器、锁相放大器、气体池、计算机可以采用商品化的仪器或模块。

信号发生器可以采用支持编程模式的任意函数发生器或者采用专门设计的信号发生电路（模块），本实施例中使用的是专门设计的信号发生电路模块，其电路原理框图如图2所示，由微控制器21、程序存储器22、逻辑电路23、数字-模拟转换电路24、数据存储器25、调制信号输出接口26、同步解调信号输出接口27等部分组成，信号发生器产生测量***需要的调制信号、解调信号和同步信号。

其中调制信号由锯齿波、正弦波和变换函数信号叠加而成。锯齿波和正弦信号的参数与谱线宽度、激光器调谐特性、激光驱动器的电压-电流转换系数相关，可以按照目前公知的方法确定，本实施例中锯齿波的频率为1kHz、幅度700mV；正弦信号频率100kHz、幅度100mV。解调信号为频率200kHz、幅度5V的方波（或正弦）信号。同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。变换函数是任意有利于光谱数据采集、记录和/或便于运算的函数，如高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数等，本实施例中采用高斯函数，其表达式：

$G\left(t\right)={\mathrm{ae}}^{-{(t-b)}^2/2c^2}---\left(15\right)$

式中：参数a、b、c分别是高斯曲线的高度（峰值）、中心位置和宽度，这三个参数a、b、

c是高斯函数的特征参数。

高斯函数特征参数的确定方法为，高斯信号波形叠加在待测气体吸收谱线附近，即高斯曲线波形的中心位置与待测气体的吸收光谱峰值（波长）相重合，通常取为锯齿波周期T的（1/3～2/3）附近，本实施例中，锯齿波周期T＝1ms，高斯曲线波形的中心位置取值为：

b=0.6T=0.6ms （16）

高斯曲线波形宽度c与待测气体谱线宽度（FWHM）γ_m（单位：nm）、激光波长调谐范围Δv_m（单位：nm）和锯齿波的周期有关，高斯曲线波形宽度c为：

$c=\frac{k_1{\mathrm{\&gamma;}}_m}{\mathrm{\&Delta;}{v}_m}T---\left(17\right)$

其中，k₁为经验系数，取值范围一般为1.1～3。本实施例中，k₁＝1.6，Δv_m＝0.3nm，计算得到高斯曲线波形宽度c=0.27ms。

高斯曲线波形高度a与施加的调制锯齿波斜率相关，通常情况下可以取为：

$a\&le;\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_m}{T}---\left(18\right)$

其中，T是锯齿波周期（单位：ms），ΔV_m是锯齿波的幅度（单位：V）。本实施例中，高斯曲线波形高度a＝0.65mV。

由此，得到高斯变换的函数表达式：

$G\left(t\right)={-0.65e}^{-{(t-0.6)}^2/0.115}---\left(19\right)$

对式（19）做积分，得到给调制信号中叠加的变换波形。本发明的调制信号是由锯齿波信号、高频正弦信号和积分高斯曲线叠加而成，如图3所示。是通过专门的信号发生器电路产生的。

在光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列D_i(t)做逆坐标变换，依据前述式（5）和（6）进行，得到以波长间隔的光谱数据序列D_j(λ)。具体为：

λ_j=λ₀+5(0.7i-G(t))×10^-4(nm) （20）

i＝0,1,2,....,INT(S/f)-1

由此得到了没有失真的光谱数据，根据公知的基于吸收谱线的浓度反演方法，计算水分子准确的浓度。

实施例2：（余弦直接吸收方式）

下面仍以分析水分子的吸收谱线1395.514nm为例，说明施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法和装置。本发明施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析装置，包括激光器驱动器1、二极管激光器2、信号发生器3、光电探测器4、前置放大器5、AD转换器7、计算机（或嵌入式处理器）8、光准直透镜9和10等部分，其构成原理如图4所示。其中二极管激光器、计算机可以采用商品化的仪器或模块。

信号发生器可以采用支持编程模式的任意函数发生器，或者采用专门设计的信号发生电路（模块），本实施例中使用的是专门设计的信号发生电路模块，其电路原理框图如图2所示，由微控制器21、程序存储器22、逻辑电路23、数字-模拟转换电路24、数据存储器25、调制信号输出接口26、同步解调信号输出接口27等部分组成，信号发生器产生测量***需要的调制信号和同步信号。

其中调制信号由锯齿波和变换函数信号组成，锯齿波的参数与谱线宽度、激光器调谐特性、激光驱动器的电压-电流转换系数相关，可以按照目前公知的方法确定，本实施例中锯齿波的频率为1kHz、幅度700mV。同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。

所述在激光激发阶段施加的变换是通过在信号发生器中叠加需要的波形，本实施例中采用余弦函数，其表达式：

$G\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<(b-c/2)\\ \frac{a}{2}[\cos (2\mathrm{\&pi;}\frac{t-b}{c}+\mathrm{\&pi;})-1]& (b-c/2)\&le;t\&le;(b+c-/2)\\ 0& t>(b+c/2)\end{array}\right.---\left(21\right)$

式中：参数a、b、c分别是余弦曲线的高度（峰值）、中心位置和宽度，这三个参数a、b、

c是余弦函数的特征参数。

余弦函数特征参数的确定方法为，信号波形叠加在待测气体吸收谱线附近，即曲线波形的中心位置与待测气体的吸收光谱峰值（波长）相重合，通常取为锯齿波周期T的（1/3～2/3）附近，本实施例中，锯齿波周期T＝1ms，曲线波形的中心位置按照式（2）取值为b=0.6ms。

