CN104316493B - 时分复用差分调制酒驾激光检测方法及装置 - Google Patents

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时分复用差分调制酒驾激光检测方法及装置，属于光电检测技术领域，为解决现有技术的问题，采用了时分复用差分调制技术对激光进行调制；调制波形中的低频扫描波分为低电流段、中电流段和高电流段；激光投射到待测乙醇气体上，经过乙醇气体吸收后的光线发送到光电探测器上，将光信号转化为电信号；光电探测器输出信号经过预处理后分为两路，一路输入到锁相放大器对M段的调制波形进行二次谐波检测；另一路直接接入数据采集与处理单元，用于提取L段和H段波形的基波；数据采集与处理单元将L段与H段的基波信号以及M段的二次谐波信号进行分析处理，计算出乙醇气体的浓度。

Description

时分复用差分调制酒驾激光检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用于乙醇气体浓度检测方法及装置，具体涉及种时分复用差分调制酒驾激光检测方法及装置，属于光电检测技术领域。
背景技术
近年来，我国的车祸惨况屡屡发生，而酒后驾车又是造成车祸的一大重要原因，对酒后驾车的检测显得尤为重要。国内目前主要采用传统设备“呼吸式酒精检测仪”进行酒驾检测，该方法不仅存在随机性强、检查效率低等缺陷，而且还耗费大量的人力、物力。因此研究出新型高效的酒驾检测方法及装置已经刻不容缓。
采用激光调制技术对酒精进行遥测方法是目前最新的检测方法，它利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。这种技术一般采用可调谐半导体激光器作为光源，控制发射激光的波长扫过待测气体分子的吸收峰，并检测进行吸收后的激光光强，由此来实现对分子浓度的测量。
但车窗玻璃、空气中的大颗粒粉尘等的阻挡散射会对激光强度产生一定的影响，要除去这一影响，使得检测结果更加准确，一般会再加一路激光作为参考光，通过两路激光的差分得出较精确的结果，但这种方式也会产生一些其他的不利影响，例如增加了成本，提高了设备的复杂性，降低了设备的可靠性等等。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出一种只用单路激光的时分复用差分调制酒驾激光检测方法及装置。
时分复用差分调制酒驾激光检测方法，是包括以下步骤，
步骤1，激光器驱动控制单元控制调制信号发生单元向激光器发出调制信号，所述调制信号为两部分信号的叠加，一部分为高频正弦加载波信号；另一部分信号为低频信号；所述高频正弦加载波同时输入到锁相放大器作为参考信号；所述低频信号分为L段、M段和H段；L段和H段电流恒定，激光器在该段电流驱动下的输出波长处于气体的非吸收区，该段用于对比消除环境产生的干扰；M段电流随时间均匀增大，使激光器的输出波长扫过乙醇气体吸收的中心波长，该段用于检测乙醇气体的浓度。
步骤2，激光器驱动控制单元根据调制信号控制激光器的注入电流，从而使激光输出波长扫过乙醇气体吸收的中心波长；
步骤3，激光投射到待测乙醇气体上，经过乙醇气体吸收后的光线发送到光电探测器上，将光信号转化为电信号；
步骤4，光电探测器输出信号经过预处理后分为两路，一路输入到锁相放大器对M段的调制波形进行二次谐波检测，再将检测结果输入到数据采集与处理单元；另一路直接接入数据采集与处理单元，用于提取L段和H段波形的基波；
步骤5，数据采集与处理单元将L段与H段的基波信号以及M段的二次谐波信号进行分析，将M段信号的光强IM作为一个参数，将L段和H段波形对应的光强数据取平均值，作为计算气体浓度的另一个参数，计算出待测乙醇气体的浓度。
时分复用差分调制酒驾激光检测装置，其特征是：包括激光器、调制信号发生单元、激光器驱动控制单元、光电探测器、探测器预处理电路、锁相放大器和数据采集与处理单元；
调制信号发生单元产生两路信号，一路加载至激光器驱动控制单元，另一路作为参考信号输入锁相放大器；
激光器驱动控制单元将调制信号发生单元输入的信号经电压电流转换后加载至激光器上；
激光器发射的激光经过汽车内的酒精气体吸收后的出射光入射到光电探测器上，光电探测器输出的电流信号经探测器预处理电路后转换成电压信号，该信号分别输入到锁相放大器和数据采集与处理单元内；
锁相放大器将调制信号发生单元输入的参考信号与探测器预处理电路所输入的电压信号进行处理，处理后得到的信号输入至数据采集与处理单元；
数据采集与处理单元将锁相放大器所输入的信号同探测器预处理电路所输入的信号进行处理得到被检测的乙醇气体浓度值。
本发明的有益效果：本发明具有响应速度快、选择性强、非接触测量等优点，能够满足交通管理部门对酒后驾驶的快速检测需求；同时，激光器只需要发射一束单一频率调制的激光即可完成高精度的乙醇气体检测，大大节省了设计成本。
附图说明
图1为本发明时分复用差分调制酒驾激光检测装置示意图。
图2为两路信号的波形图。
图3为本发明所述的信号调制解调示意图。
具体实施方式
下面结合图1和图2说明本系统的具体实施方式。
时分复用差分调制酒驾激光检测方法，其特征是，该方法包括以下步骤，
步骤1，激光器驱动控制单元控制调制信号发生单元向激光器发出调制信号，所述调制信号为两部分信号的叠加，一部分为高频正弦加载波信号；另一部分信号为低频信号；所述高频正弦加载波同时输入到锁相放大器作为参考信号；所述低频信号分为L段(低电流段)、M段(中电流段)和H段(高电流段)，L段和H段电流恒定，激光器在该段电流驱动下的输出波长处于气体的非吸收区，该段用于对比消除环境产生的干扰；M段电流随时间均匀增大，使激光器的输出波长扫过乙醇气体吸收的中心波长，该段用于检测乙醇气体的浓度。
步骤2，激光器驱动控制单元根据调制信号控制激光器的注入电流，从而使激光输出波长扫过乙醇气体吸收的中心波长。
步骤3，激光投射到待测乙醇气体上，经过乙醇气体吸收后的光线发送到光电探测器上，将光信号转化为电信号。
步骤4，光电探测器输出信号经过预处理后分为两路，一路输入到锁相放大器对M段的调制波形进行二次谐波检测，再将检测结果输入到数据采集与处理单元；另一路直接接入数据采集与处理单元，用于提取L段和H段波形的基波。
步骤5，数据采集与处理单元将L段与H段的基波信号以及M段的二次谐波信号进行分析，将M段信号的光强IM作为一个参数，将L段和H段波形对应的光强数据取平均值，作为计算气体浓度的另一个参数，计算出待测乙醇气体的浓度。
如图1所示，时分复用差分调制酒驾激光检测装置，其包括激光器1、调制信号发生单元2、激光器驱动控制单元3、光电探测器4、探测器预处理电路5、锁相放大器6和数据采集与处理单元7。
调制信号发生单元2产生两路信号，一路加载至激光器驱动控制单元3，另一路作为参考信号输入锁相放大器6。
激光器驱动控制单元3将调制信号发生单元2输入的信号经电压电流转换后加载至激光器1上。
激光器1发射的激光经过汽车内的酒精气体吸收后的出射光入射到光电探测器4上，光电探测器4输出的电流信号经探测器预处理电路5后转换成电压信号，该信号分别输入到锁相放大器6和数据采集与处理单元7内。
锁相放大器6将调制信号发生单元2输入的参考信号与探测器预处理电路5所输入的电压信号进行处理，处理后得到的信号输入至数据采集与处理单元7。
数据采集与处理单元7将锁相放大器6所输入的信号同探测器预处理电路5所输入的信号进行处理得到被检测的乙醇气体浓度值。
工作时，激光器驱动控制单元3负责对激光器1进行驱动，它将由调制信号发生单元2所产生的叠加了正弦信号的差分调制波加载到激光器1上，并通过激光注入电流控制部分进行激光调制和扫描。如图2所示，调制信号由两部分波形叠加组成：一部分是低频扫描波，另一部分是高频加载波，即正弦波。低频扫描波信号叠加在激光器1电流的直流上，用来对激光器1的波长进行扫描；高频加载波信号叠加在低频扫描波上，用来调制输出激光的频率，并同时作为参考信号同探测器预处理电路5输出的电信号一起输入到锁相放大器6内。激光器发出的激光信号经过气体吸收后，经由光电探测器4将光信号转变成相应的电信号。通过对电信号提取基波和二次谐波进行数据处理来得出最终被测乙醇气体的浓度数据。
机动车内部的环境不同，不同时间不同路段的环境状况也不尽相同，这些因素都会对检测结果产生影响。为了消除环境的干扰，本实施例采用时分复用技术，将低频扫描信号分为L段、M段和H段。其中L段和H段的电流值保持不变，它们对应的激光器输出波长处于乙醇气体的非吸收区，两段光强的衰减只与环境因素的影响有关；M段的输出电流随着时间的增加而均匀增加，以控制发出的激光扫过待测气体的吸收峰，该段探测到的信号光强由待测气体浓度和环境状况共同决定。将L段和H段的测试光强取平均值，作为M段测量数据的参考，即可基本消除环境对检测结果的影响。
如图3所示，信号的处理过程，光电探测器将光信号转化为电信号以后，将M段的波形进行二次谐波提取，并对L段和H段的波形进行基波采集。M段信号二次谐波的变化主要取决于待测乙醇气体的浓度和环境因素的影响；L段和H段的基波信号反应了环境影响的强弱，将两段波形对应的光强数据区平均值，作为计算气体浓度的一个参数。通过M段信号的光强IM以及L段和H段信号的平均光强进行反演，即可计算出待测乙醇气体的浓度。
在将低频扫描波和高频加载波进行叠加后，叠加信号的频谱相对原始的高频加载波会有一定的偏移，而锁相放大器的参考信号来自于高频加载波信号，这使检测结果会存在一定偏差。因此在调制波形中，高频加载波的频率应该远大于低频扫描波的频率。这样在每一个极小的时间段内，可以将叠加后的调制信号认为是纯正的正弦信号，在此时间段内叠加信号的基线基本不变。由此即可将调制信号频率对测量结果的影响降到最低。

