CN104655588B - 基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置及其锁定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置及其锁定方法。装置包括激光器(1)、光纤(13)、准直光纤(2)、散射光收集透镜(3)、光电探测器(4)、温度电流控制部件(5)和频率稳定部件(16)，其中，频率稳定部件(16)为串接的锁相放大器件(9)、数据采集分析器件(10)、模拟PID器件(8)、运算放大器件(7)和加法器件(15)，以及信号发生器件(6)；方法为对激光器采用三角波叠加正弦波的调制和由接收的含气体吸收信息的散射光信号中的上升沿和下降沿产生的两个吸收峰之间的间距作为变量值，得出稳频反馈控制信号，将频率稳定在特定吸收峰上。它可广泛用于探测大气中物质的成分及其含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率锁定装置及锁定方法，尤其是一种基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置及其锁定方法。
背景技术
随着社会经济的不断发展，环境问题也日渐凸显。人们为了对环境污染进行有效地监测和预测，做出了不懈的努力，试图通过激光光谱技术来探测大气中物质的成分及其含量，如中国发明专利说明书CN 100510673 C于2009年7月8日公告的一种天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法。该专利说明书中记载的装置包括连接光纤的激光器和探测器与控制处理器电连接，激光器输出光谱为红外，光纤另一端与置于散射光收集透镜中心处的光纤折射率透镜连接，探测器位于透镜焦点处，控制处理器为嵌入式模块与控制信号接口、采集信号变换接口和数据传输接口电连接；方法为设定中断服务程序的时间片，以产生控制用正弦波、锯齿波，来获得数据采集的同步信号，采集一次、二次谐波信号，对转换成数字量数据进行处理和将其送数据传输接口及接受上位机指令。装置探测天然气泄露时，受控制处理器调制的激光器输出的光束频谱位于天然气甲烷分子的吸收峰位置，当激光束穿过有泄露气团的散射光被探测器接收后，输出的信号通过控制处理器的分析和计算，得出泄漏源的浓度信息和位置。这种装置及其方法虽可对天然气管道泄漏进行激光遥感探测，却也存在着在实际的探测应用中，尤其是在长时间连续探测的过程中，激光器的输出频率极易受外界环境变化，如温度、湿度、震动等的影响而造成频率漂移的缺陷，特别是外界环境温度的变化对激光器输出频率的影响尤为严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构合理，输出频率稳定的基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置包括其输入端与温度电流控制部件电连接、输出端与光纤连接的激光器，以及光纤的另一端连接有置于散射光收集透镜中心处的准直光纤和散射光收集透镜焦点处置有其输出端电连接频率稳定部件输入端的光电探测器，特别是，
所述频率稳定部件含有依次串接的锁相放大器件、数据采集分析器件、模拟PID(比例积分微分)器件、运算放大器件和加法器件，以及其输出端分接锁相放大器件和加法器件的信号发生器件，用于调制激光器的输出和由接收的含气体吸收信息的散射光信号中解调并得出稳频所需的反馈控制信号，以将激光器的输出频率稳定在特定的吸收峰上，其中，
所述锁相放大器件由串接的前置放大器、乘法器和低通滤波器组成，用于从光电探测器输出的散射光信号中解调出气体吸收的二次谐波信号；
所述数据采集分析器件为带有A/D和D/A变换的单片机，用于采集锁相放大器件输出的气体吸收的二次谐波信号后，将其变换为数字信号，并计算出气体的浓度和稳频所需的误差信号；
所述模拟PID器件由比例电路、积分电路和微分电路组成，其参数设置由凑试法确定，用于将误差信号转化为反馈控制信号；
所述信号发生器件为单片机的输出端分接二倍频正弦数字信号发生器、正弦数字信号发生器和三角波数字信号发生器的输入端，正弦数字信号发生器和三角波数字信号发生器的输出端均经加法器后接加法器件，二倍频正弦数字信号发生器的输出端接锁相放大器件中的乘法器，用于产生激光器的调制信号和锁相放大器件的解调信号；
加法器件的输出端与温度电流控制部件的输入端电连接。
作为基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的进一步改进：
优选地，温度电流控制部件由温度控制器和电流控制器组成，用于将来自频率稳定部件的稳频反馈控制信号施加于激光器上。
优选地，激光器为分布反馈式半导体激光器，或量子级联激光器。
优选地，光电探测器为InGaAs光电探测器。
优选地，作为数据采集分析器件的带有A/D和D/A变换的单片机为TI公司的TMS320-F2812 DSP(数字信号处理)芯片。
优选地，数据采集分析器件的输出端连接有声光报警器，用于对超过报警阈值的气体浓度进行声光报警。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法包括对激光器发光的调制、接收光电探测器的信号和对其进行处理，特别是完成步骤如下：
对激光器的工作电流采用三角波叠加正弦波的调制方法；
由接收的散射光信号中解调出其上升沿与下降沿均含有气体吸收的二次谐波信号；
将该上升沿和下降沿产生的两个吸收峰之间的间距作为变量值；
将设定的频率稳定精度值与变量值之间的差值作为反馈控制所需的误差信号，通过对激光器工作电流的控制，将激光器输出频率稳定在所需的吸收峰上。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，采用这样的结构后，本发明使用三角波叠加正弦波扫描激光器，使得在波长调制的上升沿及下降沿均获得了气体吸收的二次谐波信号，从而为利用上升沿吸收峰与下降沿吸收峰之间间距的变化作为稳定激光器输出的误差信号奠定了良好的基础；不仅结构合理，还有效地抑制了外界环境变化对激光器输出频率的影响。尤为频率稳定部件中的信号发生器件采用单片机控制数字信号发生器的方案，既使其输出的频率和相位可数字编程，又功耗低——3V电压工作时，功耗仅20mW，还具有输出频率范围广——0～12.5MHz范围可调的特点，更有着频率切换时间短、相位连续、相位噪声低等优点。
其二，锁定方法简单、科学、高效。除可长时间、不间断地连续将激光器输出频率稳定在所需的吸收峰上之外，还可人为地确定频率稳定的精度。
附图说明
图1是本发明的一种基本结构示意图。
图2是本发明的稳频原理示意图。
图3是对现有技术和本发明中的激光器输出频率的测量结果。图中的曲线a为现有技术中的激光器输出频率的变化曲线，曲线b为本发明中的激光器输出频率的变化曲线；由其可知，本发明中的激光器长时间的波长漂移被有效地控制在了±0.16pm范围内。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
参见图1，分布反馈式半导体激光器(或量子级联激光器)1的输入端与温度电流控制部件5电连接、输出端与光纤13连接；其中，温度电流控制部件5由温度控制器51和电流控制器52组成，用于将来自频率稳定部件16的稳频反馈控制信号施加于激光器1上。
光纤13的另一端连接有置于散射光收集透镜3中心处的准直光纤2。
散射光收集透镜3焦点处置有其输出端电连接频率稳定部件16输入端的光电探测器4；其中，光电探测器4为InGaAs光电探测器。
频率稳定部件16含有依次串接的锁相放大器件9、数据采集分析器件10、模拟PID器件8、运算放大器件7和加法器件15，以及其输出端分接锁相放大器件9和加法器件15的信号发生器件6，用于调制激光器1的输出和由接收的含气体吸收信息的散射光信号中解调并得出稳频所需的反馈控制信号，以将激光器1的输出频率稳定在特定的吸收峰上。其中，
锁相放大器件9由串接的前置放大器91、乘法器92和低通滤波器93组成，用于从光电探测器4输出的散射光信号中解调出气体吸收的二次谐波信号；
数据采集分析器件10为带有A/D和D/A变换的单片机，此单片机选用TI公司的TMS320-F2812 DSP芯片，用于采集锁相放大器件9输出的气体吸收的二次谐波信号后，将其变换为数字信号，并计算出气体的浓度和稳频所需的误差信号；该TMS320-F2812 DSP芯片的输出端还连接有声光报警器，用于对超过报警阈值的气体浓度进行声光报警；
模拟PID器件8由比例电路、积分电路和微分电路组成，其参数设置由凑试法确定，用于将误差信号转化为反馈控制信号；
信号发生器件6为单片机61的输出端分接二倍频正弦数字信号发生器62、正弦数字信号发生器63和三角波数字信号发生器64的输入端，正弦数字信号发生器63和三角波数字信号发生器64的输出端均经加法器65后接加法器件15，二倍频正弦数字信号发生器62的输出端接锁相放大器件9中的乘法器92，用于产生激光器1的调制信号和锁相放大器件9的解调信号；
加法器件15的输出端与温度电流控制部件5的输入端电连接。
参见图1、图2和图3，基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法如下，其中，频率锁定装置的锁定过程为:
信号发生器件6中的单片机61通过串行外设接口分别将二倍频正弦波、正弦波、三角波的频率相位信息写入二倍频正弦数字信号发生器62、正弦数字信号发生器63和三角波数字信号发生器64。其中的二倍频正弦数字信号发生器62的二倍频正弦波被输出至锁相放大器件9中的乘法器92，用于实现二次谐波信号的解调；正弦数字信号发生器63的正弦波和三角波数字信号发生器64的三角波经加法器65叠加为合成调制波。此合成调制波与运算放大器件7的输出经加法器件15后，送入温度电流控制部件5的电流控制器52，实现对激光器1的调制。
InGaAs光电探测器将接收到的含气体吸收信息的反射光信号转换为电信号后，通过锁相放大器件9的前置放大器91输入到乘法器92，与二倍频正弦数字信号发生器62送来的二倍频正弦波信号进行乘法运算，其结果经由低通滤波器93滤除高频信号后得到气体吸收的二次谐波信号。该解调出的二次谐波信号经数据采集分析器件10中的12位A/D变换器后，转换为DSP芯片所能处理的数字信号，并通过数据采集分析器件10中的单片机计算出气体的浓度和稳频所需的误差信号。该误差信号经数据采集分析器件10中的D/A变换器后，转换为模拟量的电压信号送至模拟PID器件8，得到反馈控制信号。此反馈控制信号经运算放大器件7、加法器件15和电流控制器52后，施加至激光器1，实现对激光器1的稳频。
频率锁定方法的锁定过程为:
当注入激光器1的工作电流与设定的工作温度保持不变时，激光器1的输出频率保持稳定，即在上升沿与下降沿上的二次谐波信号峰与峰之间的间距Δd保持固定。当激光器1长时间地连续运行时，激光器1的输出频率受温度、湿度、震动等的影响会产生频率的漂移，特别是外界环境温度的变化对激光器1输出频率的影响尤为严重，可使激光频率远离吸收峰。为此，本发明的方法为先对激光器的工作电流采用三角波叠加正弦波的调制方法，再由接收的散射光信号中解调出其上升沿与下降沿均含有气体吸收的二次谐波信号，随后，先将该上升沿和下降沿产生的两个吸收峰之间的间距作为变量值，再将设定的频率稳定精度值与变量值之间的差值作为反馈控制所需的误差信号，通过对激光器工作电流的控制，将激光器输出频率稳定在所需的吸收峰上。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置及其锁定方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法，基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置包括其输入端与温度电流控制部件(5)电连接、输出端与光纤(13)连接的激光器(1)，以及光纤(13)的另一端连接有置于散射光收集透镜(3)中心处的准直光纤(2)和散射光收集透镜(3)焦点处置有其输出端电连接频率稳定部件(16)输入端的光电探测器(4)，其中，
所述频率稳定部件(16)含有依次串接的锁相放大器件(9)、数据采集分析器件(10)、模拟PID器件(8)、运算放大器件(7)和加法器件(15)，以及其输出端分接锁相放大器件(9)和加法器件(15)的信号发生器件(6)，所述频率稳定部件(16)用于调制激光器(1)的输出和由接收的含气体吸收信息的散射光信号中解调并得出稳频所需的反馈控制信号，以将激光器(1)的输出频率稳定在特定的吸收峰上，其中的，
所述锁相放大器件(9)由串接的前置放大器(91)、乘法器(92)和低通滤波器(93)组成，用于从光电探测器(4)输出的散射光信号中解调出气体吸收的二次谐波信号，
所述数据采集分析器件(10)为带有A/D和D/A变换的单片机，用于采集锁相放大器件(9)输出的气体吸收的二次谐波信号后，将其变换为数字信号，并计算出气体的浓度和稳频所需的误差信号，
所述模拟PID器件(8)由比例电路、积分电路和微分电路组成，其参数设置由凑试法确定，用于将误差信号转化为反馈控制信号，
所述信号发生器件(6)为单片机(61)的输出端分接二倍频正弦数字信号发生器(62)、正弦数字信号发生器(63)和三角波数字信号发生器(64)的输入端，正弦数字信号发生器(63)和三角波数字信号发生器(64)的输出端均经加法器(65)后接加法器件(15)，二倍频正弦数字信号发生器(62)的输出端接锁相放大器件(9)中的乘法器(92)，信号发生器件(6)用于产生激光器(1)的调制信号和锁相放大器件(9)的解调信号，
加法器件(15)的输出端与温度电流控制部件(5)的输入端电连接；
基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法包括对激光器发光的调制、接收光电探测器的信号和对信号进行处理，其特征在于完成步骤如下：
对激光器的工作电流采用三角波叠加正弦波的调制方法，
由接收的散射光信号中解调出其上升沿与下降沿均含有气体吸收的二次谐波信号，
将该上升沿和下降沿产生的两个吸收峰之间的间距作为变量值，
将设定的频率稳定精度值与变量值之间的差值作为反馈控制所需的误差信号，通过对激光器工作电流的控制，将激光器输出频率稳定在所需的吸收峰上。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法，其特征是温度电流控制部件(5)由温度控制器(51)和电流控制器(52)组成，用于将来自频率稳定部件(16)的稳频反馈控制信号施加于激光器(1)上。
3.根据权利要求1所述的基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法，其特征是激光器(1)为分布反馈式半导体激光器，或量子级联激光器。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法，其特征是光电探测器(4)为InGaAs光电探测器。
5.根据权利要求1所述的基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法，其特征是作为数据采集分析器件(10)的带有A/D和D/A变换的单片机为TI公司的TMS320-F2812DSP芯片。
6.根据权利要求1所述的基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法，其特征是数据采集分析器件(10)的输出端连接有声光报警器，用于对超过报警阈值的气体浓度进行声光报警。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170825 Termination date: 20220216 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |