CN101149342A - 激光气体遥测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

激光气体遥测的方法，采用对注入的电流直接调制的半导体激光器作为发射的测量光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，采用对数二次谐波探测方法对气体吸收信号进行探测和处理；测量光源即测量主激光器(1)发出被调制的连续的窄线宽激光，经过光纤合波器(3)，从置于透镜(5)轴心部位的光纤准直器(4)出射，出射的激光通过待测气体(6)后被反射目标(7)反射，反射光经过透镜(5)汇聚于光电探测器(8)转换为电信号，经过探测模块(9)的放大和滤波，由微处理器控制系统(13)采集并采用对数二次谐波算法处理后得到待测气体浓度。

Description

激光气体遥测的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种气体检测的方法和装置，特别涉及到基于激光光谱技术的气体遥测方法与装置，主要用于气态物质浓度的遥测。

背景技术

气体的探测，尤其是可燃、易爆、有毒有害气体的探测，对工农业生产、人民生活、科学研究和国家安全至关重要。

目前，监测气体的技术有多种方案，如：光学式、接触燃烧式、半导体式、酶和生物式、电化学直接氧化式等。光学式传感器的具有许多其他传感器无法比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大等。光学传感器的检测原理大致有：(1)吸收光谱法，探测被测气体的特征吸收谱线。(2)折射率法，探测被测气体引起的折射率变化。(3)拉曼光谱法，探测被测气体的拉曼光谱。(4)荧光光谱法，探测被测气体在光激发下产生的荧光光谱。相比之下，吸收光谱式具有选择性高、可靠性高、寿命长、成本低等优势，因此受到广泛重视。

激光具有的高单色性、方向性和高强度，使其成为气体探测的理想工具。现有技术之一[刘文清等，可调谐二极管激光吸收光谱法监测环境空气中甲烷的浓度变化，中国激光，第32卷，第9期，2005年9月]提出一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体检测方案，通过采用多次反射吸收池，获得了较高的甲烷气体的检测精度。其系统的光学部分主要包括作为光源的近红外可调谐半导体激光器、参考气体吸收池和多次反射气体吸收池。但该方案由于采用封闭式结构的气体吸收池，只能用于单点的气体检测，不能实现气体的遥测。

现有技术之二[尹王保等人，单激光源谐波遥感探测甲烷研究，中国激光，第30卷，第10期，2003年10月]中提出了一种使用单一外腔可调谐半导体激光光源，利用谐波探测技术进行遥感探测甲烷的方案，该方案采用开腔样品池结构和光收发同轴结构，以地形靶的反射光谱为检测信号，可实现一定区域的甲烷遥感监测。但该方案使用了结构复杂的外腔式半导体激光器作为光源，体积较大，不适合便携式应用。而且采用了一次谐波与二次谐波比值法进行浓度计算，测量信噪比和线性度不高。

发明内容

本发明目的为：克服现有技术的不足，提出利用激光对气体进行遥测的方法和装置，尤其是提出一种基于半导体激光器注入电流直接调制的对数二次谐波技术的激光气体遥测方法，以及提供一种具有高稳定度、高灵敏度的适合便携式应用的激光气体遥测装置。

激光气体遥测的方法，采用对注入的电流直接调制的半导体激光器作为发射的测量光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，采用对数二次谐波探测方法对气体吸收信号进行探测和处理，为气体遥测技术提供了新的实现方法：具体方法是，测量光源即测量主激光器1发出被调制的连续的窄线宽激光，经过光纤台波器3，从置于透镜5轴心部位的光纤准直器4出射，出射的激光通过待测气体6后被反射目标7反射，反射光经过透镜5汇聚于光电探测器8转换为电信号，经过探测模块9的放大和滤波，由嵌入式控制系统13采集并采用对数二次谐波算法处理后得到待测气体浓度，由显示单元14显示测量结果。

注入测量激光器的(电流)调制波形：低频三角波或锯齿波对高频正弦扫描波调制构成，正弦波频率一般大于1KHz，尤其1KHz-1000KHz，典型的是10-100KHz，图例为10kHz；三角波的频率一般小于100Hz，尤其1-100Hz，图例为10Hz；正弦波频率应该远远大于三角波的频率，一般至少在两个数量级以上。在一个三角波或锯齿波周期中，波长调制中心与气体吸收峰重合一次。取得此时刻对数二次谐波的幅度，计算出气体浓度。

本发明的激光气体遥测方法的工作原理：光源1的驱动电流是在一个直流偏置上被一个正弦波形调制，同时叠加一个锯齿波或低频三角波，激光器输出光强和工作波长相应地被调制：

I＝I₀[1+a₁cos(ωt+φ₁)+a₂cos(2ωt+φ₂)]    (1)

λ＝λ_L+Δλcosωt    (2)

式中ω为调制的角频率，Δλ为波长调制幅度。

根据比尔-朗伯定理，经过空间分布长度为l的气体吸收并被反射目标反射后的光强为I_out＝kIexp[-α(λ)cl]，式中c为气体浓度，k为收光系数(即没有被测气体情况下，系统的接收到的功率和出射功率的比值)，α(λ)为气体的吸收线，在常温常压下具有洛仑兹线型：α＝α₀/[1+(λ-λ_p)²/(δλ)²]。其中δλ为半高半宽。输出光强可以写为：

$I_{\mathrm{out}}={\mathrm{kI}}_0(1+a_1\cos \mathrm{\ω}+a_2\cos 2\mathrm{\ωt})\exp \frac{-{\mathrm{\α}}_0\mathrm{cl}}{1+{(\mathrm{\μ}+M\cos \mathrm{\ωt})}^2}---\left(3\right)$

式中μ＝(λ_L-λ_p)/δλ为激光波长相对于吸收峰值的偏离度；M＝Δλ/δλ为波长调制度。

(3)式中指数项的分式可以作傅里叶级数展开，得到：

$\frac{1}{1+{(\mathrm{\μ}+M\cos \mathrm{\ωt})}^2}=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)---\left(4\right)$

$S_n=\{\frac{j^n{[(1+\mathrm{j\μ})-\sqrt{{(1+\mathrm{j\μ})}^2+M^2}]}^n}{M^n\sqrt{{(1+\mathrm{j\μ})}^2+M^2}}+c.c.\}(1-\frac{{\mathrm{\δ}}_{n0}}{2})---\left(4a\right)$

对式(3)两边取对数，lnI_out＝lnkI-αcl。其中lnkI可以展开为：

$\ln \mathrm{kI}=\ln k{I}_0+\ln (1+a_1\cos \mathrm{\ωt}+a_2\cos 2\mathrm{\ωt})$

$=\ln k{I}_0+a_0^{*}+a_1^{*}\cos \mathrm{\ωt}+a_2^{*}\cos 2\mathrm{\ωt}+......---\left(5\right)$

式中a₀ ^*，a₁ ^*，a₂ ^*是激光器调制参数a₁，a₂的函数。记 $I_{\mathrm{out}}^{*}=\ln I_{\mathrm{out}},$ $I_0^{*}=\ln k{I}_0+a_0^{*},$ 可得对数坐标下光信号谐波的表达式：

$I_{\mathrm{out}}^{*}=I_0^{*}+a_1^{*}\cos \mathrm{\ωt}+a_2^{*}\cos 2\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\α}}_0\mathrm{cl}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)---\left(6\right)$

可以看出，取对数的过程将总光强表示为各次谐波幅度线性组合的形式。从(6)式得到二次谐波的幅度为： $I_2^{*}=a_2^{*}-{\mathrm{\α}}_0\mathrm{cl}{S}_2.$ 由此可得气体的路径积分浓度的计算公式为：

$\mathrm{cl}=\frac{a_2^{*}-I_2^{*}}{{\mathrm{\α}}_0{S}_2}---\left(7\right)$

(7)式各量与光源功率I₀和收光系数k无关，不仅方便了处理，而且还大大减弱了光源光强波动、反射目标反射系数、光电探测电路增益系数改变等因素引入的误差。cl、S₂\α₀的定义：cl为气体的路径积分浓度；S₂为二次傅里叶系数，见式(4)和(4a)；α₀为气体的峰值吸收系数。

激光气体遥测装置，如图1框图所示，包括测量光源1，目标指示光源2，光纤合波器3，光纤准直器4，透镜5，待测气体6，反射目标7，光电探测器8，探测模块9，激光器温控模块10，激光器直流驱动模块11，激光器交流驱动模块12，微处理器控制系统13，显示单元14构成；接收光学模块中的光电探测器8经放大和滤波的探测模块9并经放大器连接微处理器控制系统13，微处理器控制系统13包括嵌入式控制及信号处理电路，输出接口连接显示电路、通讯接口电路、键盘、报警电路；嵌入式控制系统的输出其输出端连接激光控制电路；激光控制电路包括激光高频调制电路、激光温度控制电路、激光低频扫描电路、激光器直流驱动电路；激光控制电路的输出驱动测量主激光器。微处理器尤其是采用嵌入式控制及信号处理电路(如ARM处理器)。

本发明的激光气体遥测装置的基本工作过程如下：

如图1所示，由激光器温控模块10、激光器直流驱动模块11、激光器交流驱动模块12为测量光源1提供温度控制、直流偏置和交流调制，测量光源1发出被调制的连续的窄线宽激光，该窄线宽激光和从目标指示光源2发出的指示激光经过光纤合波器3，从置于透镜5轴心部位的光纤准直器4出射，出射的窄线宽激光通过待测气体6后被反射目标7反射，反射光经过透镜5汇聚于光电探测器8转换为电信号，经过探测模块9的放大和滤波，由嵌入式控制系统13采集并采用对数二次谐波算法处理后得到待测气体浓度，由显示单元14显示测量结果。

上面所说的测量光源1为半导体激光器，其线宽应该远远小于待测气体6的吸收峰宽度，其波长扫描范围应该大于待测气体6的吸收峰宽度。一般可以为光纤耦合输出的分布反馈(DFB)半导体激光器或分布布拉格反射(DBR)半导体激光器。

所说目标指示光源2为可见光波段的半导体激光器，如红光半导体激光器或蓝光半导体激光器。

所说的光纤合波器3是用来实现测量光源1和目标指示光源2合路的光纤元件，可以是光纤耦合器、或是光纤复用器。

所说的光纤准直器4是指出射光为平行光的的光纤元件。

所说的透镜5是用来收集从反射目标反射的激光的汇聚透镜，为减轻重量和体积，可以是菲涅耳透镜。

所说的待测气体6，是本发明的测量对象，它可以是具有吸收测量光源1发出光能特性的任何气态物质，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳等。

所说的反射目标7可以是树木、地面、墙壁、管道等具有一定反射和散射特性的物质，也可以是特意设置的反射镜。

所说的光电探测器8的功能是将光信号转换为电信号，光电探测器的响应波长应在测量光源1发射的光信号的波段，它们可以是光电二极管，或是光电池等。

所说的探测模块9的功能是对信号进行放大和滤波。

所说的激光器温控模块10的功能是对测量光源1进行温控，以稳定测量光源的中心波长。

所说的激光器直流驱动模块11的功能是为测量光源1提供高稳定度的直流偏置。

所说的激光器交流驱动模块12的功能是为测量光源1提供高频正弦波调制和低频锯齿波扫描电流。

所说的嵌入式控制系统13负责控制激光器温控模块10、激光器直流驱动模块11、激光器交流驱动模块12的参数设置，对来自探测模块9的信号进行A/D转换和同步采集，并根据本发明的对数二次谐波方法计算得到待测气体的浓度信息。一般可以采用低功耗的单片机来实现，例如ARM嵌入式处理器。

所说的显示单元14的功能是显示测量结果，一般为低功耗的液晶显示器或发光二极管(LED)显示器。

从上述可知，本发明具有以下特点和优点：

1)本发明采用注入电流直接调制的半导体激光器作为发射光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，与其他先技术相比，具有结构简单、体积小巧，便于便携式应用；

2)采用对数二次谐波探测技术对气体吸收信号进行探测和处理，测量与光源功率波动和反射目标特性无光，不仅方便了处理，还大大减弱了光源光强波动、反射目标反射系数、光电探测电路增益系数改变等因素引入的误差，测量信噪比和测量稳定高。

附图说明

图1本发明的激光气体遥测装置的系统结构。

图2是本发明波形图

图3是本发明装置系统结构图

图4是甲烷气体在近红外波段的吸收谱

图5是乙炔气体在近红外波段的吸收谱

图6是氨气气体在近红外波段的吸收谱

图7是一氧化碳气体在近红外波段的吸收谱

图8是硫化氢气体在近红外波段的吸收谱

图中半导体激光器的激光波长处于近红外波段，因此只要在近红外波段有吸收峰的气体都可以用本发明技术测量。图中横坐标为波长，单位微米，纵坐标为吸收系数。

具体实施方式

如图1所示的结构。其中，测量光源1采用波长为1.65微米的分布反馈(DFB)半导体激光器，输出功率5毫瓦，此波段对应甲烷的气体吸收峰。由激光器交流驱动模块12提供交流调制，调制方式是采用正弦调制加三角波调制的方法，正弦波频率为4kHz，三角波的频率为3Hz。激光器温控模块10将激光器中心波长控制于甲烷吸收线附近，温控精度约为摄氏0.1度。

目标指示光源2采用650纳米的红光光源。光纤合波器3采用熔融拉锥光纤波分复用器。光纤准直器4为单模光纤准直器。透镜5采用焦距为5厘米的菲涅耳透镜。光电探测器采用InGaAs光电探测器。显示单元14为液晶显示屏。

嵌入式控制系统13采用ARM处理器。如ARM7的S3C44B0嵌入式CPU模块，包括附设的动态读写存储器SDRAM0122和串行E²PROM，电源，S3C44B0嵌入式CPU模块连接显示屏芯片再接显示器；通讯接口采用RS-485或RS-232等。

测量时，嵌入式控制系统13系统首先将采集得到原始信号进行快速傅里叶变换，得到二次谐波分量，然后取对数。由于在注入电流上叠加了三角波或锯齿波，波长调制中心在气体吸收峰周围往复移动，在一个三角波周期中，波长调制中心与气体吸收峰重合二次。当两者重合时，二次谐波的幅度应有最大值。取得二次谐波幅度在半个三角波周期中的最大值，按照公式(7)计算出气体的路径积分浓度。

本实施例只是以甲烷气体探测为例来说明，并不限于甲烷测量。只需改变测量光源1的波长来对准不同气体的吸收峰，就可以测量相应的气体。例如，乙烯吸收峰为1532.8nm，氨气为1544nm，一氧化碳为1567nm，二氧化碳为1572nm，等。

另外，需指出的是，本发明不只是用于单一气体的测量，还可以用于多种成分气体的测量。当测量光源1为可调谐半导体激光，在其调谐范围内存在吸收峰的气体就都可以测量。

Claims (10)

1.激光气体遥测的方法，其特征是采用对注入的电流直接调制的半导体激光器作为发射的测量光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，采用对数二次谐波探测方法对气体吸收信号进行探测和处理；测量光源即测量主激光器(1)发出被调制的连续的窄线宽激光，经过光纤合波器(3)，从置于透镜(5)轴心部位的光纤准直器(4)出射，出射的激光通过待测气体(6)后被反射目标(7)反射，反射光经过透镜(5)汇聚于光电探测器(8)转换为电信号，经过探测模块(9)的放大和滤波，由微处理器控制系统(13)采集并采用对数二次谐波算法处理后得到待测气体浓度。

2.根据权利要求1所述的激光气体遥测的方法，其特征是注入测量激光器的电流调制波形是：由低频三角波或锯齿波对高频正弦扫描波调制构成，正弦波频率1KHz-1000KHz，三角波或锯齿波的频率为1-100Hz，在一个三角波或锯齿波周期中，波长调制中心与气体吸收峰重合一次，取得此时刻对数二次谐波的幅度，计算出气体浓度。

3.根据权利要求1所述的激光气体遥测的方法，其特征是另设有一目标指示光源(2)，所述光源为可见光波段的半导体激光器；所说的光纤合波器(3)是用来实现测量光源(1)和目标指示光源(2)合路的光纤元件，光纤合波器是光纤耦合器或是光纤复用器。

4.根据权利要求1所述的激光气体遥测的方法，其特征是所述的测量光源(1)为半导体激光器，其线宽远小于待测气体(6)的吸收峰宽度，其波长扫描范围应该大于待测气体(6)的吸收峰宽度；为光纤耦合输出的分布反馈(DFB)半导体激光器或分布布拉格反射(DBR)半导体激光器。

5.根据权利要求1所述的激光气体遥测的方法，其特征是所说的光纤准直器(4)是指出射光为平行光的的光纤元件。

6.根据权利要求1所述的激光气体遥测的方法，其特征是所说的透镜(5)是用来收集从反射目标反射的激光的汇聚透镜，汇聚透镜是菲涅耳透镜。

7.根据权利要求1所述的激光气体遥测的方法，其特征是所说的光电探测器(8)的功能是将光信号转换为电信号，光电探测器的响应波长应在测量光源(1)发射的光信号的波段，它们可以是光电二极管，或是光电池。

8.激光气体遥测的装置，其特征是包括测量光源(1)，目标指示光源(2)，光纤合波器(3)，光纤准直器(4)，透镜(5)，待测气体(6)，反射目标(7)，光电探测器(8)，探测模块(9)，激光器温控模块(10)，激光器直流驱动模块(11)，激光器交流驱动模块(12)，微处理器控制系统(13)，显示单元(14)构成；接收光学模块中的光电探测器(8)经放大和滤波的探测模块9并经放大器连接微处理器控制系统(13)，微处理器控制系统(13)包括嵌入式控制及信号处理电路，输出接口连接显示电路、通讯接口电路、键盘、报警电路；嵌入式控制系统的输出其输出端连接激光控制电路；激光控制电路包括激光高频调制电路、激光温度控制电路、激光低频扫描电路、激光器直流驱动电路；激光控制电路的输出驱动测量主激光器。

9.根据权利要求8所述的激光气体遥测的装置，其特征是透镜(5)采用焦距为5厘米的菲涅耳透镜，光电探测器采用InGaAs光电探测器。

10.根据权利要求8所述的激光气体遥测的装置，其特征是测量光源1采用光纤耦合输出的分布反馈(DFB)半导体激光器或分布布拉格反射(DBR)半导体激光器，目标指示光源(2)采用650纳米的红光光源；光纤合波器(3)采用熔融拉锥光纤波分复用器；光纤准直器(4)为单模光纤准直器。

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