基于激光吸收光譜技術(shù)的CO2痕量檢測(cè)及調(diào)制參數(shù)的優(yōu)化

趙鵬，孫偉，付明艷，孫曄，周吉軍，李野

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.白城兵器試驗(yàn)中心，白城 137001）

痕量氣體檢測(cè)技術(shù)主要采用化學(xué)法和光譜法?；瘜W(xué)法檢測(cè)精度高，能獲得很低的檢測(cè)限，但是處理過(guò)程復(fù)雜，檢測(cè)周期長(zhǎng)，而且必須氣體采樣才能實(shí)現(xiàn)定量分析，所以不能實(shí)現(xiàn)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光譜法依賴(lài)于光譜分析技術(shù)，模型的普適性是影響檢測(cè)精度的重要因素，很難建立一種適用于氣體檢測(cè)設(shè)備中的通用模型。

近年來(lái)，具有窄線(xiàn)寬優(yōu)點(diǎn)的分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFB LD）技術(shù)日益成熟，極大地促進(jìn)了可調(diào)諧激光二極管吸收光譜技術(shù)（TDLAS）的發(fā)展，現(xiàn)已能夠制作出中心波長(zhǎng)為3000nm的DFB LD，覆蓋了整個(gè)近紅外波段。采用DFB LD的TDLAS氣體檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)超精細(xì)單光譜吸收實(shí)現(xiàn)檢測(cè)［1-2］，具有鄰峰干擾小、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、無(wú)零漂等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高精度的氣體濃度實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)，使其得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。針對(duì)采用諧波檢測(cè)技術(shù)的TDLAS系統(tǒng)中影響系統(tǒng)性能的主要因素開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)更低的檢測(cè)下限。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TDLAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由長(zhǎng)光程氣體池［3］、激光器、激光器驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制信號(hào)源、探測(cè)器、前置放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡等共同組成。

圖1 TDLAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

激光器驅(qū)動(dòng)模塊和調(diào)制信號(hào)源的功能是用于對(duì)中心波長(zhǎng)2004nm的DFB激光器驅(qū)動(dòng)及波長(zhǎng)調(diào)制，通過(guò)溫度和電流的控制使激光器的中心波長(zhǎng)穩(wěn)定在2004nm處。

由于吸光度與光程成正比，為了增強(qiáng)吸光度、提高檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)系統(tǒng)采用多次反射氣體池，氣體池采用懷特池結(jié)構(gòu)，總光程為12m。激光器、InGaAs探測(cè)器通過(guò)光纖和氣體池耦合。

InGaAs探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后，再由鎖相放大器提取出二次諧波信號(hào)。數(shù)據(jù)采集模塊將含有氣體濃度信息的二次諧波信號(hào)采集到PC機(jī)進(jìn)行處理及運(yùn)算，PC機(jī)可對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。

2 TDLAS檢測(cè)原理

氣體吸收遵循比爾-朗伯定律（Beer-Lambert）定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，I—?dú)怏w吸收后的光強(qiáng)；I0—?dú)怏w吸收前的光強(qiáng)—?dú)怏w對(duì)光的吸收系數(shù)；P—?dú)怏w壓強(qiáng)；C—待測(cè)氣體的分子濃度；L—吸收池長(zhǎng)度。

采用鋸齒波、正弦波調(diào)制的激光器，驅(qū)動(dòng)電流為：

式中，i0—掃頻電流；δi—調(diào)制電流；ω—正弦信號(hào)頻率。

DFB LD在正常工作范圍內(nèi)輸出光強(qiáng)與注入電流成正比，依據(jù)（2）式可得激光器輸出光強(qiáng)表達(dá)式：

式中，I0—激光的中心光強(qiáng)；δI—光強(qiáng)調(diào)制幅值。

激光器的所對(duì)應(yīng)的激光頻率為：

式中，v—激光中心頻率；δv—頻率調(diào)制幅度。

其中頻率調(diào)制幅度與注入電流的調(diào)制幅度線(xiàn)性度的關(guān)系為δv=kδi，其中k是激光頻率隨注入電流變化的系數(shù)。

將式（3）和式（4）代入式（1）后進(jìn)行傅里葉展開(kāi)，考慮到δI遠(yuǎn)小于I0，為了計(jì)算的方便可以將激光器的輸出光強(qiáng)氣體吸收后光強(qiáng)的低階諧波分量為：

其中一次諧波分量為：

二次諧波分量為：

利用攜帶有氣體濃度信息的一次諧波分量和二次諧波分量可計(jì)算出氣體的濃度值［4］。

3 調(diào)制參數(shù)的選取及優(yōu)化

正弦調(diào)制信號(hào)的幅值決定激光器的波長(zhǎng)調(diào)制幅度和光強(qiáng)調(diào)制幅度，正弦調(diào)制信號(hào)的頻率決定了二次諧波對(duì)噪聲的抑制能力，這兩個(gè)參數(shù)共同決定了二次諧波線(xiàn)型。所以調(diào)制參數(shù)的選取對(duì)保證系統(tǒng)性能是十分重要的。

3.1 波長(zhǎng)調(diào)制幅度對(duì)二次諧波線(xiàn)型的影響

在Matlab環(huán)境下，利用調(diào)制激光器的光強(qiáng)模型和波長(zhǎng)模型，仿真計(jì)算得到激光器的輸出光強(qiáng)和波長(zhǎng)，依據(jù)Beer-Lambert定律及氣體吸收線(xiàn)函，模擬計(jì)算出經(jīng)過(guò)氣體吸收后的光強(qiáng)。利用乘法器和低通濾波器模擬鎖相放大器，提取出氣體吸收后光強(qiáng)的諧波信號(hào)，得到激光器的輸出波長(zhǎng)與二次諧波信號(hào)之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 各波長(zhǎng)調(diào)制幅度下二次諧波信號(hào)

從圖中可以看出，波長(zhǎng)調(diào)制幅度δλ=0.06nm時(shí)，其二次諧波信號(hào)幅值最強(qiáng)且線(xiàn)寬較窄。依據(jù)2004nm DFB激光器的電流波長(zhǎng)系數(shù)為0.02nm/mA，得出用于調(diào)制的正弦波的δi為3mA。通過(guò)設(shè)置更小的波長(zhǎng)間隔，可以得到更加精確的仿真結(jié)果。

3.2 光強(qiáng)調(diào)制幅度對(duì)二次諧波波形對(duì)稱(chēng)性的影響

激光器的光強(qiáng)隨正弦調(diào)制信號(hào)的發(fā)生周期性的改變，其光強(qiáng)變化的幅度即為光強(qiáng)調(diào)制幅度。考慮光強(qiáng)調(diào)制幅度對(duì)諧波信號(hào)的影響，根據(jù)公式（1）及公式（3）得吸收后的光強(qiáng)信號(hào)為：

經(jīng)過(guò)傅里葉展開(kāi)后得：

吸收信號(hào)的二次諧波信號(hào)為：

從式（10）可以看出，由于光強(qiáng)幅度調(diào)制，二次諧波信號(hào)除了包含起主要作用的二階傅里葉分量A2外，還包含奇次諧波分量A1和A3［5］。

圖3 不同光強(qiáng)幅度調(diào)制下二次諧波波形

圖3為不同光強(qiáng)調(diào)制幅度下的二次諧波。從圖中可以看出當(dāng)δI越強(qiáng)時(shí)，二次諧波越向奇次諧波信號(hào)逼近。這是由于光強(qiáng)調(diào)制幅度δI對(duì)二階傅里葉分量A2的幅值沒(méi)有貢獻(xiàn)，而直接影響奇次諧波分量的幅值。奇次諧波分量會(huì)影響二次諧波線(xiàn)型，使二次諧波不對(duì)稱(chēng)，直接影響到氣體檢測(cè)的精度。所以在選擇正弦調(diào)制信號(hào)的幅值時(shí)，既需要考慮波長(zhǎng)調(diào)制幅度是否合適，還需要考慮光強(qiáng)調(diào)制幅度是否過(guò)大。

3.3 調(diào)制頻率對(duì)二次諧波的影響

圖4為二次諧波幅值隨調(diào)制頻率變化趨勢(shì)。隨著調(diào)制頻率增大，二次諧波的最大幅值逐漸下降，信噪比［6］逐漸提高。6kHz時(shí)二次諧波信號(hào)平滑度較差，這是由于探測(cè)器的1/f噪聲所致，大于6kHz時(shí)1/f噪聲會(huì)逐漸得到抑制，受探測(cè)器和鎖相放大器等頻率響應(yīng)特性的限制，調(diào)制頻率不能無(wú)限的提高。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要依據(jù)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性、諧波信號(hào)信噪比、諧波信號(hào)幅值等因素綜合考慮。

圖4 不同正弦調(diào)制頻率下二次諧波波形

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)TDLAS系統(tǒng)中原理的分析給出了調(diào)制參數(shù)優(yōu)化的計(jì)算方法，利用此方法對(duì)CO2痕量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正弦調(diào)制信號(hào)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。本系統(tǒng)中正弦調(diào)制信號(hào)頻率選擇10kHz，電流幅值為3mA。用氣體稀釋器，以99.999%的N2為零氣，對(duì)CO2進(jìn)行稀釋?zhuān)謩e稀釋成10ppm、20ppm、30ppm及40ppm的混合氣體，檢測(cè)后得到二次諧波信號(hào)線(xiàn)型如圖5所示。

圖5 不同濃度氣體的二次諧波波形

可以看到在進(jìn)行調(diào)制參數(shù)選取及優(yōu)化之后，二次諧波的幅值及對(duì)稱(chēng)性非常好，為計(jì)算檢測(cè)氣體的濃度提供了保證，利用二次諧波幅值大小可得上述各濃度CO2氣體的檢測(cè)濃度如表1所示。

表1 各濃度氣體的實(shí)際數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)

由于檢測(cè)系統(tǒng)中的調(diào)制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度和精度影響極大，在對(duì)調(diào)制參數(shù)的數(shù)值選取和優(yōu)化后，每米光程系統(tǒng)的檢測(cè)下限可達(dá)到10ppm?？烧{(diào)諧激光吸收光譜系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性，通過(guò)改變其他中心波長(zhǎng)的激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其他有毒有害氣體的檢測(cè)。使有毒有害氣體的痕量檢測(cè)儀器具有小型化、便攜化、快速化及高精度、高靈敏度。

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