CN105527247A - 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 - Google Patents

Abstract

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***的检测灵敏度。

Description

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

本发明涉及激光光谱学领域与气体检测技术，特别涉及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。

背景技术

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。

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，如空气中的甲烷气体，亦非易事。理论上可通过以下途径来提升激光光谱测量技术的测量精度与灵敏度：

(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；

(2)采用单色性更好、线宽更窄的激光器。这样的激光器除了成本的大大增加之外，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。

(3)提升电路的信噪比。

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烷气体检测方法，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

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烷浓度测量装置及方法，实现极低浓度的甲烷气体测量。

本发明采用的技术方案是：

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。

一种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。

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。

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。

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)中提到的甲烷气体反演算法，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。

该发明不仅仅局限于甲烷气体的检测，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。

本发明的优点在于：

本发明以***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，有利于极低浓度甲烷气体的检测。

附图说明

图1为Hitran2012数据库甲烷分子在近红外波段的吸收线强图。

图2为正弦波调制下甲烷气体吸收图。

图3为低浓度下甲烷气体吸收图。

图4为经过数字滤波后的甲烷气体吸收图。

图5为信号相位平移自相加图。

图6为加强吸收信号的二次谐波图。

图7为本发明***方案框图。

图8为本发明DSP数据处理流程图。

具体实施方式

如图7所示，一种基于正弦波调制的高灵敏度激光甲烷浓度测量装置，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。

一种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1进行调制；

(2)激光穿过甲烷待测气团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；

(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。

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)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；

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)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；

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。

步骤(3)中提到的甲烷气体反演算法，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。

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。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烷气体在1653.72nm处的吸收线。激光穿过待测甲烷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制，以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采集芯片，还原更真实的信号波形。AD采集芯片与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。

图8给出了DSP处理器对信号的处理流程。高速高位AD芯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烷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，可反推出测量甲烷气体的具体浓度。

本发明的理论依据在于：

根据Hitran2012数据库的查询结果，如附图1所示，甲烷气体在近红外波段，于1653.72nm处的吸收强度最大，故选用1654nm的激光作为检测光源。

由于频率啁啾(chirp)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，经甲烷气体吸收后的波形如图2所示，左右吸收线位置并不对称。对于低浓度的甲烷气体，其吸收线比较微弱，如图3所示。

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。

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。

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。

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。

根据Beer-Lambert吸收定律，入射光I_in(ν)经过气体吸收后，其透射光强为：

I_0ut(ν)＝I_in(ν)exp(-α(ν)CL)

I_0ut(ν)为输出光强，α(ν)为气体吸收系数，是激光频率ν的函数，C为待测气体浓度，L为光程长。当加上频率为ω的调制信号msin(ωt)后，则输出光强为：

I_0ut(ν,t)＝I₀(1+msin(ωt))exp(-α(ν)CL)

在C*L<<1时，上式可近似为：

I_0ut(ν,t)＝I₀(1+msin(ωt)-α(ν)CL)

在一个标准大气压下，可以用洛伦兹曲线来拟合气体分子的吸收谱线形：

$\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&nu;}\right)=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_0}{1+{\left(\frac{\mathrm{\&nu;}-{\mathrm{\&nu;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}}\right)}^2}$

α₀表示纯气体在吸收线中心的吸收系数，ν₀为吸收峰的中心频率，γ为吸收线半宽。故输出光强可近似为：

$I_{0ut}(\mathrm{\&nu;},t)=I_0(1+msin(\mathrm{\&omega;}t)-\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{0}CL}{1+{\left(\frac{\mathrm{\&nu;}-{\mathrm{\&nu;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}}\right)}^2})$

傅里叶级数展开得二次谐波为：

I_2f＝-kα₀CLI₀

由上式可知，二次谐波I_2f光强I₀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，可以有效消除光源波动等干扰的影响。

Claims (5)

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。

2.一种基于权利要求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）中提到的甲烷气体反演算法，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。