余弦曲线波形全宽度c与待测气体谱线宽度（FWHM）γ_m（单位：nm）和设定的激光波长调谐范围Δv_m（单位：nm）有关。按照式（3），经验系数k₁＝2，Δv_m＝0.3nm，计算得到曲线波形宽度c=0.34ms。

曲线波形高度a与施加的调制锯齿波斜率相关，按照式（1），本实施例中，余弦曲线波形高度a＝0.65mV。

由此，得到余弦变换的函数表达式：

$G\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0.43\mathrm{ms}\\ 0.12[\cos (5.88\mathrm{\&pi;t}-2.53\mathrm{\&pi;})-1]& 0.43\mathrm{ms}\&le;t\&le;0.77\mathrm{ms}\\ 0& t>0.77\mathrm{ms}\end{array}\right.---\left(22\right)$

对式（22）做积分，得到给调制信号中叠加的变换波形。本发明的调制信号是由锯齿波信号和积分余弦曲线叠加而成，如图5所示。是通过专门的信号发生器电路产生的。

在光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列D_i(t)做逆坐标变换，依据前述式（5）和（6）进行，得到以波长间隔的光谱数据序列D_j(λ)。具体为：

λ_j=λ₀+5(0.7i-G(t))×10^-4(nm) （23）

i＝0,1,2,….,INT(S/f)-1

由此得到了没有失真的光谱数据，根据公知的基于吸收谱线的浓度反演方法，计算水分子准确的浓度。

Claims (5)

1.一种基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的方法，步骤是：利用非线性调谐方法对激光器的发射波长进行扫描，检测气体对激光的吸收谱线，对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数进行测量，其特征是，激光扫描阶段施加某种非线性变换，在检测气体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换；施加某种变换采用的变换函数包括高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数中的一种，所施加变换函数的特征参数与气体吸收谱线参数、激光器的调制特性以及激光驱动器的传输特性参数相关具体为：所施加变换函数的幅值a、中心位置b、和宽度c特征参数与气体吸收谱线中心位置λ_c、线宽γ_m参数、锯齿波周期T、幅度ΔV_m参数以及包括激光驱动器的电压-电流转换系数α、二极管激光器的电流调谐速率β的激光器的调制特性相关，具体如下：

波形幅值a与施加的调制锯齿波斜率相关，取为：

$a\&le;\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_m}{T}---\left(1\right)$

其中，T是锯齿波周期，单位：ms，ΔV_m是锯齿波的幅度，单位：V；

中心位置b取值为：

b＝λ_c(t)＝kT (2)

其中，t为谱线的中心位置出现的时刻，k为常数系数且k取0.5～0.8；

宽度c与待测气体谱线宽度FWHM，γ_m，单位：nm、激光波长调谐范围Δv_m，单位：nm和锯齿波的周期T有关：

$c=\frac{k_1{\mathrm{\&gamma;}}_m}{{\mathrm{\&Delta;v}}_m}T---\left(3\right)$

其中，k₁为经验系数，取值范围为1.1～3，激光波长调谐范围Δv_m与锯齿波幅度关系为

Δν_m＝α·β·V_m (4)

α是激光驱动器的电压-电流转换系数，单位：mA/V；β是二极管激光器的电流调谐速率，单位：nm/mA。

2.如权利要求1所述的基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的方法，其特征是，在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的；在光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列做逆坐标变换，得到以波长间隔的光谱数据序列；在激光激发阶段施加的变换，是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的，变换函数记做G(t)，叠加到注入电流中的信号Q(t)为，

Q(t)＝∫G(t)dt (5)

在吸收谱线光谱数据处理环节，对采集的光谱数据序列D_i(t)做逆坐标变换，得到以波长间隔的光谱数据序列D_j(λ)，具体为：

D_j(λ)＝D_i(t) (6)

λ_j＝λ₀+(iΔV_mf-G(t))αβ (7)

i＝0,1,2,....,INT(S/f)-1

式中，INT( )为取整运算，S为数据的采样率，λ₀为锯齿波最小值对应的为激光输出波长，D_i(t)为经AD转换得到的光谱数据序列，即等时间间隔的数据序列；i为一个锯齿波周期内的采样点序号，D_j(λ)为变换后的数据序列，即按照波长间隔的光谱数据序，f为锯齿波的频率，ΔV_m为锯齿波的幅度；变换后的光谱数据序列即为不失真的光谱数据，按照公知的方法对光谱线形分析，得到被测气体包括浓度、压力、温度的参量。

3.一种基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的装置，其特征是，包括：激光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或嵌入式处理器、光准直透镜、气体池，激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体池及设置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器，光电探测器的输出信号经前置放大器、锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器，信号发生器用于产生特定函数的调制信号叠加到二极管激光器的注入电流中，锁相放大器还输出反馈信号到信号发生器；调制信号包括高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数中的一种。

4.如权利要求3所述的基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的装置，其特征是，信号发生器是基于数字存储方式，由可编程逻辑器件构成的模块，其输出信号包括调制信号、解调信号和同步信号输出。

5.如权利要求3所述的基于非线性调谐提高***体分析灵敏度的装置，其特征是，信号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储器、调制信号输出接口、同步解调信号输出接口，微控制器按照程序存储器中的程序运行而产生调制信号数据并写入到数据存储器，微控制器控制逻辑电路产生同步解调信号输出到同步解调信号输出接口，逻辑电路还根据数据存储器中的调制信号数据通过数字-模拟转换电路产生调制信号输出到调制信号输出接口，调制信号由锯齿波、正弦波和变换函数信号叠加而成，同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。