CN104568835A - 一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法，属于光纤气体检测技术领域。半导体激光器作为气体浓度检测系统的光源，其发出的光通过耦合器一分为二，一路经气室后打到光电探测器a上，另一路直接打到光电探测器b上，两路光电探测器输出的电流信号经过电流转电压电路转化为电压信号，一路是含有气体浓度信息的信号光I，另一路是不含气体浓度信息的参考光I₀。利用除法电路将两路信号相除，其结果输入到锁相电路，得到没有剩余幅度调制的二次谐波信号。除法是一种预处理技术，将两路信号相除，能完全消除剩余幅度调制对二次谐波的影响，同时还能消除强度噪声提高信噪比。因此利用除法电路处理两路信号能提高气体浓度检测的精度。

Description

一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法，具体的讲是一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法，属于光纤气体检测技术领域。

背景技术

在许多领域中痕量气体的检测和分析发挥着重要的作用，比如在煤矿中对甲烷气体的实时检测，高压传输装备中水蒸气的检测，以及在石油化工、冶金、农业、医疗中对痕量气体的检测。光学检测方法具有传统方法不可比拟的优势：非接触式遥测能力、测量的安全性、传感单元结构简单、稳定可靠、易于组成光纤传感网络。相比其他光学检测方法，可调谐激光吸收光谱技术和波数调制光谱技术应用更加广泛，锁相电路具有很窄的带宽，能够充分滤除多余的噪声。但是在可调谐激光吸收光谱和波数调制光谱中，当半导体激光器的输出光的波数受到调制时，会伴随着不同程度的光功率起伏，这种现象被称为剩余幅度调制。剩余幅度调制影响二次谐波的基线，使二次谐波的基线有一个轻微的倾斜，这是因为半导体激光器的功率/电流调制特性存在一个微弱的非线性。剩余幅度调制会引起信号的偏移，使激光的噪声通过锁相电路输出，因此剩余幅度调制会影响测量的准确性。为降低剩余幅度调制的影响，邓广福在论文“基于可调谐激光光谱的矿井瓦斯气体传感系统的研究”(吉林大学博士学位论文)采取以下几种方法：1.引入一个和剩余幅度调制等值反号的信号，对偏差进行补偿；2.在采用封闭气室的系统中，先测得零气时的背景谱，然后将测得的气体吸收光谱减去该背景谱；3.通过减小气体压力缩小气体的吸收线宽，此时可以将调制幅度取值很小，剩余幅度调制也会降低；4.检测高次谐波。但是，以上方法中对偏差进行补偿难度较大，由于工作在常温常压下，气体的吸收谱线较宽，调制幅度较大，所以剩余幅度调制引起的背景信号很大。在开放光路系统中，很难测得零气背景谱，并且高次谐波的幅度很小，信号提取非常困难。

为了提高系统的测量精度，消除剩余幅度调制势在必行。

发明内容

为了消除剩余幅度调制的影响，提高系统的测量精度，本发明提出了一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法，利用除法预处理技术，把一路含有气体浓度信息的信号光I与另一路是不含气体浓度信息的参考光I₀相除。这样能消除二次谐波的剩余幅度调制，提高系统检测的精度。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法，由以下光纤传感系统来实现，该光纤传感系统包括半导体激光器、ARM驱动电路、温度控制器、耦合器、气室、光电探测器a、光电探测器b、电流转电压电路a、电流转电压电路b、除法电路、锁相电路和计算机，其中ARM驱动电路和温度控制器分别与半导体激光器相连接，半导体激光器经光纤与耦合器相连接，耦合器经光纤分别连接到气室和光电探测器b，气室的另一端经光纤连接到光电探测器a；光电探测器a、光电探测器b的输出端分别连接到电流转电压电路a和电流转电压电路b，电流转电压电路a和电流转电压电路b的输出端分别连接到除法电路的输入端，除法电路的输出端连接到锁相电路，锁相电路和计算机相连接，该方法步骤如下：

(1)将上述光纤传感系统连接好，将待测气体放入气室内；

(2)温度控制器用来控制半导体激光器内部的温度，ARM驱动电路发出低频梯形波扫描信号与高频正弦波调制信号，两路信号叠加用来调谐半导体激光器发出光的波数，当半导体激光器发出的光的波数范围包含一个或几个待测气体的吸收线的波数，光通过气室时，对应波数的光将被待测气体吸收，此时待测气体对光的吸收遵守比尔—朗伯(Beer-lambert)定律：

I＝I₀exp[-α(υ)CL]    (1)

其中α(υ)是吸收系数，C是待测气体的浓度，L是气室长度，I₀是入射光强，I是透射光强,υ是波数；

(3)吸收系数α(υ)被定义为： $\mathrm{\α}\left(\mathrm{\υ}\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0}{1+{\left(\frac{\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_0}{\mathrm{\γ}}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，υ₀为中心吸收波数，α₀为在中心吸收波数处的吸收系数，γ为吸收线半宽；

(4)因为α(υ)CL<<1，因此

exp[-α(υ)CL]≈1-α(υ)CL    (3)

(5)当半导体激光器的输出光的波数受到调制时，会伴随着不同程度的光功率起伏，在可调谐激光吸收光谱和波数调制光谱中，利用低频梯形波扫描信号和高频正弦波调制信号叠加进行驱动半导体激光器，实现波数扫描，考虑到强度调制的影响，因此信号光强为:

I＝[I(υ₁)+ΔI(υ₁)·cos(ωt)]·exp[-α(υ)CL]    (4)

其中I(υ₁)为梯形波扫描信号的功率，ΔI(υ₁)是正弦波调制信号的功率，υ₁为半导体激光器的中心波数，ω为正弦波调制信号的角频率，参考光强为：

I₀＝I(υ₁)+ΔI(υ₁)·cos(ωt)    (5)

(6)将两路信号输入到除法电路，除法电路的输出结果为：

I_out＝I/I₀

＝exp[-α(υ)CL]    (6)

≈1-α(υ)CL

从除法电路的输出结果看出它能抑制强度噪声；

(7)在可调谐激光吸收光谱和波数调制光谱中，利用高频正弦波调制使激光器输出光的波数呈正弦变化，激光器输出光的波数如下：

υ＝υ₁+δ_υ·cos(ωt-ψ)    (7)

其中υ₁为半导体激光器的中心波数，δ_υ为波数调制幅度，ψ为频率调制和幅度调制相位差；

(8)令θ＝ωt-ψ    (8)

所以υ＝υ₁+δ_υ·cosθ    (9)

令吸收系数α(ν)＝α₀·f(θ)    (10)

其中 $f\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{1}{1+{(\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_1-{\mathrm{\&upsi;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}}+m\cos \mathrm{\&theta;})}^2}---\left(11\right)$

α₀＝N₀S/πγ    (12)

上述(11)、(12)式中m为调制深度，N₀为单位压强、单位体积吸收气体的总粒子数，S为分子吸收线强度；

(9)利用傅里叶级数把f(θ)展开：

$f\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\{a_0+\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_n\cos \left(\mathrm{n\&theta;}\right)\}---\left(13\right)$

其中傅里叶系数 $a_0=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}f\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}---\left(14\right)$

$a_n=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}f\left(\mathrm{\&theta;}\right)\cos \left(\mathrm{n\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}---\left(15\right)$

(10)把(10)、(13)式带入到中(6)式中，得到输出I_out如下：

I_out＝1-α₀CLa₀(υ₁)-α₀CLa₁(υ₁)cos(ωt-ψ)

                (16)

-α₀CLa₂(υ₁)cos(2ωt-2ψ)-α₀CLa₃(υ₁)cos(3ωt-3ψ)-...

(11)通过锁相电路检出(16)式中含有2ω的项，其中二次谐波信号为：

I_2ω＝-α₀CLa₂(υ₁)cos(2ωt-2ψ)    (17)

从(17)式中可以看出，锁相电路输出的信号只含有2ω的频率分量，不含有其他的频率成分，因此利用除法电路和锁相电路能消除剩余幅度调制对二次谐波的影响。

本发明的待测气体包括水蒸气、甲烷、乙炔等气体。

本发明采用除法电路这种预处理方法，具有成本低廉，操作简单的优点，能完全消除剩余幅度调制对二次谐波的影响，还能消除强度噪声对检测结果的影响，提高系统的检测精度。

附图说明

图1是本发明光纤传感系统的结构示意图。图2是本发明光纤传感系统中除法电路的电路图，在实施例中除法电路选用集成电路AD734。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1所示，一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法，由以下光纤传感系统来实现，该光纤传感系统包括半导体激光器、ARM驱动电路、温度控制器、耦合器、气室、光电探测器a、光电探测器b、电流转电压电路a、电流转电压电路b、除法电路、锁相电路和计算机，其中ARM驱动电路和温度控制器分别与半导体激光器相连接，半导体激光器经光纤与耦合器相连接，耦合器经光纤分别连接到气室和光电探测器b，气室的另一端经光纤连接到光电探测器a；光电探测器a、光电探测器b的输出端分别连接到电流转电压电路a和电流转电压电路b，电流转电压电路a和电流转电压电路b的输出端分别连接到除法电路的输入端，除法电路的输出端连接到锁相电路，锁相电路和计算机相连接，该方法步骤如下：

(1)将上述光纤传感系统连接好，将待测气体放入气室内；

(2)温度控制器用来控制半导体激光器内部的温度，ARM驱动电路发出低频梯形波扫描信号与高频正弦波调制信号，两路信号叠加用来调谐半导体激光器发出光的波数，当半导体激光器发出的光的波数范围包含一个或几个待测气体的吸收线的波数，光通过气室时，对应波数的光将被待测气体吸收，此时待测气体对光的吸收遵守比尔—朗伯(Beer-lambert)定律：

I＝I₀exp[-α(υ)CL]    (1)

其中α(υ)是吸收系数，C是待测气体的浓度，L是气室长度，I₀是入射光强，I是透射光强,υ是波数；

(3)吸收系数α(υ)被定义为： $\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&upsi;}\right)=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_0}{1+{\left(\frac{\mathrm{\&upsi;}-{\mathrm{\&upsi;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，υ₀为中心吸收波数，α₀为在中心吸收波数处的吸收系数，γ为吸收线半宽；

(4)因为α(υ)CL<<1，因此

exp[-α(υ)CL]≈1-α(υ)CL    (3)

(5)当半导体激光器的输出光的波数受到调制时，会伴随着不同程度的光功率起伏，在可调谐激光吸收光谱和波数调制光谱中，利用低频梯形波扫描信号和高频正弦波调制信号叠加进行驱动半导体激光器，实现波数扫描，考虑到强度调制的影响，因此信号光强为:

I＝[I(υ₁)+ΔI(υ₁)·cos(ωt)]·exp[-α(υ)CL]    (4)

其中I(υ₁)为梯形波扫描信号的功率，△I(υ₁)是正弦波调制信号的功率，υ₁为半导体激光器的中心波数，ω为正弦波调制信号的角频率，参考光强为：

I₀＝I(υ₁)+ΔI(υ₁)·cos(ωt)    (5)

(6)将两路信号输入到除法电路，除法电路的输出结果为：

I_out＝I/I₀

＝exp[-α(υ)CL]    (6)

≈1-α(υ)CL

从除法电路的输出结果看出它能抑制强度噪声；

(7)在可调谐激光吸收光谱和波数调制光谱中，利用高频正弦波调制使激光器输出光的波数呈正弦变化，激光器输出光的波数如下：

υ＝υ₁+δ_υ·cos(ωt-ψ)    (7)

其中υ₁为半导体激光器的中心波数，δ_υ为波数调制幅度，ψ为频率调制和幅度调制相位差；

(8)令θ＝ωt-ψ    (8)

所以υ＝υ₁+δ_υ·cosθ    (9)

令吸收系数α(ν)＝α₀·f(θ)    (10)

其中 $f\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{1}{1+{(\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_1-{\mathrm{\&upsi;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}}+m\cos \mathrm{\&theta;})}^2}---\left(11\right)$

α₀＝N₀S/πγ    (12)

上述(11)、(12)式中m为调制深度，N₀为单位压强、单位体积吸收气体的总粒子数，S为分子吸收线强度；

(9)利用傅里叶级数把f(θ)展开：

$f\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\{a_0+\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_n\cos \left(\mathrm{n\&theta;}\right)\}---\left(13\right)$

其中傅里叶系数 $a_0=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}f\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}---\left(14\right)$

$a_n=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}f\left(\mathrm{\&theta;}\right)\cos \left(\mathrm{n\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}---\left(15\right)$

(10)把(10)、(13)式带入到中(6)式中，得到输出I_out如下：

I_out＝1-α₀CLa₀(υ₁)-α₀CLa₁(υ₁)cos(ωt-ψ)

                      (16)

-α₀CLa₂(υ₁)cos(2ωt-2ψ)-α₀CLa₃(υ₁)cos(3ωt-3ψ)-...

(11)通过锁相电路检出(16)式中含有2ω的项，其中二次谐波信号为：

I_2ω＝-α₀CLa₂(υ₁)cos(2ωt-2ψ)    (17)

从(17)式中可以看出，锁相电路输出的信号只含有2ω的频率分量，不含有其他的频率成分，因此利用除法电路和锁相电路能消除剩余幅度调制对二次谐波的影响。

Claims (1)

1.一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法，由以下光纤传感系统来实现，该光纤传感系统包括半导体激光器、ARM驱动电路、温度控制器、耦合器、气室、光电探测器a、光电探测器b、电流转电压电路a、电流转电压电路b、除法电路、锁相电路和计算机，其中ARM驱动电路和温度控制器分别与半导体激光器相连接，半导体激光器经光纤与耦合器相连接，耦合器经光纤分别连接到气室和光电探测器b，气室的另一端经光纤连接到光电探测器a；光电探测器a、光电探测器b的输出端分别连接到电流转电压电路a和电流转电压电路b，电流转电压电路a和电流转电压电路b的输出端分别连接到除法电路的输入端，除法电路的输出端连接到锁相电路，锁相电路和计算机相连接，该方法步骤如下：

(1)将上述光纤传感系统连接好，将待测气体放入气室内；

(2)温度控制器用来控制半导体激光器内部的温度，ARM驱动电路发出低频梯形波扫描信号与高频正弦波调制信号，两路信号叠加用来调谐半导体激光器发出光的波数，当半导体激光器发出的光的波数范围包含一个或几个待测气体的吸收线的波数，光通过气室时，对应波数的光将被待测气体吸收，此时待测气体对光的吸收遵守比尔—朗伯定律：

I＝I₀exp[-α(υ)CL]   (1)

其中α(υ)是吸收系数，C是待测气体的浓度，L是气室长度，I₀是入射光强，I是透射光强,υ是波数；

(3)吸收系数α(υ)被定义为： $\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&upsi;}\right)=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_0}{1+{\left(\frac{\mathrm{\&upsi;}-{\mathrm{\&upsi;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，υ₀为中心吸收波数，α₀为在中心吸收波数处的吸收系数，γ为吸收线半宽；

(4)因为α(υ)CL<<1，因此

exp[-α(υ)CL]≈1-α(υ)CL   (3)

(5)当半导体激光器的输出光的波数受到调制时，会伴随着不同程度的光功率起伏，在可调谐激光吸收光谱和波数调制光谱中，利用低频梯形波扫描信号和高频正弦波调制信号叠加进行驱动半导体激光器，实现波数扫描，考虑到强度调制的影响，因此信号光强为:

I＝[I(υ₁)+ΔI(υ₁)·cos(ωt)]·exp[-α(υ)CL]   (4)

其中I(υ₁)为梯形波扫描信号的功率，ΔI(υ₁)是正弦波调制信号的功率，υ₁为半导体激光器的中心波数，ω为正弦波调制信号的角频率，参考光强为：

I₀＝I(υ₁)+ΔI(υ₁)·cos(ωt)   (5)

(6)将两路信号输入到除法电路，除法电路的输出结果为：

I_out＝I/I₀

＝exp[-α(υ)CL]   (6)

≈1-α(υ)CL

从除法电路的输出结果看出它能抑制强度噪声；

(7)在可调谐激光吸收光谱和波数调制光谱中，利用高频正弦波调制使激光器输出光的波数呈正弦变化，激光器输出光的波数如下：

υ＝υ₁+δ_υ·cos(ωt-ψ)   (7)

其中υ₁为半导体激光器的中心波数，δ_υ为波数调制幅度，ψ为频率调制和幅度调制相位差；

(8)令θ＝ωt-ψ   (8)

所以υ＝υ₁+δ_υ·cosθ   (9)

令吸收系数α(ν)＝α₀·f(θ)   (10)

其中 $f\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{1}{1+{(\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_1-{\mathrm{\&upsi;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}}+m\cos \mathrm{\&theta;})}^2}---\left(11\right)$

α₀＝N₀S/πγ   (12)

上述(11)、(12)式中m为调制深度，N₀为单位压强、单位体积吸收气体的总粒子数，S为分子吸收线强度；

(9)利用傅里叶级数把f(θ)展开：

$f\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\{a_0+\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_n\cos \left(\mathrm{n\&theta;}\right)\}---\left(13\right)$

其中傅里叶系数 $a_0=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}f\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}---\left(14\right)$

$a_n=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}f\left(\mathrm{\&theta;}\right)\cos \left(\mathrm{n\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}---\left(15\right)$

(10)把(10)、(13)式带入到中(6)式中，得到输出I_out如下：

I_out＝1-α₀CLa₀(υ₁)-α₀CLa₁(υ₁)cos(ωt-ψ)   (16)

-α₀CLa₂(υ₁)cos(2ωt-2ψ)-α₀CLa₃(υ₁)cos(3ωt-3ψ)-...

(11)通过锁相电路检出(16)式中含有2ω的项，其中二次谐波信号为：

I_2ω＝-α₀CLa₂(υ₁)cos(2ωt-2ψ)   (17)

从(17)式中可以看出，锁相电路输出的信号只含有2ω的频率分量，不含有其他的频率成分，因此利用除法电路和锁相电路能消除剩余幅度调制对二次谐波的影响。