基于激光光谱吸收技术的气体浓度检测系统的研究毕业设计

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1、基于激光光谱吸收技术的气体浓度检测系统的研究毕业设计 目录1.绪论11.1课题研究背景11.2 调谐二极管激光吸收光谱技术特点及应用21.3 调谐二极管激光吸收光谱技术的研究现状及发展趋势21.4 本文研究的主要内容42. 调谐激光吸收光谱技术的理论基础52.1 吸收光谱学理论52.2 谱线强度52.3 吸收线性62.4 本章小结83. 调谐二极管激光吸收光谱技术系统93.1 调谐二极管激光吸收光谱技术系统概述93.2 各部分主要器件93.2.1 光源93.2.2 激光驱动器113.2.3 光电检测器113.3 数据预处理过程123.4 本章小结124. 吸收光谱系统优化的研究134.1 谐波

2、次数的选择134.2 相敏检测的参数优化134.2.1 锁相放大器的带宽134.2.2 锁相放大器的相位对谐波信号的影响144.3 激光器调制参数的优化144.3.1 调制度对谐波信号的影响144.3.2 调制频率对谐波信号的影响154.3.3 扫描信号幅度对谐波信号的影响164.3.4 扫描信号频率对谐波信号的影响164.4 本章小结165. 气体浓度反演的方法研究185.1 系统噪声来源185.1.1 探测器噪声185.2.2 激光额外噪声185.1.3 剩余幅度调制195.1.4 光学干涉条纹195.2 背景噪声对系统的影响195.3 气体浓度反演的方法研究205.3.1 直接比例反演法

3、用于浓度反演205.3.2 最小二乘法用于浓度反演205.3.3 线性拟合法用于浓度反演215.4 本章小结226. 总结与展望236.1 全文总结236.2 工作展望24参考文献25致谢291 绪论1.1 课题研究背景环境是人类赖以生存的基础。随着世界经济的发展,环境污染日趋严重,不仅造成了巨大的经济损失,而且逐渐危害着人类的生存环境,因此环境保护已成为很多国家的研究课题之一。全球气候变化、温室效应、光化学烟雾的形成、酸雨、平流层中臭氧层的破坏等等,这一切都在影响着人类的生存环境,它们的形成都与大气中痕量气体的浓度有关。例如:煤炭、石油天然气的过量燃烧造成空气中C02浓度上升,引起地球表面变

4、热造成海平面上升、气候反常、土地干旱等,同时也对人体机能造成影响,引起头疼、乏力、呕吐、呼吸困难等中毒症状;又如,由于石油化工生产、污水/垃圾处理厂、汽油发动机废气、冶金工业等的生产加工过程及各种化工原料加工和使用过程以及木材、烟草等有机物不完全燃烧过程而产生的挥发性有机物由于其具有毒性、刺激性、致癌作用会导致人体呈现种种不适1、2。大气中的痕量污染气体主要包括:CO2、CH4、N2O、NH3、SO2、C2H2、C2H4、C2H6等等,它们的浓度主要在ppt-ppm量级范围内3、4。精确测量这些痕量气体成分对大气污染监测及治理非常重要。 大气痕量气体监测技术主要分为化学法和光谱法。传统的空气污

5、染监测方法是以湿式化学技术和吸气取样后的实验分析为基础的,但由于其响应慢、预处理过程复杂,无法满足大气污染气体的实时、在线、遥感监测的需要。而逐渐发展起来的光谱学在这些方面有明显的优势,主要表现在:易于实现完全非接触在线自动监测、仪器的灵敏度高、测量范围广、可反映一个区域的平均污染程度、系统易于维护等等。光谱法是利用光和大气污染分子相互作用特性来进行监测的。近年来在环境污染监测中几种很有应用前景的光学和光谱技术有5、6:紫外到可见波段的差分吸收光谱学技术、多种污染物监测的红外波段傅里叶变换红外光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱学技术、差分吸收激光雷达技术、激光诱导荧光技术等。在这些技术中,调谐

6、二极管激光吸收光谱技术凭借其高灵敏度、响应时间快,可实时在线监测的特点而越来越广泛的应用于大气污染痕量气体的监测。 本课题旨在通过对调谐激光光谱技术用于环境气体检测的实验研究,对气体在线检测系统进行模拟,以生产出具有自主知识产权的大气痕量气体检测仪。1.2 调谐二极管激光吸收光谱技术特点及应用 上世纪60年代,出现了通过注入电流来调制半导体激光二极管的技术7, 70年代,Hinkley和Reid等人提出了可调谐二极管激光吸收光谱技术8、9。此后,可调谐激光二极管吸收光谱学越来越受到人们的重视,并逐渐应用到痕量气体监测上。随着光通讯和光电子技术的发展,二极管激光器也迅速商品化,特别是近红外二极管

7、激光器具有体积小、寿命长和光电转换效率高等特点,成为了环境痕量分子监测的理想光源。 调谐二极管激光吸收光谱技术的原理是利用分子单一分立吸收线的吸收光谱来获取气体的各种属性如:浓度、温度等。当光通过某种介质时,光电磁波会与介质的分子、原子相互作用使得光被吸收和散射而产生衰减,由于气体分子对光的散射很微弱,远小于被测量气体分子的吸收光能,故可以忽略。根据测定气体吸收特定波长光的程度,可求出气体相应的各种属性。 可调谐二极管激光器与长光程吸收技术相结合,在大气化学研究和污染气体监测中得到了广泛的应用。其技术特点是:1探测灵敏度高,一般可达到ppmppt量级,能够满足大气中痕量气体监测的要求;2由于分

8、子光谱的“指纹”特性,它们的选择性很强,利用二极管激光可调谐和高光谱分辨率的特点,可以对特定分子在特定光谱范围内的光谱吸收进行测量进而反演得到气体的浓度;3探测范围广,响应时间快,非常适合大范围现场实时监测。高分辨率、高灵敏度、良好的选择性、实时、动态,这些特点使得调谐二极管激光吸收光谱技术成为痕量气体快速、在线分析的有效方法之一。1.3 调谐二极管激光吸收光谱技术的研究现状及发展趋势 随着可调谐半导体激光吸收光谱的广泛应用,越来越多的专家、学者投入到对系统的深入研究,在系统检测理论方面做出突出的贡献10、11。经过近30年的发展,调谐二极管激光吸收光谱技术成功的应用于大气化学研究和污染气体监

9、测中12、13。上世纪80年代,国外就开始有基于二极管光谱技术测量气体浓度的相关文献14、15,90年代则出现了大量相关文章,报道了许多污染气体浓度的二极管激光光谱技术的测量方法16。当时,德国、美国、日本、俄国、意大利和瑞典等国在激光光谱技术用于大气污染气体监测方面做了大量研究工作,取得了重大突破17。例如:1995年,德国海德尔堡大学的P.Werle垂直外腔面发射激光器在760nm处探测O2浓度18;1996美国的D.M.Sonnernfor提出了用二极管激光器探测NO2浓度19;2000年,瑞典的U.Gustafsson等人利用二极管激光器和差频等非线性光学技术同时监测CH4、O2和H2

10、O20、21。 在环境保护重视程度和环境监测技术水平上,我国与国外发达国家还是存在一定的差距,但经过20多年的发展,我国环境监测的技术水平和能力都有了较大的提高。以中国科学院安徽光学精密机械研究所为代表的一些科研院所,逐步展开了环境监测技术的研究以及监测仪器的开发22。1985年安光所采用分立调谐的CO2激光器成功研制监测大气污染的第一个红外差分吸收激光雷达23;1993年有研制成功我国第一台差分吸收激光雷达系统,并应用于工厂乙烯现场实时连续监测、空气中NO2气体浓度的在线监测;2000年,安光所完成了“紫外差分吸收光谱法烟道SO2在线监测技术及系统”的开发24;2002年,安光所初步研制出基

11、于二极管激光光谱的CO2的检测技术,并取得初步应用,但仪器测量精度不高,体积庞大,价格昂贵,不适宜普及。随后安光所应用调谐二极管激光吸收光谱技术对机动车尾气CO和CO2展开遥测研究,并进行了相应的实测分析;还研制了可调谐激光光谱甲烷监测仪25、26,为工业中甲烷气体的浓度监测提供了一种新的检测方法。除了部分科研院所,一批新兴的优秀企业也在气体监测方面逐渐壮大起来。杭州聚光科技有限公司运用先进的技术,结合中国各行业的实际需求,开发了LGA系列激光在线气体分析仪,在钢铁、石化、环保、航天等行业取得了良好的应用。 尽管调谐二极管激光吸收光谱技术在理论探索和各行业的应用上都取得了很大的成功,但在巨大的

12、社会需求方面仍未充分发挥其作用,仍然有许多问题需要解决。除了在理论方面继续探讨影响调谐二极管激光吸收光谱技术灵敏度、检测极限的调制参数外,影响调谐二极管激光吸收光谱技术发展的一个主要因素是二极管激光器。激光器的调谐范围限制了调谐二极管激光吸收光谱技术可检测气体的种类。目前的调谐二极管激光吸收光谱技术系统多采用单模激光器,这种激光器单色性好,一般的调谐范围在1nm-2nm,一种激光器只针对一种气体进行检测。为了能实现多种气体同时在线监测,许多学者、研究单位尝试同时使用多个激光器,并取得了初步的进展。但多路激光器系统的缺点是系统结构相对复杂、测量相应时间长。还有些学者把眼光放在寻找新型的具有宽调谐

13、范围的激光光源。1.4 本文研究的主要内容 我本文主要研究内容如下: 第一章为绪论。首先阐述了本文的研究背景和意义,并分析了大气监测领域的几种方法;介绍了调谐二极管激光吸收光谱技术的发展历程和技术特点,对国内外调谐二极管激光吸收光谱技术发展的现状和趋势进行了探讨;提出调谐二极管激光吸收光谱技术关键参数的选择;最后概括出论文的主要工作及各章节主要内容。第二章以气体吸收光谱学理论为基础,分析了不同吸收线型和气体参数的关系。阐述了这种谐波被吸收的原理,为后面吸收谱系统研究奠定了理论基础。 第三章在吸收光谱学理论的基础上,提出了可调谐激光二极管吸收光谱用于气体检测的实验系统,根据调谐二极管激光吸收光谱

14、技术对半导体激光器的要求选择了激光光源并对其调谐性能进行测试,阐述了激光控制单元、长光程气体池、光电接收器的选择及其性能分析。根据本系统实验数据的特点设计了数据预处理流程。 第四章对吸收光谱系统的优化进行了研究。对奇次谐波和偶次谐波的变化规律进行分析;在一定的理论基础上分析了调制度、调制频率、扫描信号幅度、扫描信号频率对谐波信号幅值、信噪比、峰型对称性及峰宽的具体影响,总结出各参数影响检测信号的一般规律,并指出在明确系统功能及需求后如何选取参数优化系统,对此类系统的实际应用具有较强的指导意义。 第五章讨论了调谐二极管激光吸收光谱技术系统中存在的几种噪声的来源以及相应的削弱噪声的方法,并深入探讨

15、了以背景信号方式存在的噪声对检测信号产生的影响,以及如何通过扣除背景信号抑制剩余幅度调制和光学干涉条纹及其他一些干扰信号的影响以提高系统的检测灵敏度。给出了三种浓度反演的方法:通过比例关系直接反演法、最小二乘拟合反演法和线性关系反演法,分析了三种方法的原理从而选择本系统浓度反演的方法。 第六章为总结与展望。对全文工作内容进行总结,并提出了下一步的研究方向。2 调谐激光吸收光谱技术的理论基础2.1 吸收光谱学理论 调谐激光器吸收光谱技术的理论基础就是吸收光谱学理论。一种气体的激光二极管吸收光谱测量主要决定于气体分子的谱线中心波长、谱线强度和谱线线型函数。要精确测量气体的动态参数,我们必须清楚谱线

