CN103543124A - 一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，包括：1）驱动信号产生，由内置采集卡的DAQ驱动采集卡的模拟输出端产生电压信号，该信号加载到DFB激光驱动器上，用以调制DFB输出激光；2）气体吸收及探测，经调制的激光经气体吸收池携带有气体浓度信息；经光电探测器将该光信号转化成电信号，再由采集卡的模拟输入端采集；3）软件锁相及解调，采集的数据经软件锁相放大滤波算法，解调出气体浓度信息。本方法不采用庞大的硬件锁相放大设备，仅用一块数据采集卡及软件算法锁相，系统结构更简单，易于实现仪器化和便携化，降低了系统成本。本发明的软件相滤波算法保证了解调精度，获得较高灵敏度气体检测结果。

Description

一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法

技术领域

本发明属于传感及检测技术领域，具体涉及一种基于软件锁相的可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度系统装置和解调方法。

背景技术

近年来，许多大型煤矿、隧道等比较密闭的场所，经常发生爆炸和有毒气体中毒事故。在石油工业，煤炭矿井，冶金和隧道等场所，生产过程中产生的易燃易爆等有毒有害气体积聚，由于空间有限，空气不流通极易导致工人中毒，甚至发生爆炸事故。在当今工业快速发展时代背景下，对有毒有害气体的浓度检测显得越来越重要，实时准确的有毒有害气体的浓度检测，不仅能够保证工人的生命健康安全，而且能预防爆炸事故的发生，大大减少企业的经济损失。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的可调谐特性来进行光谱检测的一种吸收光谱技术。其主要原理是朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，结合波长调制及谐波探测技术，已发展成为一种高灵敏度、高分辨率、高选择性、快速响应的气体检测技术。TDLAS技术进行气体检测系统是将一个高频正弦波和低频锯齿波的叠加信号加载到激光器的驱动上，使得激光器的波长能覆盖整个气体吸收线，将调制的激光通过气体池，跟气体充分作用后，经光电探测器探测，转化成电信号经过前值滤波和锁相放大，得到与气体浓度成正比的二次谐波信号的强度，由此推算出待测气体的浓度值。TDLAS技术进行气体浓度的检测，主要是利用了分布反馈式半导体激光器（DFB LD）的可调谐特性，可以通过改变温度和电流来改变激光器的中心波长，这样可以使得激光器再外加调制信号时，实现波长的调制。TDLAS方法实现气体浓度检测主要是根据气体吸收线的二次谐波信号的强度来推算的，因此二次谐波信号的提取是整个系统的关键所在。之所以选择二次谐波信号强度作为气体浓度的衡量，是因为直接吸收法的灵敏度较低，二次谐波信号可以有效去除系统中偶然噪声，大大提高系统的灵敏度。

通常，基于二次谐波信号提取气体传感技术是通过任意波形发生器和锁相放大器共同构建气体传感系统来完成的，虽然它能够提取微弱信号，灵敏度高，稳定性好，但是，由于其体积庞大，笨重只能在实验室使用，在现场环境下不适用，不符合现代仪器便携式的要求。因此，发明一种可替代任意波形发生器和锁相放大器的一种仪器和算法是非常重要也是必要的。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法。与硬件锁相不同的是，软件锁相只用一个采集卡配以相应的算法就可以实现锁相放大器的功能，并且采集卡的模拟输出端口输出可以作为信号发生器输出，即可以节省成本，又可以实现系统的小型化和仪器化，具有很好的现场测试前景。由于本发明采用S-G滤波算法，因此，本发明基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法进一步提高了系统检测的灵敏度，不仅可以滤除噪声使信号平滑，而且不会产生相移，精度高，运算算速度快。

为了解决上述技术问题，本发明基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法予以实现的技术方案是：该方法包括以下步骤：

步骤一、驱动信号的产生，采用LABVIEW程序开发环境，在电脑中产生驱动信号，由内置的数据采集卡的DAQ驱动模块驱动采集卡的模拟输出端口产生电压信号，所述电压信号由BNC线加载到DFB激光器的驱动器上，用以驱动该DFB激光器发射经过调制的激光；

步骤二、气体吸收及探测，经过调制的激光通过气体吸收池后携带有气体的浓度信息；经光电探测器将携带有气体浓度的信号的光信号转化成电信号，再由采集卡的模拟输入端口采集到电脑中；

步骤三、软件锁相及解调，输入到电脑中的数据，经过软件锁相放大滤波算法，解调出此时气体吸收池的气体浓度信息。

进一步讲，本发明基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其中：

步骤一中包括：驱动信号的产生，以及驱动信号对激光器的调制，采集卡在此步骤中具有信号发生的器的功能；根据朗伯比尔定律：

I(υ)=I₀(υ)exp(-α(υ)cL)      (1)

I₀是未经气体吸收时的光强，α(υ)是气体吸收系数，c为吸收气体浓度,L为气体的吸收光程长；

当激光中心频率υ_c受到频率为ω的调制波调制时，其瞬时频率为：

υ=υ_c+δυcosωt      (2)

其中：δυ为调制幅度，ω为调制频率；

采用LABVIEW虚拟仪器技术实现扫描激光器的波长调制和调谐，所述激光器的波长调制和调谐采用锯齿波上叠加高频余弦实现的，可调谐激光器的驱动电压表示为

v(t)=v₀(t)+v_m(2πft)      (3)

其中，驱动电压的慢变包络v₀(t)为锯齿波，调谐信号v_m(2πft)为余弦波；驱动电压函数由LabVIEW软件生成并通过数据采集卡AO端口输出，对于锯齿波v₀(t)上的每一个值，采用振幅v_m、频率f的余弦波进行调制。

步骤二中，激光通过对不同浓度气体的吸收，经探测器转化得到不同吸收度的电压信号，具体如下：

光经过气体吸收后的强度用I(υ_c)的余弦Fourier级数表示，即

$I\left(\mathrm{\υ}\right)=I({\mathrm{\υ}}_c,t)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\left({\mathrm{\υ}}_c\right)\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)---\left(4\right)$

常温常压下，气体的吸收谱线是Lorentzian线型，气体吸收谱线的吸收系数关于中心频率υ₀对称，偶次谐波分量关于υ₀对称且在υ₀处幅值达到最大，奇次谐波在υ₀处为0，而偶次谐波随着谐波次数的增加会以10的幂级数衰减，故将二次谐波作为气体浓度的衡量。

步骤三中,软件锁相放大滤波算法是将采集卡采集到电脑中信号根据设定的阈值来判断信号的第一个点是否与参考信号同相位，如果同相位，进行锁相计算，否则，将后移一点重新判断，直至找到同相位点；

其中，进行锁相计算过程如下：

每个谐波分量A_n由下式表达：

$A_n\left({\mathrm{\υ}}_c\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{I}_0({\mathrm{\υ}}_c+\mathrm{\δ\υ}\cos \mathrm{\θ})\exp [-\mathrm{\α}({\mathrm{\υ}}_c+\mathrm{\δ\υ}\cos \mathrm{\θ})\mathrm{cL}]\cos \mathrm{n\θd\θ}---\left(5\right)$

其中，θ=ωt；采用离散Fourier级数计算周期光功率信号的二次谐波分量及其幅值，调制信号v_m(2πft)在每个周期内只能输出有限个数据点，设每个调制周期包含N个数据点，则二次谐波分量的幅值表示为：

$R_2=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)\cos \left(\frac{4\mathrm{\πk}}{N}\right)---\left(6\right)$

其中，I(k)代表每个数据点对应的光功率值，R₂代表每一个锯齿波点v₀(t)上的二次谐波幅值；此处的采集卡具有锁相放大器的作用，且数据采集卡的输入和输出端采用同步工作方式；当激光器在气体吸收带内扫描一个周期时，

与v₀(t)之间的关系曲线即为气体吸收光谱的二次谐波曲线；

二次谐波的幅值是根据公式（6）得到的，锁相的相位决定了R₂的大小，找到一个同相位点进行运算，从而得到锁相的最大值，为此，将采集信号的初始部分索引半个周期，并将索引数据的第一个值与最后一个值做差，所得到的数值与给定的余弦的峰峰值作比较，如果两者相减大于等于0，说明第一个点是这个周期零相位点，则进行锁相运算，否则，不是零相位点，后移一点重新计算，直到找到第一个零相位点，再进行锁相计算，从而满足零相位的点对整个扫描周期进行计算，得到整个二次谐波曲线，从而完成相敏检波过程。此过程最多只需要比较N/2个点就可以实现相位对准，计算量小，计算速度快。

虽然锁相算法可以对系统噪声进行抑制，但是鉴于很多偶然噪声的存在，单靠锁相算法去噪是不够的，因此，本发明采用S-G滤波算法，它的优点在于，不仅可以滤除噪声使信号平滑，而且不会产生相移，相比于巴特沃斯和切比雪夫滤波，均方差更小，更接近于真实信号，保障了后续拟合和标定的准确性，提高了系统的检测灵敏度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种新的锁相算法-软件锁相算法。此算法是基于LABVIEW虚拟仪器技术算法，取代了笨重，庞大的硬件锁相放大器的硬件锁相，在保证系统灵敏度的基础之上，简化了系统结构，便于实现小型化和仪器化。本发明中的系统只用一块采集卡，并配以相应的软件锁相算法即可同时实现驱动波形生成和锁相放大器的滤波、前置放大、相敏检波及锁相功能，不仅降低了系统成本，更易于实现系统集成，形成便携式仪器，方便现场气体检测使用，非常便捷。采集卡同时兼具信号发生器与锁相放大器的功能，由锯齿波与高频余弦波叠加的激光驱动信号由软件生成并由采集卡的模拟输出端口输出，而软件锁相所需要的原始数据是由采集卡的模拟输入端口采集。将待测信号一个余弦周期信号点与参考信号的余弦的二倍频信号同样的点数相乘求和，即得到待测信号在该点处的二次谐波信号的幅值。对整个调制信号的周期进行计算得到一个周期的二次谐波曲线，根据朗伯比尔定律，由二次谐波曲线峰值幅值即可计算得到待测气体的浓度值。锁相算法中相位是决定锁相精度的重要因素，软件相敏检波就是用来调整参考信号与待测信号的相位的，参考信号与待测信号要保证同相位，才能保证解调的精度。为了使两者同相位，本专利采用阈值法来判断，即根据设定的阈值来判断待测信号的第一个点是否与参考信号同相位，如果同相位，进行锁相计算，否则，将后移一点重新判断，直至找到同相位点，保证了解调信号的稳定性和高精度。

由于系统中有很多噪声干扰，因此要采用相应的滤波器，将噪声滤除，本发明中S-G滤波模块的设计和使用，得到了较为纯净的气体吸收信号。通过对不同浓度气体对应的二次谐波信号标定、反演计算，就可以得到待测气体的浓度值。

附图说明

图1是一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测原理图；

其中1是电脑，2是采集卡，3是激光器驱动器，4是DFB激光器，5是气体吸收池，6是光电探测器。

图2是软件锁相算法原理框图，其中21是相敏检波模块，22是锁相放大模块，23是S-G滤波模块；

图3是9:1的锯齿波与高频余弦信号的叠加信号；

图4是软件锁相出来的二次谐波信号；

图5是S-G滤波前后的对比；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

实现本发明基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法的系统原理图如图1所示。由LABVIEW软件在电脑1中产生9:1的锯齿波与高频余弦信号的叠加信号作为激光器的驱动信号，如图3所示，驱动信号经过采集卡内置的DAQ驱动模块驱动采集卡2的模拟输出（AO）端口产生电压信号，电压信号通过BNC线输送给3激光控制器，控制器3将电压信号转化成电流信号传送给激光器4，同时驱动器还能进行温度控制，是激光器在稳定的温度下工作，排除由于外界温度变化对激光器输出波长和功率的影响。激光器产生与驱动信号一致的激光信号通过气体吸收池5，携带了气体的浓度信息，输出的光信号经光电探测器6将携带有气体浓度的信号的光信号转化成电信号，再由BNC线接入采集卡2的模拟输入（AI）端口采集到电脑1中，由电脑的软件锁相放大滤波算法，实现二次谐波信号的解调，得到气体吸收的二次谐波的波形，解调出此时气体吸收池5的气体浓度信息，如图4所示，实时显示在电脑上。采集卡2具有信号发生器和锁相放大器双重功能。系统遵循朗伯-比尔定律

I(υ)=I₀(υ)exp(-α(υ)cL)      (1)

I₀是未经气体吸收时的光强，α(υ)是气体吸收系数，c为吸收气体浓度,L为气体的吸收光程长。

当激光中心频率υ_c受到频率为ω的调制波调制时，其瞬时频率为

υ=υ_c+δυcosωt      (2)

其中δυ为调制幅度，ω为调制频率。光经过气体吸收后的强度可以用I(υ_c)的余弦Fourier级数表示，即

$I\left(\mathrm{\υ}\right)=I({\mathrm{\υ}}_c,t)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\left({\mathrm{\υ}}_c\right)\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)---\left(3\right)$

