CN104764702A - 一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法及系统，包括：使用斜波调制信号作为光源的驱动电流，分别得到光源发出的光信号波长和强度随调制信号变化的关系；根据比尔-朗伯定律，得到经过甲烷气体吸收后的光强信号；对光强信号作微分处理，得到处理后的信号；判断出光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点t₁和光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点t₂；对微分后的信号作t₁时刻到t₂时刻范围的积分；得到甲烷气体的浓度。本发明有益效果：在信号算法分析中仅涉及波长调制和微分解调，避免使用傅里叶变换、谐波分析等复杂算法，节省了信号处理时间，提高了检测的响应速度。

Description

一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法及系统

技术领域

本发明涉及气体浓度检测技术领域，特别涉及一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法及系统。

背景技术

气体浓度检测方法有电化学法、电气法、气相色谱法和光学法等。电化学法利用电化学方法，使用电极与电解液对气体进行检测；电气法利用半导体气体敏感器件进行检测；气相色谱法是一种物理分离分析技术，用吸附剂使物质成分按吸附能力的强弱层析在色谱上，是一种实验室方法；光学法是利用气体的光折射率或者光谱吸收特性检测气体。

光纤甲烷气体浓度检测方法是一种基于光谱吸收的光学方法，通过测量甲烷气体透射或反射光强的变化得到甲烷气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱线，光源发出的光信号只有在与被测气体吸收谱线重叠的部分才产生吸收效应，吸收后的光信号强度发生衰减。

当一束光强为I₀的平行光通过含有甲烷气体的气室时，如果光信号覆盖甲烷气体的吸收谱线，则透射或反射光强发生衰减。根据比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，输出光强I(λ)与输入光强I₀(λ)、气体浓度C之间的关系为：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)e^{-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}\mathrm{LC}}---(2-1)$

其中，α_λ是甲烷气体在光波长为λ时的吸收系数，L是吸收路径的长度。

由式(2-1)可得：

$C=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}L}\ln \frac{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}{I\left(\mathrm{\λ}\right)}---(2-2)$

当光信号波长λ恒定时，α_λ是一个常数，L可以测量得到。所以，通过检测I₀(λ)和I(λ)就可以得到甲烷气体浓度。

在使用光谱吸收原理检测甲烷气体浓度时，有许多因素会影响到检测精度：光源的波动、光信号链路耦合处耦合状态的变化、环境噪声、器件指标漂移等。为了克服这些随机因素对检测精度的影响，现有技术中，普遍采用的方法主要有差分吸收检测方法和谐波检测方法。

1.差分吸收检测方法可以消除光路干扰和信号链路损耗对检测精度带来的影响，但存在许多不足：

(1)、针对宽带光源，检测精度低。差分吸收检测方法最初主要应用于宽带光源，使用不同中心波长的光栅或者滤光片得到需要的两种波长的光信号。但是宽带光源在某个特定波长的光功率很小，经过信号链路、甲烷气体返回后的光功率更小，信噪比较低。所以，针对宽带光源使用这种方法，通过检测光强比值实现甲烷气体浓度检测的精度比较低。

(2)、针对窄带光源，实现技术难度大。随着功率更大、稳定性更好的单波长窄带光源应用越来越广泛，差分吸收检测方法也开始应用于窄带光源，通过改变窄带激光器驱动电流的大小得到两种波长的光信号。当激光器驱动电流改变时，随着波长的改变，其输出功率也产生变化，所以通过调节电流比率和光路的手段实现该检测方法应用的必要条件I₀(λ₁)K(λ₁)＝I₀(λ₂)K(λ₂)非常困难，不可避免的带来检测误差。

(3)、不能消除光源波长漂移的影响。即使在恒流恒温状态下，光源波长也存在漂移，而波长漂移会导致吸收系数和的改变，带来检测误差。

(4)、甲烷气体浓度较低时，精度较差。即使两种波长的光信号在吸收系数上差别较大，但是当甲烷气体浓度较低时，光信号经过甲烷气体后衰减程度差别不大，导致检测精度较低。

2.谐波检测方法可以消除光强波动等共模噪声带来的干扰，但是也存在如下不足：

(1)、无法消除光源波长漂移的影响。甲烷气体的吸收谱线很窄，而光源波长漂移会使得本来对准的波长稍微偏离甲烷气体吸收谱线中心波长，就会引起吸收系数的较明显变化，导致测量误差的增大。

(2)、技术实现难度大。为了获得高精度的测量结果，谐波检测方法在信号链路中要用到倍频器、锁相放大器、积分器，在算法处理过程中要用到傅里叶变换、除法算法，以及为了对准甲烷气体吸收谱线中心波长的解析分析算法和补偿偏差算法，技术实现难度很大。

(3)、响应时间长。谐波检测方法的算法处理过于复杂，为了得到足够多的时域数据，需要较长的处理周期，牺牲了检测的单次响应时间。而响应时间在多数甲烷气体浓度检测的应用领域，例如煤矿安全生产领域，是同检测精度一样重要的技术指标，不可因噎废食。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法及系统。该方法及系统不但能够解决光纤甲烷气体浓度检测方法中信号链路耦合度、环境噪声等随机信号对光强造成干扰从而带来的检测误差问题，还能够消除光源波长漂移对检测带来的影响，进一步提高了检测的精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，包括以下步骤：

(1)使用斜波调制信号作为光源的驱动电流，并考虑光源的波长漂移，分别得到光源发出的光信号波长和强度随调制信号变化的关系；

(2)根据比尔-朗伯定律，并考虑光纤信号链路损耗和其他环境随机噪声对光强造成的干扰，得到经过甲烷气体吸收后的光强信号I(t)；

(3)对光强信号I(t)作微分处理，得到处理后的信号

(4)对信号进行模拟量采集得到数字量，并依据的变化情况判断出光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点t₁和光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点t₂；

(5)对作t₁时刻到t₂时刻范围的积分；

(6)根据积分结果得到甲烷气体的浓度。

所述步骤(1)中光源发出的光信号波长随调制信号变化的关系具体为：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)={\mathrm{\λ}}_0+{\mathrm{\λ}}_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T}+{\mathrm{\λ}}_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，λ₀表示光源发出的光信号起始波长；λ_m表示光信号波长的调制范围；λ_n表示光源的波长漂移；T表示调制周期；n为整数，n＝0,1,2…。

通过合理选择波长调制范围λ_m，使其完全覆盖甲烷气体吸收谱线宽度和光源波长漂移之和。

所述步骤(1)中光源发出的光信号强度随调制信号变化的关系具体为：

$I_0{\left(t\right)}^{\text{'}}=I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；n为整数，n＝0,1,2…。

所述步骤(2)中经过甲烷气体吸收后的光强信号I(t)具体为：

$I\left(t\right)=(I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T})e^{(-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL})}-I_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I_n表示信号链路损耗和其他环境随机噪声对光强造成的衰减；I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；n为整数，n＝0,1,2…；α(λ(t))为光波长等于λ(t)时的甲烷气体吸收系数；C为甲烷气体浓度；L为甲烷气体吸收路径长度。

由于甲烷气体的吸收系数很小，满足α(λ(t))CL＜＜1，所以利用近似公式：

e^{(-α(λ(t))CL)}≈1-α(λ(t))CL；

忽略高阶小项，得到：

$I\left(t\right)=I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T}-I_0\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL}-I_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

经过微分处理后的信号具体为：

$\stackrel{.}{I}\left(t\right)=\frac{I_m}{T}=I_0\stackrel{.}{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；n为整数，n＝0,1,2…；为光波长等于λ(t)时吸收系数的微分；C为甲烷气体浓度；L为甲烷气体吸收路径长度。

所述步骤(5)中,对信号作t₁时刻到t₂时刻范围的积分具体为：

${\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{.}{I}\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-I_0\mathrm{CL}{\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{dt}={\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-I_0\mathrm{CL\α}\left({\mathrm{\λ}}_g\right),\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；t₁为光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点；t₂为光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点；n为整数，n＝0,1,2…；α(λ_g)为光波长等于吸收谱线中心波长λ_g时的吸收系数；C为甲烷气体浓度；L为甲烷气体吸收路径长度。

所述步骤(6)中甲烷气体的浓度具体为：

$C=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-{\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{.}{I}\left(t\right)\mathrm{dt}}{I_0\mathrm{L\α}\left({\mathrm{\λ}}_g\right)}=\frac{\frac{I_m(t_2-t_1)}{T}-(I\left(t_2\right)-I\left(t_1\right))}{I_0\mathrm{L\α}\left({\mathrm{\λ}}_g\right)},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；t₁为光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点；t₂为光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点；n为整数，n＝0,1,2…；α(λ_g)为光源波长等于吸收谱线中心波长λ_g时的甲烷气体吸收系数；L为甲烷气体吸收路径长度；I(t₁)为t₁时刻输出光强；I(t₂)为t₂时刻输出光强。

一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法的系统，包括：光源、驱动模块、温控模块、耦合器、光信号链路、气室、光电转换器、微弱信号放大模块、微分模块、信号调理模块、模数转换模块以及处理器；

所述温控模块、光源、耦合器、光电转换器、微弱信号放大模块、微分模块依次连接；所述耦合器通过光信号链路与气室内的光学探头连接；所述微弱信号放大模块和微分模块分别与信号调理模块连接，所述信号调理模块与模数转换模块、处理器和驱动模块依次连接，所述驱动模块与光源连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明使用斜波信号作为光源的驱动电流，采用波长调制技术和微分解调技术，得到关于甲烷气体浓度的关系式。在甲烷气体浓度的最终表达式中不含有变量λ_n，消除了光源波长漂移对检测精度的影响；不含有变量I_n，消除了信号链路损耗和其他环境随机噪声对检测精度的影响。

2、本发明在信号算法分析中仅涉及波长调制和微分解调，避免使用傅里叶变换、谐波分析等复杂算法，节省了信号处理时间，提高了检测的响应速度。

3、本发明在保证检测精度的同时，不需要光源波长与甲烷气体吸收谱线中心波长的精确对准，对激光器稳定性和温控技术要求相对较低，不需要倍频器、锁相放大器等非线性器件，不需要参考链路和气室，降低了技术实现难度，降低了成本，简化了结构。

附图说明

图1为本发明光源波长调制曲线；

图2为本发明光源光强调制曲线；

图3为本发明无甲烷气体时返回光强曲线；

图4为本发明有甲烷气体时返回光强曲线；

图5为本发明无甲烷气体时微分处理后光强曲线；

图6为本发明有甲烷气体时微分处理后光强曲线；

图7为本发明的光纤甲烷气体浓度检测系统框图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本发明基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，具体包括以下内容：

本发明使用斜波调制信号作为光源的驱动电流，并考虑光源的波长漂移，得到光源发出的光信号波长和强度随调制信号变化的变量为：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)={\mathrm{\λ}}_0+{\mathrm{\λ}}_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T}+{\mathrm{\λ}}_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T---(3-1)$

$I_0{\left(t\right)}^{\text{'}}=I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T---(3-2)$

其中，λ₀和I₀表示光源发出的光信号起始波长和强度；λ_m和I_m表示波长和强度的调制范围；λ_n表示光源的波长漂移，是一个随时间缓慢变化的数值，对于几十毫秒的处理周期，可以认为是一个直流量；T表示调制周期，一般选择为几十毫秒量级。通过合理选择波长调制范围λ_m，使其完全覆盖甲烷气体吸收谱线宽度和光源波长漂移之和。调制后光源发出的光信号波长调制曲线和强度调制曲线如图1和图2所示。

根据比尔-朗伯定律，并考虑信号链路损耗和其他环境随机噪声对光强造成的干扰，经过甲烷气体吸收后的光强为：

$I\left(t\right)=(I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T})e^{(-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL})}-I_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T---(3-3)$

其中，I_n表示信号链路损耗和其他环境随机噪声对光强造成的衰减，严格意义上讲，它是与波长和时间相关的变量，但是由于甲烷气体吸收谱线很窄，所以波长调制范围很小，而且处理周期又很短，所以可以认为I_n是一个直流量。

根据公式e^{(-α(λ(t))CL)}≈1-α(λ(t))CL，并忽略高阶小项，得到：

$I\left(t\right)=I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T}-I_0\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL}-I_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T---(3-4)$

被测气体甲烷浓度为0％时，I(t)曲线波形与I₀(t)′曲线波形一致，仅仅是幅度整体下移，如图3所示。甲烷浓度不为0％时，在每个周期的开始时刻到t₁时刻，光源波长未进入甲烷气体吸收谱线，不存在吸收衰减，I(t)曲线波形依然与I₀(t)′保持一致；从t₁时刻到t₂时刻，光源波长慢慢靠近甲烷气体吸收谱线中心波长，吸收造成的衰减增加，I(t)曲线慢慢远离原有轨迹，并在t₂时刻达到最大值，此时I(t)曲线斜率与I₀(t)′一致；从t₂时刻到t₃时刻，光源波长慢慢远离吸收谱线中心波长，吸收造成的衰减减小，I(t)曲线慢慢靠近原有轨迹，直到与原有轨迹重合；从t₃时刻到周期结束，光源波长离开吸收谱线，I(t)曲线波形与I₀(t)′一致。如图4所示。

然后，对信号I(t)作微分处理，得到：

$\stackrel{.}{I}\left(t\right)=\frac{I_m}{T}=I_0\stackrel{.}{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T---(3-5)$

被测气体甲烷浓度为0％时，是一条直线，大小等于如图5所示。甲烷浓度不为0％时，在每个周期的开始时刻到t₁时刻，光源波长未进入甲烷气体吸收谱线，不存在吸收衰减，依然是一条直线；从t₁时刻到t₂时刻，光源波长慢慢靠近甲烷气体吸收谱线中心波长，吸收造成的衰减增加，并在t₂时刻达到最大值，这一阶段随着I(t)曲线斜率的变化经历先变小后变大的过程，到t₂时刻恢复到大小；从t₂时刻到t₃时刻，光源波长慢慢远离吸收谱线中心波长，吸收造成的衰减减小，直到为0，这一阶段随着I(t)曲线斜率的变化经历先变大后边小的过程，直到t₃时刻恢复到大小；从t₃时刻到周期结束，光源波长离开吸收谱线，为一条直线。如图6所示。

对进行模拟量采集得到数字量，并依据的变化情况判断出光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点t₁和光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点t₂。并对作t₁时刻到t₂时刻范围的积分，得到：

$\begin{array}{c}{\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{.}{I}\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-I_0\mathrm{CL}{\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{.}{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{dt}\\ ={\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-I_0\mathrm{CL}(\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\left(t_2\right)\right)-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\left(t_1\right)\right))\\ ={\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-I_0\mathrm{CL\α}\left({\mathrm{\λ}}_g\right),\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T\end{array}---(3-6)$

进一步得到甲烷气体浓度为：

$C=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-{\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{.}{I}\left(t\right)\mathrm{dt}}{I_0\mathrm{L\α}\left({\mathrm{\λ}}_g\right)}=\frac{\frac{I_m(t_2-t_1)}{T}-(I\left(t_2\right)-I\left(t_1\right))}{I_0\mathrm{L\α}\left({\mathrm{\λ}}_g\right)},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T---(3-7)$

其中，I_m、T、I₀、L、α(λ_g)是已知量，t₁、t₂、I(t₁)和I(t₂)是可以测量的数据。

使用本发明的新型检测方法，设计一个光纤甲烷气体浓度检测系统，包括光源、驱动模块、温控模块、耦合器、光信号链路、光学探头、气室、光电转换器、微弱信号放大模块、微分模块、信号调理模块、模数转换模块、处理器等单元。结构框图如图7所示。

温控模块、光源、耦合器、光电转换器、微弱信号放大模块、微分模块依次连接；耦合器通过光信号链路与气室内的光学探头连接；微弱信号放大模块和微分模块分别与信号调理模块连接；信号调理模块与模数转换模块、处理器和驱动模块依次连接；驱动模块与光源连接。

光源选择为中心波长1645nm的分布式反馈DFB激光器，它属于一种窄带光源。驱动模块产生用于调制波长的斜波电流信号，使光源发出的光信号波长扫过1645.0nm到1646.0nm的范围，可以覆盖甲烷气体在1645.5nm附近的吸收谱线，并且留有了裕量，可以使检测精度不受光源波长漂移的影响。

温控模块采用负反馈控制，通过电流的方向和大小控制激光器自带的制冷器进行制热或制冷，从而保持激光器的温度稳定在一个合理的区间。调制后的光信号经过耦合器、光信号链路，光学探头、进入含有甲烷气体的气室，依据比尔-朗伯定律产生衰减，再通过光信号链路、耦合器返回，经光电转换器变为微安级的微弱电信号。经放大模块使电信号放大到可以进行信号处理的水平，再经过微分模块、信号调理模块和模数转换模块，得到处理器能够处理的数字量。处理器根据数字量，判断出每一个周期中光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点t₁和光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点t₂，并读取得到I(t₁)和I(t₂)，依据已知参数I_m、T、I₀、L、α(λ_g)，根据式(3-7)就可以得到甲烷气体的浓度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)使用斜波调制信号作为光源的驱动电流，并考虑光源的波长漂移，分别得到光源发出的光信号波长和强度随调制信号变化的关系；

(2)根据比尔-朗伯定律，并考虑光纤信号链路损耗和其他环境随机噪声对光强造成的干扰，得到经过甲烷气体吸收后的光强信号I(t)；

(3)对光强信号I(t)作微分处理，得到处理后的信号

(4)对信号进行模拟量采集得到数字量，并依据的变化情况判断出光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点t₁和光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点t₂；

(5)对作t₁时刻到t₂时刻范围的积分；

(6)根据积分结果得到甲烷气体的浓度。

2.如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，所述步骤(1)中光源发出的光信号波长随调制信号变化的关系具体为：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)={\mathrm{\λ}}_0+{\mathrm{\λ}}_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T}+{\mathrm{\λ}}_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，λ₀表示光源发出的光信号起始波长；λ_m表示光信号波长的调制范围；λ_n表示光源的波长漂移；T表示调制周期；n为整数，n＝0,1,2…。

3.如权利要求2所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，通过合理选择波长调制范围λ_m，使其完全覆盖甲烷气体吸收谱线宽度和光源波长漂移之和。

4.如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，所述步骤(1)中光源发出的光信号强度随调制信号变化的关系具体为：

$I_0{\left(t\right)}^{\′}=I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；n为整数，n＝0,1,2…。

5.如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，所述步骤(2)中经过甲烷气体吸收后的光强信号I(t)具体为：

$I\left(t\right)=(I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T})e^{(-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL})}-I_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I_n表示信号链路损耗和其他环境随机噪声对光强造成的衰减；I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；n为整数，n＝0,1,2…；α(λ(t))为光波长等于λ(t)时的甲烷气体吸收系数；C为甲烷气体浓度；L为甲烷气体吸收路径长度。

6.如权利要求5所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，由于甲烷气体的吸收系数很小，满足α(λ(t))CL＜＜1，所以利用近似公式：

e^{(-α(λ(t))CL)}≈1-α(λ(t))CL；

忽略高阶小项，得到：

$I\left(t\right)=I_0+I_m\frac{(t-\mathrm{nT})}{T}-I_0\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL}-I_n,\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T.$

7.如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，经过微分处理后的信号具体为：

$\stackrel{\·}{I}\left(t\right)=\frac{I_m}{T}-I_0\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{CL},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；n为整数，n＝0,1,2…；为光波长等于λ(t)时吸收系数的微分；C为甲烷气体浓度；L为甲烷气体吸收路径长度。

8.如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，所述步骤(5)中,对信号作t₁时刻到t₂时刻范围的积分具体为：

${\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{\·}{I}\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-I_0\mathrm{CL}{\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\λ}\left(t\right)\right)\mathrm{dt}={\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-I_0\mathrm{CL\α}\left({\mathrm{\λ}}_g\right),\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；t₁为光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点；t₂为光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点；n为整数，n＝0,1,2…；α(λ_g)为光波长等于吸收谱线中心波长λ_g时的甲烷气体吸收系数；C为甲烷气体浓度；L为甲烷气体吸收路径长度。

9.如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，所述步骤(6)中甲烷气体的浓度具体为：

$C=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}\frac{I_m}{T}\mathrm{dt}-{\∫}_{t_1}^{t_2}\stackrel{\·}{I}\left(t\right)\mathrm{dt}}{I_0}=\frac{\frac{I_m(t_2-t_1)}{T}-(I\left(t_2\right)-I\left(t_1\right))}{I_0\mathrm{L\α}\left({\mathrm{\λ}}_g\right)},\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T;$

其中，I₀表示光源发出的光信号起始强度；I_m表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；t₁为光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点；t₂为光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点；n为整数，n＝0,1,2…；α(λ_g)为光波长等于吸收谱线中心波长λ_g时的甲烷气体吸收系数；L为甲烷气体吸收路径长度；I(t₁)为t₁时刻输出光强；I(t₂)为t₂时刻输出光强。

10.一种采用权利要求1所述的基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法的系统，其特征是，包括：光源、驱动模块、温控模块、耦合器、光信号链路、气室、光电转换器、微弱信号放大模块、微分模块、信号调理模块、模数转换模块以及处理器；

所述温控模块、光源、耦合器、光电转换器、微弱信号放大模块、微分模块依次连接；所述耦合器通过光信号链路与气室内的光学探头连接；所述微弱信号放大模块和微分模块分别与信号调理模块连接；所述信号调理模块与模数转换模块、处理器和驱动模块依次连接；所述驱动模块与光源连接。