16、位置、谱线强度和谱线线型函数等吸收特征跟环境参数温度、压强等的关系。 所有的原子或分子均能吸收电磁波,且对吸收的波长有选择性,产生这种现象的原因是由于分子的能量具有量子化的特征。在正常状态下原子或分子处于一定能级,经光激发后分子由基态跃迁到激发态。但分子不能任意吸收各种能量只能吸收相当于两个或几个能级之差的能量,即只能吸收一定能量的光子或其倍数。当以某一范围的光波连续照射分子或原子时,有某些波长的光被吸收,于是产生了由吸收谱线所组成的吸收光谱。 原子或分子吸收光子后能量由基态的e1,提高到激发态的ef,其能量的改变E与所吸收的光子的能量e相等。该能量与被吸收光的频率f成正比,其关系由下式表示:

17、 2-1式中h是普朗克常量。光频率f和波长、波数、光速c的关系: 2-2 由于气体分子的结构千差万别,其内部运动形式以及原子间的相互作用相当复杂。分子中的电偶极跃迁形式包括:电子运动状态发生改变的能级跃迁;分子振动或转动状态改变的跃迁;分子的振动和转动状态同时改变而引起的跃迁。外层电子运动状态改变的能级跃迁所产生的吸收、发射光谱代表了分子的电子光谱,处于紫外及可见光区,这种跃迁的能量大;而双原子分子及部分多原子分子的振动、转动能级跃迁能量相对来说要小一些,一般为0.05ev1ev,因此振动和转动光谱主要集中在近红外谱区;纯转动光谱在微波谱区和远红外谱区27。2.2 谱线强度 谱线强度是指单位时

18、间、单位体积原子吸收辐射的总能量,描述的是吸收峰中对光子的吸收程度。强度为,频率为的单色激光,通过长度为L的吸收介质后,在接收端测得的强度为I,设Ti为透射率,则有: 2-3式中是吸收系数。在穿越单一吸收气体单一吸收谱线时。是一定温度下的谱线强度;gcm是吸收谱线线型函数,并且;Pabsatm是总体压强:N是吸收气体单位体积内的分子数,代表吸收气体的浓度。其中线强是温度的函数,线型与压力有关。 分子能级跃迁的线强,反映了吸收和受激发射的综合效果,它依赖于跃迁概率和处于低能态和高能态的分子数目。光学跃迁概率与温度无关,而低能态和高能态的分子数是温度的函数。吸收谱线的谱线强度ST是吸收气体分子的一

19、个基本属性。各种气体分子的谱线强度都可以在几个公开数据库中查表得到,其中被广泛应用的就是HITRAN数据库27。一定温度下的谱线强度ST可由下述公式计算得出:2-4 式中,Q是摩尔分子量函数,E是分子跃迁的底层能量,h是普朗克常量,k是玻尔兹曼常量,c是光速,ST0是在参考温度T0下的光谱线强度。2.3 吸收线性 分子的红外光谱包括纯转动光谱和转动-振动光谱。分子的转动-振动光谱由一系列转动结构线组成,即所谓转动-振动光谱带。在理想化的描述中,每一条光谱线对应一个确定的频率,其光谱轮廓只用一条没有宽度的几何线表示。但采用大色散、高分辨率光谱仪观察谱线时,可以看到不管是发射谱线还是吸收谱线,都不

20、是几何线,而是具有一定的轮廓与宽度,称为谱线的线型和宽度。它与原子结构及光源的温度、场强有关,而与光谱仪无关。以频率为横坐标,辐射强度的相对值为纵坐标,光谱线都可以由图2-1所示的曲线表示。在强度下降到一半时,所对应的频率间隔,称为谱线的全半值宽度,简称谱线线宽或谱线半宽。线宽是线型函数中一个很重要的参数。图2-1 吸收线谱的线宽 根据光谱线展宽形成的主要原因,把光谱展宽分为三种类型28:自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽。 自然展宽: 在没有任何外界因素影响的情况下,自发辐射是不稳定的,会具有一定的寿命。如果粒子在能级E1和E2之间跃迁,由于E1和E2分别具有自然宽度E1和E2,所以跃迁产生的谱

21、线不是单一频率的谱线,而是宽度为的谱线, (2-5)这时的谱线展宽为自然展宽,它取决于原子结构本身的性质。 2碰撞展宽: 因辐射分子与干扰分子相互碰撞而引起的谱线展宽叫做碰撞展宽29。其基本原理是:气体分子的碰撞缩短了激发态原子的平均寿命,进而导致能级宽度增加,即碰撞展宽的作用可等效为激发态能级寿命的缩短,而激发态寿命缩短的程度,取决于原子发生碰撞的激烈程度30。可以由原子平均碰撞时间L来表征,也就是由碰撞引起的原子激发态寿命L,其引起的光谱加宽为: 2-6实验证明,这种碰撞加宽和气体的压力成正比,因此又把这种加宽称为压力加宽31。 3多普勒展宽: 光谱线的多普勒展宽是由光波的多普勒效应造成的

22、,气体分子总是在高速运动的,运动原子发光的频率有多普勒频移,因而引起光谱加宽,称之为多普勒加宽32。由于气体分子的运动情况符合麦克斯韦-高斯分布,因此对应的气体多普勒加宽的线型函数一般为高斯型33。 洛伦兹线型是由于粒子之间的互相碰撞引起的,不仅依赖于压强P,还依赖于分子的碰撞截面,而高斯线型只依赖于温度T34。由于谱线线型和环境压强P和温度T有关,基于气体吸收线型的识别,可用来测量气体的压力或者温度。2.4 本章小结 本章首先介绍了气体吸收光谱学理论,分析了不同吸收线型和气体参数的关系。为后面调谐激光吸收光谱技术奠定了理论基础。3 调谐二极管激光吸收光谱技术系统3.1 调谐二极管激光吸收光谱