每个谐波分量A_n可由下式表达

$A_n\left({\mathrm{\υ}}_c\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{I}_0({\mathrm{\υ}}_c+\mathrm{\δ\υ}\cos \mathrm{\θ})\exp [-\mathrm{\α}({\mathrm{\υ}}_c+\mathrm{\δ\υ}\cos \mathrm{\θ})\mathrm{cL}]\cos \mathrm{n\θd\θ}---\left(4\right)$

其中θ=ωt。

常温常压下，气体的吸收谱线是Lorentzian线型，将吸收谱线在中心频率υ₀处的吸收系数归一化，可得Lorentzian型吸收系数。由于气体吸收谱线的吸收系数关于中心频率υ₀对称，故偶次谐波分量关于υ₀对称且在υ₀处幅值达到最大，奇次谐波在υ₀处为0，而偶次谐波随着谐波次数的增加会以10的幂级数衰减，因此本发明将二次谐波作为气体浓度的衡量。采用LABVIEW虚拟仪器技术实现扫描激光器的波长调制和二次谐波提取。激光器的波长调制和调谐采用9:1的锯齿波上叠加高频余弦实现的，如图3所示可调谐激光器的驱动电压可表示为

v(t)=v₀(t)+v_m(2πft)      (5)

其中驱动电压的慢变包络v₀(t)为锯齿波，调谐信号v_m(2πft)为余弦波。驱动电压函数由LabVIEW软件生成并通过数据采集卡AO端口输出，气体吸收信号的采集通过数据采集卡的AI端口输入。AO端口和AI端口采用同步方式工作。对于锯齿波v₀(t)上的每一个值，采用振幅v_m、频率f的正弦波进行调制，采用离散Fourier级数计算周期光功率信号的二次谐波分量及其幅值。由于数据采集卡AO端口输出电压分辨率的限制，调制信号v_m(2πft)在每个周期内只能输出有限个数据点。设每个调制周期包含N个数据点，则二次谐波分量的幅值可表示为

$R_2=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)\cos \left(\frac{4\mathrm{\πk}}{N}\right)---\left(6\right)$

其中，I(k)代表每个数据点对应的光功率值，R₂代表每一个锯齿波点v₀(t)上的二次谐波幅值。对于锯齿波v₀(t)上的每一个值，调制信号连续调制3个周期，分别计算每个周期输出光功率信号二次谐波分量的幅值并求取平均值

输出。软件锁相的算法如图2所示，其中21是相敏检波模块，22是锁相放大模块，23是S-G滤波模块；采集的待测信号和参考信号同时输入锁相模块，首先将两个信号输送给相敏检波模块21进行相敏检波，找到两组信号同相位的点输送给锁相计算模块22进行计算，根据公式（6）进行锁相放大，本发明N取值为1000，当激光器在气体吸收带内扫描一个周期时，

与v₀(t)之间的关系曲线即为气体吸收光谱的二次谐波曲线，如图4所示。

二次谐波的幅值是根据公式（6）得到的，而锁相的相位决定了R₂的大小，因此找到一个同相位点进行运算，就可以得到锁相的最大值。为此，本发明将采集信号的初始部分索引半个周期，并将索引数据的第一个值与最后一个值做差，所得到的数值与给定的余弦的峰峰值作比较，如果两者相减大于等于0，则说明第一个点是这个周期零相位点，可以进行锁相运算，否则，不是零相位点，后移一点重新计算，直到找到第一个零相位点，再进行锁相计算。以满足零相位的点对整个扫描周期进行计算，就可以得到整个二次谐波曲线。这个过程就是相敏检波的过程，此过程最多只需要比较N/2个点就可以实现相位对准，计算量小，计算速度快。

虽然锁相算法可以对系统噪声进行抑制，但是鉴于很多偶然噪声的存在，单靠锁相算法去噪是不够的，因此本发明采用Savitzky-Golay滤波，简称S-G滤波算法，使用S-G滤波模块前后的效果如图5所示，将滤波后的二次谐波曲线提取峰值点，根据二次谐波的峰值点强度推算气体的浓度，根据已知气体浓度的二次谐波的峰值点对系统做标定，进而推算待测气体的浓度值。它的优点在于，不仅可以滤除噪声使信号平滑，而且不会产生相移，相比于巴特沃斯和切比雪夫滤波，均方差更小，更接近于真实信号，保障了后续拟合和标定的准确性，提高了系统的检测灵敏度。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其特征在于：

步骤一、驱动信号的产生，采用LABVIEW程序开发环境，在电脑中产生驱动信号，由内置的数据采集卡的DAQ驱动模块驱动采集卡的模拟输出端口产生电压信号，所述电压信号由BNC线加载到DFB激光器的驱动器上，用以驱动该DFB激光器发射经过调制的激光；

步骤二、气体吸收及探测，经过调制的激光通过气体吸收池后携带有气体的浓度信息；经光电探测器将携带有气体浓度的信号的光信号转化成电信号，再由采集卡的模拟输入端口采集到电脑中；

步骤三、软件锁相及解调，输入到电脑中的数据，经过软件锁相放大滤波算法，解调出此时气体吸收池的气体浓度信息。

2.根据权利要求1基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其中，步骤一中包括：驱动信号的产生，以及驱动信号对激光器的调制，采集卡在此步骤中具有信号发生的器的功能；根据朗伯比尔定律：

I(υ)=I₀(υ)exp(-α(υ)cL)      (1)

I₀是未经气体吸收时的光强，α(υ)是气体吸收系数，c为吸收气体浓度,L为气体的吸收光程长；

当激光中心频率υ_c受到频率为ω的调制波调制时，其瞬时频率为：

υ=υ_c+δυcosωt      (2)

其中：δυ为调制幅度，ω为调制频率；

采用LABVIEW虚拟仪器技术实现扫描激光器的波长调制和调谐，所述激光器的波长调制和调谐采用锯齿波上叠加高频余弦实现的，可调谐激光器的驱动电压表示为

v(t)=v₀(t)+v_m(2πft)      (3)

其中，驱动电压的慢变包络v₀(t)为锯齿波，调谐信号v_m(2πft)为余弦波；驱动电压函数由LabVIEW软件生成并通过数据采集卡AO端口输出，对于锯齿波v₀(t)上的每一个值，采用振幅v_m、频率f的余弦波进行调制。

3.根据权利要求1基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其中，步骤二中激光通过对不同浓度气体的吸收，经探测器转化得到不同吸收度的电压信号，具体如下：

光经过气体吸收后的强度用I(υ_c)的余弦Fourier级数表示，即

$I\left(\mathrm{\υ}\right)=I({\mathrm{\υ}}_c,t)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\left({\mathrm{\υ}}_c\right)\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)---\left(4\right)$

常温常压下，气体的吸收谱线是Lorentzian线型，气体吸收谱线的吸收系数关于中心频率υ₀对称，偶次谐波分量关于υ₀对称且在υ₀处幅值达到最大，奇次谐波在υ₀处为0，而偶次谐波随着谐波次数的增加会以10的幂级数衰减，故将二次谐波作为气体浓度的衡量。

4.根据权利要求1基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其中，步骤三中软件锁相放大滤波算法是将采集卡采集到电脑中信号根据设定的阈值来判断信号的第一个点是否与参考信号同相位，如果同相位，进行锁相计算，否则，将后移一点重新判断，直至找到同相位点；

其中，进行锁相计算过程如下：

每个谐波分量A_n由下式表达：

$A_n\left({\mathrm{\υ}}_c\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{I}_0({\mathrm{\υ}}_c+\mathrm{\δ\υ}\cos \mathrm{\θ})\exp [-\mathrm{\α}({\mathrm{\υ}}_c+\mathrm{\δ\υ}\cos \mathrm{\θ})\mathrm{cL}]\cos \mathrm{n\θd\θ}---\left(5\right)$

其中，θ=ωt；采用离散Fourier级数计算周期光功率信号的二次谐波分量及其幅值，调制信号v_m(2πft)在每个周期内只能输出有限个数据点，设每个调制周期包含N个数据点，则二次谐波分量的幅值表示为：

$R_2=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)\cos \left(\frac{4\mathrm{\πk}}{N}\right)---\left(6\right)$

其中，I(k)代表每个数据点对应的光功率值，R₂代表每一个锯齿波点v₀(t)上的二次谐波幅值；此处的采集卡具有锁相放大器的作用，且数据采集卡的输入和输出端采用同步工作方式；当激光器在气体吸收带内扫描一个周期时，

与v₀(t)之间的关系曲线即为气体吸收光谱的二次谐波曲线。

Images