Claims (1)

1.时分复用差分调制酒驾激光检测方法，其特征是，该方法包括以下步骤，
步骤1，激光器驱动控制单元控制调制信号发生单元向激光器发出调制信号，所述调制信号为两部分信号的叠加，一部分为高频正弦加载波信号；另一部分信号为低频信号；
步骤2，激光器驱动控制单元根据调制信号控制激光器的注入电流，从而使激光输出波长扫过乙醇气体吸收的中心波长；
步骤3，激光投射到待测乙醇气体上，经过乙醇气体吸收后的光线发送到光电探测器上，将光信号转化为电信号；
步骤4，光电探测器输出信号经过预处理后分为两路，一路输入到锁相放大器对M段的调制波形进行二次谐波检测，再将检测结果输入到数据采集与处理单元；另一路直接接入数据采集与处理单元，用于提取L段和H段波形的基波；
步骤5，数据采集与处理单元将L段与H段的基波信号以及M段的二次谐波信号进行分析，将M段信号的光强IM作为一个参数，将L段和H段波形对应的光强数据取平均值，作为计算气体浓度的另一个参数，计算出待测乙醇气体的浓度；
步骤1中所述高频正弦加载波同时输入到锁相放大器作为参考信号；所述低频信号分为L段、M段和H段，L段和H段电流恒定，激光器在该段电流驱动下的输出波长处于气体的非吸收区，该段用于对比消除环境产生的干扰；M段电流随时间均匀增大，使激光器的输出波长扫过乙醇气体吸收的中心波长，该段用于检测乙醇气体的浓度。
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