23、技术系统概述 图3.1为调谐二极管激光吸收光谱技术系统的示意图。LD0为可调谐激光二极管光源,在本文的研究中只考虑使用一支激光器,将来还可根据实际需求对激光光源进行扩展。样品池里面便是我们实验所要测量的待测气体,激光经过待测气体后由光谱仪来接受激光的信号,然后通过光/电转换器将光谱仪接受的激光信号转换为我们可以直接测量的电信号,后面经过数据处理就可以通过数据反演从而得到样品池的气体参数。 图3-1试验总体框图 3.2 各部分主要器件3.2.1 光源 半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、省电等特点,可调谐二极管激光器作为半导体激光器的一种,除了具备这些优点外,最重要的特点是可以通过注入电

24、流和温度的变化调制其光的频率,所以可调谐二极管激光器作为波长调制光谱技术的光源非常方便。 从结构上来说,半导体可调谐激光器主要包括:法布里-珀罗型激光二极管、可调谐分布反馈激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器和外腔半导体激光器。半导体激光器种类繁多,选择合适的激光器也是影响波长调制技术探测灵敏度的重要因素。 用于调谐激光吸收光谱检测技术的半导体激光器应该具备的特点是35:较窄的谱线宽度;较高的功率密度。分析不同激光器具备的特点:外腔式的法布里-珀罗型二极管半导体激光器虽然扩展了可调谐范围,但这种激光器易跳模,输出光功率的线性度较差;可调谐分布反馈激光器具有无跳模、长期稳定性的特点

25、,且调谐精度较高;分布布拉格反射镜激光器调谐范围较宽,其突出优点是调谐速度快,但因其也存在跳模的问题,对激光器工作时的稳定性有着严重影响;可调谐垂直腔面发射激光器容易实现二维平面阵列是它的一大特点,虽然造价不高但可调谐精度没有可调谐分布反馈激光器高;可调谐外腔半导体激光器可在很宽的波长范围内实现大功率输出,但其大功率输出容易使气体吸收达到饱和,且其造价较高。相比而言,可调谐分布反馈激光器不仅具有优良的动态单模输出特性和稳定性,同时还具有不受电磁干扰、耐高温、抗腐蚀性、工作可靠等许多优点。 目前商业可调谐分布反馈二极管激光器的主要波长范围在0.6um-1.8um,基本上覆盖了近红外区的大部分区域

26、,因此可调谐分布反馈二极管激光器是可调谐二极管激光吸收光谱很好的光源。 本系统目前使用的是蝶形封装的InGaAsP分布反馈式二级管激光器FOLl5DDBA-A3l,如图3-2所示。其中心发射波长为1582nm,边模抑制比45dB。阈值工作电流为10mA,最大工作电流130mA,工作温度范围为-570。C。可调谐激光器的输出渡长随电流和温度变化的特点是波长调制的基础,因此有必要对其光谱特性进行测试。 图3-2试验用FOLl5DDBA可调谐二极管激光器1、电流调谐特性 由于激光器的阈值电流典型值为10mA,因此我们选择激光二极管的起始注入电流为15mA,以保证激光器正常工作。测量仪器为Perkin

27、 Elmer公司的傅里叶变换红外光谱仪Spectrum GX。调节激光控制器来改变激光二极管的注人电流,使电流从15mA到l30mA变化,测量0、10、20、30、35时激光二级管的输出波长随电流的变化情况,激光管的输出波长随电流基本上呈线性变化,且各个温度下的变化趋势基本一致36。2、激光发射功率与激光控制电流之间的关系 二极管激光器的发射功率同发射波长一样,也随着激光控制电流的变化而变化;仍然使激光二极管的注入电流在15mA至130mA之间变化,用光谱仪测量了不同温度下激光器的输出能量,分析得激光器的发射功率随电流也近似呈线性变化。3.2.2 激光驱动器 可调谐二极管激光器的输出波长是通过

28、调制注入电流和控制其温度来实现的,因此调谐二极管激光吸收光谱技术系统需要具有能够调制激光注入电流,控制激光器工作温度的设备。我们采用了美国ILX Lightwaves公司的多通道激光驱动器LD3908,它有八个通道,每个通道均有一个电流驱动模块和一个温度驱动模块,可同时对八个二极管激光器进行精确的温度和电流控制。它还可以将外部输入的任意波形电压信号转换为电流信号提供给激光器,同时提供电流过载保护。可根据激光器本身的性能,通过激光驱动器来设定其阈值电流、阈值温度、工作电流、工作温度等参数。其控制面板如图3-3所示。 图3-3 激光驱动器前控制面板3.2.3 光电检测器 光电探测器是调谐二极管激光

29、吸收光谱技术系统中的重要部件,它的作用是将探测到的光信号转换为电信号并输入给后续放大电路.其性能也会影响整个系统的灵敏度。我们选用带热电制冷器的InGaAsSb光电二极管检测器PD25.如图3-4所示,其响应被长范围为1100nm2500nm,能够适应较宽的长波近红外光谱感光面直径为0.5mm,能够有效探测较大光斑。它还具有快速响应时间,能够适应高频率的调制信号的特点。 图3-4 试验用光电二极管PD25-053.3 数据预处理过程 调谐二极管激光吸收光谱技术系统采集到的信号以被测样品的特征光谱为主导,包含了噪声、各种外界干扰因素。噪声主要来自高频随机噪声、基线漂移、信号本底、样品不均匀、光散

30、射等37。为了消除仪器扫描过程中不可避免的噪声,减少种种外界因素带入的影响以得到气体的有效信息,应对仪器检测所得到的光谱数据进行以下预处理。 由调谐二极管激光吸收光谱技术系统采集到的光谱信号中既含有有用信息,同时也叠加着随机误差噪声。信号平均是消除噪声最常用的一种方法,其基本假设是光谱含有的噪声为零均随机白噪声,多次测量取平均值可降低噪声提高信噪比。系统在采集气体吸收信号的同时还采集一路参考信号。测量一次可采集n个周期的气体吸收信号,以参考信号最低点为基准与气体吸收信号对齐,截取n-1个完整的周期信号并做平均,多次平均可有效降低检测信号中的白噪声。3.4 本章小结 第三章在第二章吸收光谱学理论

31、的基础上,提出了可调谐激光二极管吸收光谱用于气体检测的实验系统,根据调谐二极管激光吸收光谱技术对半导体激光器的要求选择了激光光源。介绍了激光控制单元、光电接收器的性能。根据本系统的特点设计了数据预处理流程,对系统控制软件的主要功能模块进行了介绍。 4 吸收光谱系统优化的研究 4.1 谐波次数的选择 从前面章节我们知道,锁相放大器能够输出各阶谐波信号,且各阶调谐波信号的强度都正比于待测气体的浓度,因此从原则上说,调制谱的各阶谐波都可用来检测气体浓度。我们分别分析C02的一次至八次谐波信号,无论是奇次谐波还是偶次谐波,谐波信号的幅度都随着谐波次数的增加而减小,且一次谐波和二次谐波信号的幅度明显大于

32、其他谐波信号。在吸收峰位置,奇次谐波信号的大小为0,而偶次谐波信号的最大值正好是吸收峰的谐振位置,因此在波长调制吸收光谱气体检测中多用偶次谐波中的二次谐波信号进行检测。也有文献报道四次、六次或八次谐波检测会得到比二次谐波更好的灵敏度。在本系统中,二次谐波信号同时具备最大的幅度和信噪比,因此选择二次谐波信号作为检测目标。4.2 相敏检测的参数优化 在调谐二极管激光吸收光谱技术系统中,光电探测器的作用是将携带有气体信息的光信号转换为电信号,之后这个电信号要送入到锁相放大器进行相敏检测,最后输出谐波信号。可见,锁相放大器的参数也会直接影响谐波信号,进而影响整个系统的精度及灵敏度。本节就相敏检测的几个

33、重要参数对系统优化的影响进行讨论。4.2.1 锁相放大器的带宽 前面已经了解到,一个典型的锁相放大器由信号通道、参考通道和相关器组成,按相关函数的数学表达式,它需要一个乘法器和一个积分器。从理论上讲,用一个模拟乘法器和一个积分时间为无限长的积分器,可以从任意大的噪声中将微弱信号检测出来。但在实际使用当中,乘法器多采用动态范围大、线路简单的开关线路来实现,而积分器则采用近似的积分器,即低通滤波器,根据测量对象的实际情况来决定积分时间的长短。 积分器的时间常数决定了相关器的等效噪声带宽。系统中分别采集了不同时间常数下锁相放大器输出的二次谐波信号。时间常数较小时如300us,1ms,3ms,等效噪声

34、带宽较宽,信号能得到较大程度的放大。但同时也引进了较大的噪声,时间常数越长,等效噪声带宽越窄。抑制噪声的能力也就越强,但时间常数过长如300ms,1ms时,容易使得信号强度太小以致失真,故在实际使用中应采取折中处理,既能较好地抑制噪声,同时也能得到不失真的、幅度较大的输出信号。4.2.2 相放大器的相位对谐波信号的影响 在本文的系统中,我们选用了同步信号输出作为锁相放大器的输出,一是系统能够较好的保证输入信号和参考信号的同步以得到稳定、准确的同步信号输出,二是后续研究中会用到同步信号输出中所包含的其他信息。4.3 激光器调制参数的优化 波长调制技术和谐波检测技术的结合,目前已被广泛应用于气体浓

35、度的检测。调制光谱技术检测的谐波信号特征除了与被测气体的吸收特征有关外,还与波长扫描参数和电流调制参数有密切的关系40。通过研究不同的波长扫描参数和调制参数下的谐波信号,分析它们的波形特征和稳定性,以便寻求最佳的波长扫描参数和电流调制参数,从而使谐波曲线的稳定性和线型状态达到最佳,为气体浓度反演以及系统其他方面的应用提供良好的依据。4.3.1 调制度对谐波信号的影响 正弦调制信号的调制幅度在理论分析中通常进行归一化换算成调制度,将信号发生器输出的电压调制幅度换算为激光器输出的波长调制幅度,那么调制度m/,其中为被测吸收谱线的半高半峰宽。经由锁相放大器解调得到的n次谐波线型是激光频率和调制度的函

36、数,即n次谐波信号各点的幅值与其所在的频率位置和系统的调制度有关。因此调制度是影响信号幅值和线型的首要因素,其影响主要体现在激光器输入电流的调制和检测信号解调的过程中。 a)调制度对谐波信号信噪比的影响 对于一个完整的二次谐波信号,信号幅值要用于后期的浓度计算中,因此幅值的大小直接影响浓度计算的精度。谐波信号的波形具有一定的规律,各点的幅值均具有相互的关系,因此可以用信号的最大幅值来衡量信号整体的幅值水平,二次谐波信号的最大值出现在中心吸收频率上,当信号幅值达到最大值时对应的调制度称为最佳调制度。这与光谱仪分辨率不足而导致测量的电流调谐系数不准确有关,也与系统其他方面的误差有关。 谐波信号的信

37、噪比是我们更关心的指标,计算不同调制度下信号的信噪比时,由于信号在预处理的时候已经经过多次平均以及粗大误差的剔除,信号的噪声得到了较好的抑制且其大小基本不随调制度变化,因此各调制度下信噪比分布与幅值分布趋势相近。在实际工作中,应结合信噪比来考虑最佳调制度的选择,从而达到提高系统检测极限的目的。b)调制度对信号峰宽的影响 虽然调制度的增加会使气体吸收光谱信号幅度增大,但同时也伴随着谱线展宽越来越大。在这里我们用峰宽来表示谱线展宽的程度,二次谐波的峰宽指一个谐波信号覆盖的波长,本文将信号的两个谷值之间的距离作为信号的峰宽值。二次谐波信号的峰宽随着调制度的增加单调递增变宽。最优调制度虽然对应着最大强

38、度的检测信号,但带来的谱线展宽会对相邻谱线的测量造成干扰。因此,在考虑调制度的选择时,应充分考虑吸收光谱信号强度信噪比及峰宽的相互制约关系,以便选择最适合系统工作的参数。 4.3.2 调制频率对谐波信号的影响 频率调制的基本原理是通过高频调制某个依赖于频率的信号,使其扫描待测的特征信号,然后在信号处理系统中,以调制频率或调制频率的倍频作为参考信号,用锁相放大器记录下要得到的特征信息,这一特征信息是由调制信号产生的一系列谐波信息。谐波检测的理论计算表明,相同的调制振幅下,调制频率的不同也会导致其光谱信号发生改变。 在不同调制频率下,除信号的最大幅值外均呈逐渐下降趋势,而信噪比的分布也呈相同趋势。

39、理论上,调制频率越高,对噪声的抑制越好,但在实际工作中,调制频率升高到一定程度后对噪声的影响就不再明显,这是由于调制频率足够高的时候,检测器的l/f噪声已经被抑制到很小的程度,再提高调制频率就没有很大的必要。另一方面,较高的调制频率对系统硬件的要求也会增高,高工作频率范围的锁相放大器会增加系统的成本。综合以上因素,当系统以检测气体浓度为主要用途时,调制频率应以幅值和信噪比为依据进行确定。 不同调制频率下二次谐波信号的峰高比值没有呈现出单调变化的趋势,信号的峰高比值在谐波信号的峰高时更接近1,其他位置的值呈无规律变化趋势。同时。信号峰宽值随着调制频率的升高单调递减。 4.3.3 扫描信号幅度对谐

40、波信号的影响 锯齿波信号的幅度决定了扫描的波长范围,波长范围过小观察不到完整的谐波信号,波长范围过大会出现其他吸收线干扰,并且扫描信号幅度过大会对激光器产生一定的损害。 保持其他调制参数不变,在一定范围内选用不同幅度的锯齿波,随着扫描信号幅度的增加,电流调谐范围增大,检测吸收谱线的范围变宽。 除此之外,相比于调制度和调制频率,扫描幅度对信号的最大幅值、信噪比、对称性、峰宽的影响均在很细微的范围内,在确定扫描幅度的时候可以不考虑信号的特征,只考虑激光器扫描的波长范围即可。在线型分析时,为了得到较为完整的二次谐波信号,扫描范围通常要覆盖信号两侧的基线。4.3.4 描信号频率对谐波信号的影响 锯齿波

41、扫描信号的频率主要影响激光器的波长扫描速率和信号的采样时间,其最大幅值和信噪比均随着扫描频率的增加而单调递减,峰高比值及峰宽随着扫描频率的增加而单调递增。在浓度计算时应选择较小的扫描频率以得到较大信号幅值和信噪比,而在线型分析时应考虑对称性和峰宽因素进行选择,信号中心波长的偏移表明扫描频率对激光器的工作状态具有一定影响。 扫描频率增加,使得每个周期的扫描时间减少,在信号采样率固定的情况下,每个周期的采样点相应减少,采样点的减少会使信号幅值的精度受到影响,进而影响计算得出的浓度值,另一方面,单周期扫描时间的减少又为快速检测提供了条件,在不追求精度的情况下扫描频率的提高使得快速瞬时检测成为可能。由

42、此扫描频率的选取要根据系统需求而定,扫描频率提高,系统的检测速度提高而检测精度下降,扫描频率降低,系统的检测速度降低而检测精度提高。4.4 本章小结本章对吸收光谱系统的优化进行了讨论。对于谐波次数的选择,原则上各阶谐波信号都可用于气体浓度的检测,分别分析了奇次谐波和偶次谐波的变化规律,并选择二次谐波作为本文主要的研究对象。分析了锁相放大器的积分时间和相位对输出谐波信号的影响,并给出了本系统合适的积分时间选择和输出方式。调制参数的优化是本章的重点内容。以往的文献大多只分析了调制度对系统工作的影响,本文在一定的理论基础上分别分析了调制度、调制频率、扫描信号幅度、扫描信号频率对谐波信号幅值、信噪比、

43、峰型对称性及峰宽的具体影响,总结出各调制参数影响检测信号的一般规律,并指出在明确系统功能及需求后参数选取的原则。此研究对调谐二极管激光吸收光谱技术系统的实际应用具有较强的指导意义。5 气体浓度反演的方法研究 调谐二极管激光吸收光谱技术用于气体检测可实现气体动态参数的快速测量,其中的一个主要目的是进行浓度检测。通过波长调制技术和谐波检测技术得到和气体浓度成正比的谐波信号后,还需要对谐波信号进行一定的处理,以反演得到待测气体的浓度。在气体检测过程中,无可避免的会存在各种各样的噪声,因此本章首先对系统中存在的噪声及其来源进行分析,研究了背景噪声对吸收信号的影响,并且给出了反演气体浓度的方法。5.1

44、系统噪声来源 在调谐二极管激光吸收光谱技术系统中,主要存在以下几种噪声41:1探测器噪声;2激光额外噪声;3剩余幅度调制;4光学干涉条纹。5.1.1 探测器噪声 探测器噪声主要以三种形式存在:热噪声,散粒噪声和1/f噪声。 探测器的热噪声源于电荷本身的随机波动,几乎存在于所有的探测系统中。它依赖于温度和信号的检测带宽,但与频率和光强无关。通过制冷或减小频率带宽可减小探测器的热噪声。 探测器的散粒噪声与进入到探测器上的激光功率的光子噪声有关。它与调制频率无关,而正比于探测到的激光功率和检测带宽的平方根,并且具有白噪声的频谱特征。减小散粒噪声可压缩系统带宽以及降低工作电流。 探测器的1/f噪声被认

45、为是半导体与半导体之间的潜在的连接障碍引起的,也称为闪烁噪声,它的特点是随着频率的降低而增加。1/f噪声在很大程度上依赖于探测器的制造过程,在低频时lkHz,它是探测器的主要噪声,当频率变大后,它的影响小于探测器的热噪声和散粒噪声。5.1.2 激光额外噪声 调谐二极管激光吸收光谱技术的测量灵敏度经常受到激光器的功率波动限制,这种功率上的波动也成为激光的额外噪声。它可归根于激光二极管本身固有的噪声,也可以由外部条件引起,如注入电流噪声、温度不稳定、机械振动等。针对不同的情况可采取不同的方法来抑制激光额外噪声,如可采用高稳定性能的恒流源来抑制注入电流的噪声;可用液态制冷剂保持温度恒定;可通过锁定激

46、光在气体的吸收特征上来克制机械振动的影响等。激光额外噪声也依赖于信号的检测带宽,也可通过相应的窄带检测技术来对其进行抑制。5.1.3 剩余幅度调制 实际应用中,二极管激光器的发射波长和发射功率都随注入电流的变化而变化。在调制半导体激光器时,不仅激光波长被调制而且功率也被调制,这就是通常所说的振幅调制或剩余幅度调制。剩余幅度调制引起的偏移噪声,会使调谐二极管激光吸收光谱技术的灵敏度受到很大影响。这个偏移是我们不想要的,应该想办法去除。一般可通过扣除零气信号里包含的同样的偏移量来去除其对浓度反演的影响。5.1.4 光学干涉条纹 影响调谐二极管激光吸收光谱技术灵敏度的一个更重要的因素,是加在测量谱上

47、的光学干涉条纹的存在。它主要来源于光学系统标准具的反射和散射。标准的条纹一般以正弦函数的形式改变背景信号,其最大间距在波长上大约在10-3-10-2的范围。一般可通过精心的光学设计和调制来减少光学条纹,但想得到更高的灵敏度很困难。常用的技术有扣除背景和信号的后期处理。5.2 背景噪声对系统的影响 上文分析了调谐二极管激光吸收光谱技术系统噪声的主要来源,其中探测器噪声和激光额外噪声对系统灵敏度影响较小,主要影响系统灵敏度的是剩余幅度调制和光学干涉条纹,它们一般以背景噪声的形式存在。因此有必要考虑背景噪声会对信号产生怎样的影响以及应该如何消除它。 采集完气体的吸收信号后,通入氮气冲洗气体池并持续一

48、段时间,直到气体池内没有待测气体,待池内氮气稳定后采集其谐波信号,作为检测气体的背景信号,我们知道背景谱中存在着剩余幅度调制、光学干涉条纹和一些其他的干扰噪声,这些干扰会引起信号的漂移或增加信号噪声,降低系统检测的精度。为了消除背景噪声的影响,将C02的吸收信号扣除背景信号,可以得出,通过扣除背景噪声,较好地抑制了剩余幅度调制噪声和光学干涉条纹。 当检测较低浓度的C02时,由于有用的吸收信号较微弱而背景噪声很大,会导致吸收信号无法辨认,从而影响系统检测的灵敏度。当是很小浓度的C02的吸收信号时,背景信号几乎将C02的吸收峰淹没,无法辨认,而通过扣除背景可有效消除背景噪声的影响,从而提取出待测气

49、体分子的吸收光谱。可见,扣除背景信号是一种降低噪声,提高系统检测灵敏度的有效方法。5.3 气体浓度反演的方法研究5.3.1 直接比例反演法用于浓度反演 根据第二章介绍的内容,我们知道,通过调谐二极管激光吸收光谱技术系统测量得到的二次谐波信号幅度是与气体浓度成正比关系的,因此可以通过检测到的二次谐波信号来反演气体的浓度。一般选择一个浓度为C0 较高浓度的同种气体作为标准,测量得到其二次谐波信号的幅度V0,然后对未知浓度为C的气体进行测量,得到其二次谐波信号的幅度V,通过比例关系CC0V/V0就可求得待测气体的浓度C。 在5.2节的分析当中,虽然通过扣除背景噪声能够有效抑制激光器噪声、电子学噪声以

50、及剩余幅度调制和光学干涉条纹的影响,但由于系统的不稳定以及某些噪声因素会随时间而改变,使得背景光谱总是会发生微小改变,扣除背景并不能完全消除噪声带来的干扰。噪声的存在使得输出谐波信号的形状在弱吸收信号时受到很大的影响,因此待测气体浓度较低时测量得到的结果偏差会更大。5.3.2 最小二乘法用于浓度反演 通过比例关系直接反演浓度只用到了整个光谱特征的三个极值点一个正峰值,两个负峰值,没有考虑到全部吸收光谱的信息。为了充分利用谐波信号的光谱信息,可对整个吸收光谱特征进行拟合,以提高反演的精度。具体方法为,利用已知浓度气体的标准二次谐波光谱对待测气体的测量光谱进行最小二乘拟合,来得到待测气体的浓度。

51、最小二乘拟合法:设标准信号谱为xi,测量谱为yi,在一定的范围内测量谱与标准谱为线性关系: ya+bx5-1 其中a代表基线漂移,与幅值拟合无关;回归系数b为幅值比例因子。但由于测量误差以及其他随机因素的干扰,拟合过程中点Aixi,yi往往不会都落在一条直线上,因此我们需要通过观测数据确定一条直线,也就是要确定a和b,使回归直线与所有数据点都比较接近。为了表示这种“接近”的程度,我们引进残差的概念,用eI表示。一般用残差平方和来表示所有观察值与回归直线的偏离程度: 5-2 最小二乘法,就是选择a、b使Qa,b最小,这时得到的回归直线与所有观察值最接近。Q是关于a、b的二次函数,根据多元函数求极

52、值的方法,a和b应该满足下列条件: 5-3 通过解方程组5-3,可求的回归系数b为: 若已知标准谱对应的浓度为C0,则通过标准拟合得到待测气体的浓度为 CbC05-4 为了反映标准谱与测量谱线之间线性关系的密切程度,引入了相关系数rxy: 5-5 愈接近1,则x和y的相关性愈大,即反演的浓度值越精确可靠。 最小二乘法拟合反演得出CO2的浓度值比用直接比例关系反演得到的浓度值更加的接近真实值,但仍然认为误差较大。5.3.3 线性拟合法用于浓度反演 观察对比测量的C02的二次谐波信号幅度和浓度的对应关系并进行拟合,可以看出二次谐波吸收光谱信号整体趋势与对应浓度值成线性关系。可以得到通过线性拟合反演

53、的浓度和实际浓度的相对误差最小,较之前的直接比例关系反演方法和最小二乘拟合方法反演得到的浓度值更接近真实值,而且计算方法简单,计算量小于最小二乘拟合的方法,利于系统进行气体浓度的快速检测,因此本文建议用这种方法来实现气体浓度的反演。 5.4 本章小结本章讨论了调谐二极管激光吸收光谱技术系统中存在的几种噪声的来源以及相应的削弱噪声的方法,并深入探讨了以背景信号方式存在的噪声对检测信号产生的影响,通过扣除背景信号可有效抑制剩余幅度调制和光学干涉条纹及其他一些干扰信号的影响,进而提高系统的检测灵敏度。给出了三种浓度反演的方法:通过比例关系直接反演法、最小二乘拟合反演法和线性关系反演法,分析了这三种方

54、法的原理和反演结果,通过对比,认为利用线性关系反演浓度能够得到较准确的预测值,同时具备程序实现简单、计算量小的特点,因此本文选用线性关系法来进行气体浓度反演。6 总结与展望6.1 全文总结 调谐二极管激光吸收光谱技术是近年来发展起来的一种新型的光谱检测技术,由于其具有高灵敏度、高精度和快速响应等特点,被广泛应用于环境气体监测。调谐二极管激光吸收光谱技术系统中的一些关键参数对系统灵敏度和精度有很大的影响,本文旨在通过对系该统的研究,总结出一些关键参数影响系统检测信号的一般规律,指导调谐二极管激光吸收光谱技术气体检测仪的研制。 本论文完成的主要工作如下: 1 阐述了本文的研究背景和意义,介绍了调谐

55、二极管激光吸收光谱技术的发展历程和技术特点,对国内外调谐二极管激光吸收光谱技术发展的现状和趋势进行了探讨,提出调谐二极管激光吸收光谱技术关键参数对调谐二极管激光吸收光谱技术的应用具有重要意义。 2)在气体吸收光谱学及谐波理论的基础上,搭建了调谐激光二极管吸收光谱技术用于气体检测的实验系统。根据调谐二极管激光吸收光谱技术对半导体激光器的要求选择了激光光源并对其调谐性能进行测试;阐述了激光控制单元、长光程气体池、光电接收器的选择及其性能分析。3)设计了系统对检测信号的预处理算法,包括:剔除误差与数据平均。4对奇次谐波和偶次谐波的变化规律进行分析,选择二次谐波信号作为本文研究的对象;讨论了锁相放大器

56、的积分时间和相位对输出谐波信号的影响,给出了本系统合适的积分时间选择和输出方式。 5 在一定的理论基础上通过实验分别分析了调制度、调制频率、扫描信号幅度、扫描信号频率对谐波信号幅值、信噪比、峰型对称性及峰宽的具体影响,总结出各调制参数影响检测信号的一般规律,并指出在明确系统功能及需求后如何选取参数优化系统,对此类系统的实际应用具有较强的指导意义。 6 探讨了以背景信号方式存在的噪声对检测信号产生的影响及解决方法,通过扣除背景信号可有效抑制剩余幅度调制和光学干涉条纹及其他一些干扰信号的影响,进而提高系统的检测灵敏度。 7)实现气体浓度检测是本系统的一个目标。给出了三种浓度反演的方法:通过比例关系

57、直接反演法、最小二乘拟合反演法和线性关系反演法,分析了这三种方法的原理和反演结果,通过对比,认为利用线性关系反演浓度能够得到较准确的预测值,同 时具备程序实现简单、计算量小的特点,因此本文选用线性关系法来进行气体浓度 反演。6.2 工作展望1 通过参数优化后系统对C02气体的检测灵敏度虽较课题研究初期提高了很多,但仍然低于C02检测的目标,如何进一步优化系统,改善系统各部分的噪声水平,提高信噪比,从而提高系统的检测灵敏度是下一步仍要努力的方向。2 本文目前只对一种激光器实现一种气体检测进行了深入研究。下一步可对系统中激光光源个数进行扩展,以实现可同时或轮流检测不同气体成分,拓展系统的应用范围。

58、本文所讨论的实验系统参数优化也为后续系统扩展提供了强有力的指导。 3 本文讨论的调谐二极管激光吸收光谱技术是基于电流调谐的,即通过改变激光二极管的注入电流来实现波长调制。对可调谐激光二极管,还可通过改变温度以实现二极管波长范围的改变,且通过改变温度可得到更宽的波长扫描范围,为同时检测多种气体成分提供了另一种思路。参考文献【l】 RamanathanK.Debler V.L.Kosusko M.et a1.Environmental Progress,1988, 74:230?235【2】 NamiesnikJ.Gorecki T.Bozena K.et al,Building and Environ.hat.1986, 12: