CN104949929A - 用于在吸收光谱法中修正入射光波动的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在被用于检测或测量介质中的化学种类的吸收光谱系统中修正透射光的强度波动效应的方法和系统，由此，向通过介质的光束施加一个或多个调制突发。可通过对可调谐二极管激光器的偏流进行调制来获得此突发信号，并且调制突发信号可最佳地处于波长调制光束的调制频率的二次谐波以允许对二次谐波检测系统使用被用于被测对象光谱检测的相同信号路径处理。可以使用平滑窗函数来控制突发信号以使在可调谐二极管激光器波长调制光谱系统中固有的、光学干扰边缘(基准)和由背景化学种类或被测对象在与调制突发一致的波长下进行的残余光吸收的非线性扰动效应最小化。

Description

用于在吸收光谱法中修正入射光波动的方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及吸收光谱法且特别地涉及可调谐二极管激光吸收光谱法。特别地，本发明应用于由诸如工业、医学或生理过程之类的人工或自然过程产生的气体中的一个或多个种类(species)的检测和测量。

背景技术

可调谐激光器波长调制光谱法在各种应用中被广泛地使用。一个此类应用是物质中的化学种类(被测对象)的量的量化，特别是在其中传统技术不适当或拙劣的人工或自然过程中，诸如工业、医学或生理过程气体分析。

典型系统包括可调谐激光源，诸如可调谐二极管激光器(TDL)，其发射聚焦在检测器上的光束。将要分析的物质放置在可调谐激光源与检测器之间，使得入射在检测器上的光由于通过物质的光通路而改变。对光的修改使得能够由被耦合到检测器的信号处理系统来确定被测对象的各种参数。在某些情况下，要分析的物质是由工业过程产生的气体，并且被测对象可以是存在于此过程气体中的一个或多个化学种类。被测对象种类的示例包括但不限于气态水、O₂、CO和CO₂和诸如甲烷之类的碳氢化合物。可使用一个或多个TDL来确定这些被测对象种类中的一个或多个的存在和/或量分数(浓度)。

在激光气体分析仪系统的操作中，在被测对象的一个或多个吸收线上扫描由TDL发射的光束的波长。在所扫描波长范围内的某些特定波长下，光被被测对象吸收，并且可以通过测量通过要分析物质透射的光来检测这些光谱吸收线。这允许获取所需光谱信息以不仅确定被测对象的量分数，而且确定压力、温度或背景混合物组成的影响。在某些情况下，可以使用单个激光源来测量多个被测对象。在这些情况下，跨包括用于所述多个被测对象中的每一个的至少一个可分辨吸收线的波长范围扫描激光源的输出波长。

在设计得很好的系统中，波长调制技术提供非常高的灵敏度和增强的光谱分辨率。特别地，二次谐波波长调制光谱法由于其应对在包括拥挤吸收光谱、灵敏痕量级测量和遮蔽光学透射的工业过程中遇到的多种光谱情况的能力而非常适合于气体分析。

检测器响应与通过被测试物质透射的光强度成比例，其依赖于通过被测试物质透射的光强度以及吸收波长下的被测对象的量分数。因此，由激光源或通过被分析物质的透射引起的光强度的波动将引起被测对象的量分数测量结果中的不确定性。

这用以下关系式示出，其中，等式[1]表示光学吸收的比尔-朗伯定律，其中，u是被测对象的每单位长度的分子密度，I是所检测光量，I₀是入射光量(当分子密度为零时，等于未吸收量)，v是光的频率且k是吸收系数。

$\log \left[\frac{I\left(v\right)}{I_0\left(v\right)}\right]=-\mathrm{uk}\left(v\right)---\left[1\right]$

在任何特定频率下检测到的光量的变化与分子密度变化有关，如由等式[2]给出，等式[2]还示出了由于入射光量的变化而引起的不确定项。

$\∂u=\frac{\frac{\∂I_0\left(v\right)}{I_0\left(v\right)}-\frac{\∂I\left(v\right)}{I\left(v\right)}}{k\left(v\right)}---\left[2\right]$

检测器处的入射光强度的变化可由除被测对象的浓度之外的许多因素引起。例如，变化可以由激光输出的固有波动、过程样本流中的环境光强度水平和/或遮蔽的变化而引起，该变化可由灰尘、柏油、腐蚀或光束不对准的任何组合而引起。环境光强度的遮蔽和改变在熔炉中是可预期的。如果入射光的变化未被修正，则这将导致已处理被测对象浓度的测量不确定性。已开发了某些现有技术以处理这些误差来源。然而，该技术并不非常适合于与TDL一起使用。

减小来自环境光的误差的一个已知技术是使用干扰滤波器来阻挡来自环境光源的大量宽带光。然而，少但显著的量的环境光将通过被用于测量的滤波器通带是不可避免的。用于消除由此残余环境光引入的误差的现有技术将周期性地关掉激光器。这允许测量并修正残余环境光的水平。具体地，开和关状态之间的检测器信号的差指示入射激光的量，因此允许确定并补偿残余环境光。然而，为了利用这种技术，必须频繁地关掉激光器，因为环境光水平通常将在相对短的时间标度内不可预测地改变，并且这种技术并不非常适合于与可调谐二极管激光器一起使用。问题是反复地开启和关掉二极管激光器引起二极管激光器内的显著欧姆加热，这是有问题的，因为欧姆加热还影响激光器的输出光束的波长。此动态响应称为欧姆加热扰动。因此，当将这种技术与TDL一起使用时，激光波长扫描遭受大的线性误差，其使测量的吸收线形状失真。

解决由激光输出功率中的固有波动引起的误差的一个可能技术是在正在进行测量的同时监视激光输出功率。可以在未被被测对象或其他干扰化学种类吸收的‘中性’波长下监视激光输出功率，并且可以将此信号与参考值相比较以允许修正任何变化。这导致测量信号被标准化成用于入射光量的参考值。这种技术在拥挤吸收光谱中可能是不切实际的且可能导致误差。

补偿由激光输出功率中的波动引起的入射光的变化的替换方法是同时地执行二次谐波波长调制光谱法和一次谐波调制光谱法。一次和二次谐波调制光谱法对于本领域的技术人员而言是已知的且在这里将不会进一步描述。通过取二次谐波信号与一次谐波信号的比，获得理论上独立于用于光学薄体系、即弱吸收的入射光变化的量。然而，第一谐波信号的包括消除了单独使用二次谐波信号的增强光谱分辨率优点。因此，任何干扰背景吸收将引起该比的测量不确定性。这意味着这种技术并不非常适合于其中在被测对象旁边存在许多不同种类的情况，特别是如果这些种类具有接近于被测对象的那些甚至与之重叠的吸收线的话。例如，在从工业过程输出的过程气体中情况常常如此。另外，实现比标准波长调制光谱法系统更加困难，因为要求两个单独的信号处理通道以用于同时的第一和第二谐波检测。

当与TDL一起使用时，此技术的另一复杂化是当使用偏流来调制激光二极管时始终存在的残余振幅调制(RAM)向上述比添加附加的测量不确定性。虽然可以通过表征二极管激光器强度调制性质来修正RAM不确定性，但这些调制特性随二极管激光器温度和偏流设置而改变。二极管激光器正常地是温控的，这是实现频率稳定性所必需的，并且在理想情况下，二极管激光器温度是无条件稳定的，并且调制特性因此也是稳定的。然而，对于必须应对很宽的环境温度摆动的粗糙工业分析仪而言，甚至最好的二极管激光器温度控制也将经历由于有限的热控制增益而引起的某些残余温度变化。在某些情况下，残余温度变化可能显著到足以要求二极管激光器频率到测量吸收线上的重新调谐。

此外，RAM的量取决于二极管激光器的频率调制灵敏度，因为调整偏流调制振幅以实现充分的频率调制范围，以便从波长调制光谱法获得适当的信号。然而，频率调制灵敏度在不同类型的二极管激光器之间改变。例如，分布式反馈(DFB)结构激光二极管具有相当低的频率调制灵敏度，通常小于每毫安偏流0.1cm^-1，导致大的RAM，而垂直腔半导体发射二极管(VCSEL)趋向于具有大得多的频率调制灵敏度，通常大于每毫安偏流5cm^-1，导致低得多的RAM。仍需要一种吸收光谱气体分析仪系统，其可以产生高度准确的测量结果，尽管有透射光强度的波动。还需要能够在如通常在许多工业过程中、诸如在熔炉或熔炉排气管中可能遇到的恶劣环境中产生高度准确的测量结果的此类分析仪系统。

发明内容

在本发明的第一方面，提供了一种修正吸收光谱系统内的入射光的强度波动效应的方法，包括步骤：

控制光源发射波长调制光束；

施加至少一个调制突发信号以调制波长调制光束和/或调制与波长调制光束同步的单独光束，所述至少一个调制突发信号是锥形信号调制；

在通过测试介质的透射之后检测一个或多个调制光束；

处理一个或多个所检测光束以获得至少一个所检测突发信号，并测量一个或多个被测对象的吸收效应，其中，该处理包括将所述至少一个所检测突发信号与施加的至少一个调制突发信号相比较以确定与一个或多个被测对象的吸收效应分离的入射光强度波动，并修正所确定强度波动效应以获得一个或多个被测对象的吸收效应的增加的测量准确度。

在实施例中，针对期望的突发信号位置和持续时间选择波长区。这可涉及到选择与一个或多个被测对象的吸收线分离、并且可能与测试介质的任何组分的吸收线分离的一个或多个波长区。这可以基于已知光谱吸收数据，或者可使用校准过程来选择最佳突发信号位置，以识别“中性”波长区。

该方法非常适合于针对人工或自然过程、诸如针对医学、生理或工业过程气体分析而测量包含气体的体积中的一个或多个被测对象种类的量分数。此测量可以在原地，诸如跨熔炉或熔炉的排气管或其他工业过程室或气室，或者其可以在提取系统中发生，例如包括诸如涉及到温度控制和/或减湿的气体调节装置。该测量可以涉及到单遍光束测量和多遍测量，其使用诸如White或Heriott蜂窝装置之类的向后反射器或其他适当装置来在有限长度内延长有效光程。用于延长光程的此类装置对于本领域的技术人员而言是已知的，并且在这里将不会进一步讨论。

该修正方法特别适合于可调谐二极管激光器吸收光谱法，其中，可以通过向二极管激光器的偏流施加已调制控制信号来控制二极管激光器。在实施例中，突发信号的施加涉及到向激光源的已调制控制信号施加调制突发信号。在实施例中，使用在没有尖锐信号跃迁的情况下实现锥形信号调制的平滑窗函数或包络函数来控制突发信号。该窗函数可以用来经由固定相位下的振幅调制或固定振幅下的相位调制或振幅和相位调制的组合来控制可调谐二极管激光器的偏流的变化速率和信号跃迁的锐度。这是有利的，因为诸如通过中断二极管激光器偏流引起的突然信号跃迁可以引起显著的欧姆加热扰动，其改变由可调谐二极管激光器发射的光的波长，以及在检测电子装置的解调滤波器处引起“振铃”(花费时间以稳定的振荡振幅变化)或波纹(相位变化)。此类问题降低强度波动计算的准确度。本发明的发明人已确定平滑锥形突发调制信号的施加可以避免不期望的波长变化和信号处理错误，使得可以经由施加突发信号的测量来实现改善的错误修正。

在实施例中，反复地使可调谐二极管激光器的偏流斜坡向上和向下以产生波长调制激光束，其跨一定范围的波长、以具有周期T的扫描速率反复地扫描，并且向偏流施加突发信号调制。突发信号的持续时间小于周期T。虽然到二极管激光器的偏流斜坡向上和向下，但优选地将偏流保持为连续电流而不是周期性地中断和再接通，以避免由于反复地接通和关断激光器将引起的欧姆加热扰动效应。如果施加多个突发信号，则所述多个突发信号的总持续时间优选地小于T。该突发信号可在与被测对象吸收特征相同的扫描内或在单独扫描内发生，不包括被测对象吸收特征，但是与被测对象扫描相比在时间方面是接近的。

在实施例中，通过向激光二极管的偏流施加调制而在二极管激光器的输出光束中对信息进行编码，其在激光二极管的输出光束中产生相应的已调制突发信号。此突发信号可被光学检测装置检测，并且可向由光学检测装置产生的信号施加后续处理以提取在激光束中编码的信息。将提取的信息与已知输入信息相比较给出背景辐射(例如由在熔炉中加热的物质发射的光)和遮蔽(例如由于灰尘而未被透射的光)效应的指示。通过测量激光器的输出光束的强度波动并对其进行修正，可以更准确地测量被测对象的量分数。可以使用在光束中编码的信息来修正环境光水平的波动而不必关断机关器，以便直接地测量环境光水平。

本发明的某些实施例施加具有可以通过校准来确定的最佳振幅调制和/或相位调制的突发信号，以缓解激光源内的欧姆加热的问题并避免激励与光检测器相关联的处理电子装置内的脉冲响应。该处理被应用于由光检测器输出的信号。所检测光束的处理优选地包括将由光检测器输出的信号解调，以获得表示由突发信号产生的入射光的参考信号，并且使用该参考信号针对入射在光检测器上的光中的波动而修正被测对象的测量结果。调制突发信号使得能够在没有激光器偏流中断的情况下确定背景效应。可以针对突发信号与被测对象的测量吸收线之间的容易区别而选择突发信号的位置和持续时间。

在实施例中，突发信号包括在调制频率的二次谐波下施加于可调谐二极管激光器调制信号、以使得能够使用在波长调制可调谐二极管激光器的高频调制的二次谐波下操作的检测电子装置进行检测的调制突发信号。使用这种技术的优点包括更快且更高效的信号处理，并且还通过对被测对象和突发信号两者使用公共信号处理路径来使任何固有仪表效应最小化或“消除”。

本发明的另一方面提供了一种吸收光谱系统，包括：

光源，用于发射光子束；

控制器，用于控制光源发射波长调制光束，其中，控制器适合于向发射光束施加至少一个锥形突发信号调制；

光检测器，用于在通过测试介质的透射之后检测调制光束；

信号处理单元，用于处理所检测光束以获得至少一个检测突发信号并测量一个或多个被测对象的吸收效应，其中，处理单元适合于将所述至少一个所检测突发信号与所施加至少一个突发信号相比较以确定与一个或多个被测对象的吸收效应分离的入射光的强度波动，并且修正所确定强度波动的效应以获得一个或多个被测对象的吸收效应的增加的测量准确度。

在实施例中，控制器适合于生成调制控制信号，其包括锥形突发信号调制，诸如对可调谐二极管激光器光源的偏流进行调制。

附图说明

下面仅以示例的方式参考以下各图来描述本发明的优选实施例，在所述附图中：

图1是作为工业过程气体分析仪部署的激光气体分析仪系统的示意图；

图2是作为时间的函数示出了施加于形成可调谐二极管激光器的一部分的二极管激光器的偏流的图；

图3是作为波长的函数示出了氧气的吸收剖面的图；

图4是作为波长的函数示出了一氧化碳和水的吸收剖面的图；

图5是示出了能够由方波突发信号引起的振铃效应的示意图；

图6是示出了根据本文所述实施例的示例性解调信号的示意图；

图7是示出TDL驱动电流的基线斜坡修正的示意图；

图8是示出了根据本文所述实施例的在针对环境光强度的多个数量级的操作中的环境光修正的对数图；

图9是示出了根据本文所述实施例的大气分子氧的检测的图；

图10是包括扩散体的光检测器系统的示意图；以及

图11是校准突发信号的示意图。

具体实施方式

在较宽泛的系统的背景下最好地理解本发明的实施例，其在该系统中操作。图1以示意形式示出了典型激光气体分析仪系统100的主要部件。系统100包括激光器5，其可以是诸如可调谐二极管激光器(TDL)之类的可调谐激光器。可调谐二极管激光器对于技术人员而言是众所周知的，并且在这里将不会更详细地描述。

可选地，可提供激光器底座110以将激光器105固定在适当位置。如果存在的话，优选地激光器底座110允许对激光器105的角度进行细微调整以促进光束对准。激光器底座110可包括至少对于由激光器105发射的光的波长而言透明的窗口(未示出)。

激光器105发射特定波长λ的光束115。在激光器105是可调谐激光器的情况下，可以由激光器105的控制器145使用本领域的技术人员已知的方法来改变λ。例如，在TDL的情况下，可以通过调整激光器的温度和二极管偏流中的一者或两者而改变λ。通常，改变偏流从而促使λ作为时间的函数而改变，其方式为促使其跨与系统要检测的被测对象种类相对应的一个或多个吸收线扫描，并且在某些优选实施例中，到二极管激光器的偏流可以是连续且可变的，以避免欧姆加热扰动的效应(其在二极管激光器周期性地中断并被再次接通以便测量环境光水平的情况下可能出现)。可实现约几百赫兹的扫描频率。λ可以在电磁波谱的近红外部分中。λ可以在约200nm至约10000nm的范围内。将由技术人员根据被测对象种类和对TDL的波长范围的需要来选择λ以涵盖被测对象种类的一个或多个吸收峰值。

指引光束115，使得其通过包含要分析的样本的体积。在图1的实施例中，样本是在室125中产生或流过室125的气体混合物120，但是将认识到的是将根据系统100被部署在其中的环境来对此步骤进行改变。室125可以是熔炉或管道，诸如熔炉排气管或气室。气体混合物120可以是由工业过程产生的气体，诸如熔炉排出气体，或者在人工或自然过程应用中使用的气体。可在室125中提供窗口(未示出)以允许光束115穿透室125并通过气体混合物120。可在室125中提供另一窗口(未示出)以允许光束115离开室125。

系统100还包括能够检测处于由激光器105发射的波长的光的检测器130。检测器130可以是技术人员已知的任何类型的光检测器，例如光电二极管。可选地，可提供检测器底座135以将检测器130固定在适当位置。如果存在的话，优选地检测器底座135允许对检测器130的角度进行细微调整以促进与透射光束的对准。检测器底座130可包括至少对于由激光器105发射的光的波长而言透明的窗口(未示出)。可在检测器130前面提供一个或多个干扰滤波器(未示出)，可能作为检测器底座135的一部分，以基本上降低落在检测器130上的环境光的强度。在某些实施例中，存在附加光学机械段以净化吸收路径长度中的死体积和/或保持诸如透镜或窗口之类的光学特征清洁且无刮痕和/或管理表面温度。

气体混合物120可包括许多不同的组成部分。可存在一个或多个元素、化合物或者元素和化合物的混合物。典型组成部分包括但不限于O₂、CO、CO₂、气态H₂O和诸如CH₄之类的碳氢化合物的任何组合。系统100可操作以检测气体混合物120的组成部分中的一个或多个的存在。要检测的组成部分在下文中将称为‘被测对象’。系统100可操作以另外或替换地确定一个或多个被测对象的至少一个参数，诸如量分数。所确定的至少一个参数可用作用于控制工业过程的输入，可能作为用于反馈环路的反馈。每个被测对象在其吸收光谱中具有一个或多个吸收线。吸收线对于技术人员而言是众所周知的，并且在这里将不会进一步描述。

检测器130和激光器105被通信耦合到电子检测系统140。在图1中将该耦合描述为双头箭头。电子检测系统140可以是包括至少一个处理器和存储器的印刷电路板(PCB)。电子检测系统140可另外包括二次谐波检测电子装置、解调滤波器和解调混频器或开关的任何组合。电子检测系统(140)还可包括数字电子装置以允许数字信号操纵和处理技术并提供用户接口。本领域的技术人员将认识到可以根据给定系统的特定细节进行此布置的修改。

控制器145被配置成控制激光器105，包括控制激光输出波长λ。在其中激光器105是TDL的情况下，控制器145被配置成作为时间的函数来调整至少二极管激光器偏流，并且还可包括二极管激光器的温度控制。稍后在本说明书中给出此调整的更多细节。

电子检测系统140还被配置成从检测器130接收作为时间的函数而指示入射在检测器130上的光的输出信号。电子检测系统140还被配置成处理此输出信号，如稍后在本说明书中更详细地描述的。可将电子检测系统140配置成被耦合到显示设备(未示出)，并且可配置成允许显示设备示出来自检测器130的原始输出、来自检测器130的已处理输出、激光器105的波长和激光偏流中的一个或多个。作为这些参数的任何组合的替代或除此之外，可示出其他参数。本领域的技术人员将能够根据这些说明书轻易地构造电子检测系统140。

图2作为时间的函数示出了施加于形成可调谐二极管激光器的一部分的二极管激光器的偏流。该偏流由控制器145生成。如从图2可以看到的，偏流包括三个分量。第一个是在被测对象的一个或多个吸收线或者一组被测对象中的每一个的一个或多个吸收线上以恒定速率扫描TDL输出波长的低频线性斜坡。

除此低频扫描之外，在某些实施例中，可以添加频率高得多的第二偏流调制(例如，正弦调制)。此高频偏流调制是可选的，并被提供给允许执行波长调制光谱法(例如，二次谐波检测)。

当在电磁波谱的拥挤部分中执行激光光谱法时有利地使用波长调制光谱法；即，在存在相互接近的许多吸收线或者甚至重叠的吸收线的情况下。这是因为其提供了从由于来自背景混合物的其他化学种类而进行干扰的吸收线之中挑选被测对象的特定吸收线可能需要的增强分辨率。在某些情况下，二次谐波波长调制光谱法相对于直接吸收或一次谐波波长调制光谱法而言是优选的，因为二次谐波技术赋予更大的分辨率。用于执行一次和二次谐波激光波长调制光谱法的电子技术已很好地确立并为本领域的技术人员所知。

在二次谐波波长调制光谱法的情况下，在一个特定实施例中，电子检测系统140被配置成选择由吸收线对激光频率调制的响应生成的第二谐波信号，其然后被接收入射光的光电二极管(或其他适当光敏元件)以两倍的调制频率转换成光电流信号。随着在非常窄的光谱通带中检测到第二谐波信号，噪声抑制是极高的，允许高度灵敏的化学种类检测。该过程对于其他谐波检测方案而言是类似的，诸如一次和三次谐波，然而，信号随着谐波的阶增加而逐渐变弱，并且二次谐波提供信号强度、噪声抑制和光谱分辨率之间的最佳平衡。

偏流的第三分量是通常短持续时间的人工生成二次谐波信号(即处于施加第二分量调制频率的两倍)，在本文中称为二次谐波突发200。还施加此二次谐波突发200以提供用于修正入射光中的波动的受控参考信号。从信号处理的角度出发，这由偏流的第三分量最佳地实现。在这里，‘短’持续时间是小于调整偏流以促使激光器跨一定范围的波长发射光的总时间的持续时间。在图2的实施例中，总偏流扫描时间是100ms，并且二次谐波突发的持续时间为约10ms。因此，短持续时间突发信号的此示例是总偏流扫描时间的约10％的突发信号持续时间。此持续时间方面的变化当然是可能的，并且其他实施例可包括具有小于偏流扫描总持续时间10％或达到50％或以上的持续时间的谐波突发。突发信号的相对和绝对持续时间将取决于被测对象施加和低频扫描范围。例如，在拥挤吸收光谱中，实际上可要求突发信号的持续时间比在其中正常地不存在背景干扰物的相同布置中更短。突发持续时间还应理想地超过解调滤波器的稳定时间，以往内这帮助进行可靠的测量。

下面示出了偏流的三个分量的图示：

偏流＝斜坡函数+高频调制+突发信号

向可调谐二极管激光器偏流施加二次谐波突发200以提供用于修正由例如激光功率或环境光波动的变化引起的入射光波动的受控参考信号。在图2的示例性实施例中，二次谐波突发200在约10ms处开始且在约20ms处结束，但是可在偏流扫描期间的其他时间施加二次谐波突发。优选地选择二次谐波突发的时序和持续时间，使得其与其中将二极管激光器的输出波长调谐至被测对象的吸收线的时间窗根本不重叠。

在某些实施例中，所检测二次谐波突发信号有利地直接传递至作为电子检测系统140的一部分的二次谐波检测电子装置中。这意味着不需要附加信号处理电子装置以启用突发信号的处理，其简化了总体检测系统。

在某些实施例中，采用实现类似效果的替换方法。在这些实施例中，在与吸收调制频率不同的非干扰频率下生成突发信号，并且使用单独信号处理装置来检测此频率分量。这不如某些实施例那么高效，因为其要求附加处理，但是此第二处理装置将提供关于激光强度的信息，其然后可以在修正算法中使用。

在许多应用中，感兴趣的光谱区可能完全充满背景吸收线，并且可能难以找到完全的“中性”(零吸收)波长区(区域或范围)。另外，可能不可能消除所有光学干扰边缘效应，其也将受到机械振动和温度的影响。在这些情况下，可采用用于突发信号的以下技术中的一个或多个以便增加对这些效应的系统免疫力。以下技术涉及到这些参数中的至少一个：形状(平滑度)、宽度(持续时间)、振幅或强度(峰值或谷值高度)、位置(在扫描内和作为独立波长范围两者)、扫描内的突发信号的数目以及二次谐波突发信号的极性(相位)。这些参数将定义突发信号。这些参数的最佳选择将在应用、光源和检测电子装置之间改变，并且可以通过校准或计算来确定。

例如，针对吸收测量所选的波长的选择将取决于感兴趣分量的吸收线的位置和强度、针对给定路径长度要测量的所需量分数和商用二极管激光器的可用性和成本。还期望具有相对没有背景干扰的吸收线。可使用适当的设备在实验室中测量或者在诸如HITRAN之类的预先存在、私人或公开可用的数据库获得用于特定分量的吸收剖面(线)。将这些考虑因素考虑在内而选择适当的吸收线对于本领域的某个技术人员而言是相对简单的任务。一旦已选择了吸收线，则然后可以根据附近吸收光谱的最佳“中性”区(没有背景干扰)来考虑突发信号的位置和持续时间。这将确定突发信号在扫描期间是否最佳地位于吸收特征前面或后面，或者是否由于感兴趣分量的吸收周围的吸收光谱的局部化拥挤而需要视为单独扫描。对于困难或拥挤的光谱而言，可以选择一个或多个突发信号的数目和/或极性，从而优化其针对强度修正的应用(即以便将突发信号与背景吸收特征区别开)。如果背景吸收特征可随着测量变化的过程条件而改变，则这是特别有用的。

下面针对使用两个单独二极管激光器来测量氧气和一氧化碳的熔炉应用的情况下来举例说明用于选择用于特定被测对象的适当测量吸收线和用于应用的“中性”区的过程。在用于20％氧气的图3及用于2％一氧化碳和0.7％水(为了举例说明而乘以一百倍)的图4中使用从HITRAN 2008数据库获得的光谱来举例说明用于这些光谱的某些吸收线的示例。烃类燃料在空气中燃烧的主要气体产物是二氧化碳和水。还可由燃料的不完全燃烧产生一氧化碳。在贫(低)氧条件下，产生更多的一氧化碳。因此，可以将一氧化碳的测量结果用于确定正在发生不完全燃烧。此不完全燃烧的结果由于低熔炉效率和增加的排放污染而增加燃料成本。相反地，在富氧(高背景氧)条件下，可存在非常低的一氧化碳，但是熔炉仍低效地工作，并且对于相同的净热输出而言将要求更大的燃料使用，以往内过量的气体正被燃烧过程加热而没有提供任何额外的燃料燃烧。因此，通过测量氧气和一氧化碳的量分数，可优化熔炉效率，并且通过手动或自动反馈系统来调整燃料和/或空气水平而使污染最小化。氧气光谱上的水线的背景干扰是低的(图3)，而一氧化碳光谱上的水的背景干扰更加显著(图4)。背景光谱对被测对象的影响由被测对象和背景干扰物种类的相对本证吸收线强度和量分数两者确定。在此应用中，量分数一氧化碳水平可能是低的，而水水平可能高得多。这意味着应针对一氧化碳测量将水交叉干扰考虑在内。对于特定路径长度(对于这些图示而言100cm)而言，期望的是被测对象线的吸收强度应足够强以提供用于测量的良好灵敏度，并且吸收线应是单独或“清洁”的，即没有任何潜在干扰线。干扰线甚至可由被测对象种类本身而引起，诸如双重线或三重线结构。一旦已经选择了适当的线，则可选择附近“中性”区。在图3和4中提出了多个潜在吸收线和“中性”区，并且可选择任何一个，因为线的选择将取决于应用和仪表。请注意，这些举例说明是针对室温和大气压力，但是对于特定熔炉测量条件而言可获得等效光谱。还请注意，本示例已示出了多个潜在“中性”区。在某些应用中，没有完美的“中性”区可用，并且因此应在相对于感兴趣吸收特征的位置和低干扰误差方便选择折中区。即使在另外“中性”区中也可存在光学干扰边缘效应，潜在地导致误差。由于这些因素，可使用在本专利中描述的与突发信号有关的技术中的一个或多个来增加入射光强度修正方法的准确度。

突发信号的位置和持续时间可受到周围光谱的吸收特征和总期望二极管激光器扫描持续时间的约束(受到诸如当前可用调谐范围及用于信号处理的期望扫描时间和响应时间之类的因素的影响)。还选择突发信号的形状或平滑度从而避免在检测器电子装置中引入任何振铃。突发信号的期望形状可以是应用相关的(例如，突发信号期间的振幅或平滑度的变化速率在拥挤光谱中可能受到约束)且仪表相关的(诸如取决于检测器电子装置)。可以在实验上测试期望形状轮廓(窗口)以确认已处理突发信号具有期望的形状。现在将在以下段落中更详细地单独地处理这些突发信号参数。

如在图2中以示例的方式所示，二次谐波突发信号最佳地是平滑锥形信号调制，其避免了突发开始或结束时的尖锐信号跃迁。这在第一实施例中用采用平滑窗函数来对突发信号进行成形的可调谐二极管激光器偏流的突发信号调制(例如正弦调制)来实现。此窗函数控制突发信号振幅的斜坡向上和向下和/或控制相位，使得避免突然信号跃迁。在第一实施例中，使用锥形余弦(或‘Tukey’)窗函数来调制偏流的振幅，但是可使用其他平滑窗函数。这些平滑窗函数可以是Planck锥形窗口、Kaiser-Bessel窗口、汉明窗口、汉宁窗口、布兰克曼窗口或三角形窗口(如果梯度并未过高的话)或者足够平滑而避免在检测电子装置中发起“振铃”脉冲响应的任何锥形窗函数(参见下文)。还可将窗函数称为‘包络函数’。通过控制窗函数的参数，可以实现突发信号形状，其将平滑开始和结束跃迁与具有稳定振幅的信号的一部分组合。该平滑化信号边缘和不中断偏流帮助避免二极管激光器的欧姆加热，并且避免检测器电子装置处的“振铃”；而突发信号的稳定振幅部分确保突发信号具有容易与任何吸收线区别开且允许检测瞬时波动的形状。

下面针对二次谐波实施例给出突发信号形状的举例说明：

突发信号＝二次谐波调制×窗函数

期望使用平滑窗函数来控制可调谐二极管激光器的偏流的调制以避免所检测信号中的尖锐跃迁，其将激励波长调制光谱系统的脉冲响应。此脉冲响应可由在解调混频器或开关之后的解调滤波器的动态响应得到。由尖锐信号边缘来激励脉冲响应常常导致随时间推移而周期性地衰减的信号失真—称为“振铃”。用于二次谐波突发的方形脉冲的使用将可能激励此类不期望的脉冲，导致诸如图5中所示的已解调信号。在此图中，振铃性质在约3700μs至3800μs下的标记为500的已解调信号部分中是清楚可见的。这是有问题的，因为衰减周期性特征在其实际上仅仅是信号处理的伪像时可能被误认为光谱信号的一部分。

通过引入平滑窗函数而获得的优点是然后可以使得二次谐波突发的振幅相对大，以便在没有“振铃”的情况下显著地改善信噪比。在这里，‘大’是相对于否则将已在其中将二次谐波突发叠加在偏流上的时间间隔期间施加的未调制偏流的平均振幅而定义的。在图2的示例性实施例中，二次谐波突发的峰峰振幅为约4mA，并且10至20μs间隔期间的未调制偏流的平均振幅为约12mA。二次谐波突发的峰峰振幅因此为平均未调制偏流的约三分之一。此振幅的变化当然是可能的，并且其他实施例可具有一窗函数，该窗函数导致二次谐波突发的峰峰振幅小于在施加二次谐波突发的时间间隔期间施加的未修改偏流的平均振幅的10％或超过50％。

在任何情况下，平滑窗函数应优选地产生二次谐波突发，其具有足够大的振幅而很容易与也可施加于偏流的未调制偏流和任何高频调制两者区别开。在某些优选实施例中，选择窗函数，使得突发特征的形状明显不同于与自然吸收线(例如，突发特征不应类似于Lorentzian、高斯或Voigt波形)或多个线(例如双重线或三重线吸收线)或光学干扰边缘(例如非正弦曲线)相关联的形状。在某些实施例中，突发信号还可包括中心稳定水平特征。在某些实施例中，使得突发信号的振幅如此大，使得小的波动具有较小的意义。

使用平滑窗函数的另一优点是可以使得解调滤波器速度很快以保持被测对象信号的细微光谱特征，其使得能够实现诸如线宽之类的参数的准确确定。

在某些实施例中，突发特征在包括感兴趣的一个或多个突发特征的扫描窗口内发生。在其他实施例中，突发特征在一个或多个单独扫描中发生，其与感兴趣吸收扫描在时间上紧密交错。在拥挤吸收光谱中，使突发信号位于与被测对象吸收特征分离的中性区中但不必通过突发特征与被测对象吸收特征之间的多个吸收干扰线进行扫描(其可引起不期望的时间延迟和/或潜在信号处理错误)是有用的。另外，这与(通常较大的)突发信号相比允许用于(通常较小)被测对象信号的更大数目的平均扫描，因此与具有相等数目的平均扫描相比允许有针对同一总平均持续时间的降低的背景噪声和因此增强的信号准确度。

除突发信号的振幅和平滑跃迁之外，还可例如通过选择窗函数来优化突发的宽度。在某些实施例中，将突发的宽度和/或振幅选择成从而明显大于由于背景吸收或光学边缘干扰而引起的任何预测基线波动。这将有利地使这些背景效应的任何改变对突发信号的影响最小化。对振幅的最后限制是信号处理链饱和的避免。优选地将突发的宽度选择成小于TDL扫描速率的周期。

在某些实施例中，单独或多个二次谐波突发(包括不同形状和/或宽度/振幅)位于感兴趣吸收特征之前和/或之后，取决于用于最小背景干扰的最佳位置。每个可具有相同的窗函数，或者可对每个突发使用不同的窗函数。然后可以采用加权或未加权平均和/或采样技术来减小随机或多个潜在吸收或光学干扰边缘的影响。

在某些实施例中，相对于感兴趣吸收特征的单个突发的位置或多个突发的位置在定义子窗口内的循环之间改变，使得突发不撞击在感兴趣的吸收区域上，而是干扰的最显著部分通过测量光强度的变化而发生。然后可以通过不同位置上的信号平均技术来使此干扰最小化。替换地，可将一个或多个最低干扰位置选择为用于针对系统化干扰的所有不同位置的任何给定总循环周期的一个或多个轮询点(优选的一个或多个光强度参考值)。

优选地在优化、固定相位处检测二次谐波信号。因此可以通过在与已处理二次谐波信号同步的固定相位下对激光输出进行振幅调制来生成二次谐波突发形状。然而，在某些实施例中，利用在固定振幅下对激光输出进行相位调制或者对相位和振幅进行调制的同时组合来获得平滑二次谐波信号调制。用以控制适当突发信号生成的相位调制相比于纯振幅调制而言具有优点，即与固定相位下的纯振幅调制相比存在改善的信噪比(因为为了具有相同的相对噪声效果，噪声将必须与激光输出相位相关，情况不可能是这样)。输入信号的相位调制很适用，因为解调是相位敏感的。特别地，已解调信号的振幅取决于调制信号与用来对信号进行解调的参考信号之间的相位角。

在某些实施例中，选择输入信号调制以生成相对于一个或多个任何吸收特征的反相突发信号。这有利地意味着突发将不会被误认为是一个或多个吸收特征。

二次谐波检测的相位相关性从用来从存在的其他频率导出二次谐波信号的锁定检测技术而导出。在以下等式中示出典型相关性。随时间t的已解调输出信号V_b(t)与相位角φ的余弦成比例，如等式3所示。通过改变参考相位角，可减小、增加已处理信号的振幅或使其反相。

在图6中示出了由电子检测系统140的二次谐波检测电子装置产生的结果得到的已解调信号。可以根据前述实施例用振幅调制或相位调制二次谐波突发来获得此类已解调信号。二次谐波突发产生用于入射光修正的平滑化脉冲参考信号600。在图6的示例性实施例中，示出了从约10ms至20ms的平滑化脉冲参考信号600。此特征很明显并未显示出振铃性质。在图6中出于参考的目的还示出了由被测对象产生的二次谐波吸收线信号610。如从图4显而易见的，参考信号600并未与吸收线信号610重叠。

可以将参考信号600用于由于例如激光输出功率的变化和/或环境光水平的变化而引起的入射在检测器130上的光强的变化的入射光修正。可选择二次谐波突发的相位以产生负脉冲或正脉冲，取决于什么最适合于从二次谐波吸收线信号610推导出被测对象的量分数的下游信号处理算法。图6示出了负极性的脉冲。

参考信号600的量值与入射光的量I₀(v)成正比，并且二次谐波吸收线形状610的量值与入射光的量和被测对象的量成正比。因此，可以使用等式4的关系针对入射光波动修正二次谐波吸收线形状610的量值。

$A_{\mathrm{corr}}\left(v\right)=\frac{A_{\mathrm{meas}}\left(v\right)I_{0,\mathrm{ref}}\left(v\right)}{I_0\left(v\right)}---\left[4\right]$

其中，A_oorp(v)是激光频率ν下的已修正二次谐波吸收信号的振幅，A_meas(v)是测量的二次谐波吸收信号的振幅，I₀(v)是从由二次谐波突发信号产生的参考信号600推导出的入射光的量，并且I_0，ref(v)是对应于未遮蔽光学路径的入射光的参考量，即百分之一百的透射因数。

由于二次谐波突发信号是激光束的唯一特征，所以其明显不同于由环境光引起的检测器信号。其还很容易与光检测器的所谓‘暗电流’信号区别开，该‘暗电流’信号产生了技术人员已知的暗电流偏移。这意味着不同于用于处理这些误差来源的现有技术方法，不需要出于此目的而临时地关掉二极管激光器，因此避免激光源上的欧姆加热扰动。这导致改善的测量准确度，特别是当正在使用TDL时。

可使用许多数学方法来获得由二次谐波突发信号引起的参考信号600的量值且从而推导出环境光和遮蔽对入射光的量I₀(v)的影响。然而，优选的是选择一种提供针对噪声和基线变化以及特别是针对由被测对象或背景化学种类进行的残余选择吸收的最佳免疫性的方法。为此，虽然某些实施例可使用使用参考信号600的峰值高度(或谷值)的简单方法，但这并不总是最佳选择。

优选方法涉及到对参考信号600求积分以从标称基线获得封闭区，其具有过滤较高频噪声的效果。还可在解调滤波器之后存在一次或二次谐波激光调制信号的残余馈通，因为实际上一个人不能完全地或在没有严重相位延迟损失的情况下实现理想的“砖墙”滤波器以拒绝调制信号。

通过积分边界的谨慎选择，因此在其上面求积分的区域是调制信号周期的整数倍，积分还充当数字信号处理内的梳状滤波器。这有利地大大地抑制了任何调制馈通。

可以通过使用多点修正来减去在参考信号600附近的基线斜坡来拒绝低频噪声和基线变化。两点修正正常地是适当的，因为脉冲宽度上的激光频率扫描范围足够小，使得可使用线性近似。如图7中所示，可将刚好在参考信号600外面的两个点t₁和t₂用于基线斜坡修正，其在时间t₁和t₂发生。

在某些情况下可用等式5中所示的线性形式来近似基线斜坡函数r(t)。

r(t)＝mt+b                [5]

其中，分别地由等式6和等式7来给出斜率m和系数b。

由等式8给出参考信号600的最后积分，其中，t₁和t₂是积分边界，S(t)是时间t的参考信号600，r(t)是来自等式5的基线斜坡函数，并且v是在该处发生二次谐波突发的光学频率。

$I_0\left(v\right)=-{\∫}_{t_1}^{t_2}[S\left(t\right)-r\left(t\right)]\∂t---\left[8\right]$

在其中二次谐波突发是对称函数的实施例中，可以将参考信号600内的两个点用于基线斜坡修正，其中，两个时间t_m-dt和t_m+dt与参考信号中点时间t_m的任一侧相等地间隔开dt，同样如图7中所示。在此特定情况下，分别地由等式9和等式10给出斜率m和系数b。如果吸收光谱高度拥挤的话，这种方法是特别有利的，其中，找到刚好在参考突发信号外面的中性点以定义基线斜坡可能变得困难。

$b=S(t_m-\mathrm{dt})-(t_m-\mathrm{dt})\left[\frac{S(t_m+\mathrm{dt})-S(t_m-\mathrm{dt})}{2\mathrm{dt}}\right]---\left[10\right]$

二次谐波突发可位于激光频率扫描内的任何位置，但是优选地并不太接近于被测对象吸收线。更优选地，二次谐波突发在没有干扰背景化学种类的任何强选择性吸收的光谱的中性部分中。由于二次谐波突发与激光频率扫描的持续时间相比具有短持续时间，所以可以以高精确度对其进行定位，这在在诸如图4中所示的拥挤光谱中测量时是特别有用的。

图8是示出了使用上述实施例的二次谐波突发方法的入射光修正的测量结果的对数图。左手垂直轴指示使用等式8从参考信号600的积分推导出的入射光的量，并且水平轴指示入射光的实际量I₀(v)。实线圆圈是通过参考信号的积分生成的数据点，并且实线是通过那些数据点的趋势线。如从图8显而易见的，在延续多个数量级的两个量之间存在直接一致性，说明本文所述的实施例准确地确定入射光水平的能力。

在右侧垂直轴上指示了二次谐波吸收线振幅A_meas(v)，并且用十字形所表示的数据点示出。从图8显而易见的是如等式3所指示的此量与入射光的实际量I₀(v)之间的直接关系适用。

在图9中针对大范围的光学透射因数示出了由本文所述的实施例使用由二次谐波波长调制光谱法进行的大气分子氧的检测实现的入射光修正的说明。使用测试设备中的测量光束路径中的各组中性密度滤波器对这些进行模拟。针对低到0.25％的光学透射因数来充分地修正分子氧的量分数，说明实施例跨大范围的遮蔽条件准确地确定被测对象浓度的能力。另外，图9显示本文所述实施例能够解决激光输出功率的变化，其将有效地表示气体混合物的光学透射因数的短期变化。

为了实现如图8和9中的结果所示的入射光修正的宽动态范围，必须防止光电二极管或可使用的其他光敏元件的动态饱和。该动态饱和指的是激光调制频率及其谐波下的检测器响应，其不同于本领域的技术人员正常地熟悉的由入射光(或连续波)的平均量引起的饱和。用一般地在光电二极管前面用来改善其视场的衍射限制光学件，可以用小于一毫瓦的激光束功率来达到动态饱和极限。接近动态饱和极限的最显著效果是其改变来自被测对象吸收线的二次谐波信号的相位响应，其改变由针对固定相位关系正常地配置的解调系统所检测的表观线振幅。因此，等式4的关系由于由动态饱和效应引起的非线性响应而变得无效。

降低光电二极管上的照度水平的光学技术是本领域的技术人员已知的。然而，本发明的发明人已经确定这些技术对防止光电二极管的动态饱和可能是有效且切合实际的，并且其可包括在光电二极管的前面提供扩散元件，或者如果在光电二极管的前面使用一个的话，则使光电二极管从集光透镜的焦平面偏移。然而，使用扩散元件提供用于入射光水平的最大动态范围，并且不减小光电检测器系统的视场。用图10中的图来示出可用来实现本发明的具有扩散体1000的光电检测器系统的示例。如从图10可以看到的，光学扩散体1000基本上位于光电二极管1005和激光二极管前面。可选地，可在二极管激光器与扩散体1000之间的光束路径中提供透镜1010以使光聚焦到扩散体1000上。

在以上示例中，已示出了用以修正施加于单个化学种类的单个吸收线的激光强度波动效应的实施例。然而，本文所述实施例可以同样很好地应用于相同化学种类的多个线和/或在单次或多次扫描内发生的多个化学种类的单个或多个线。

在替换实施例中，用单独设备来调制二极管激光器以便生成二次谐波突发信号。此单独设备可以是电光调制器、声光调制器、液晶光学调制器、基于微机电系统(MEMS)的可变光学衰减器、基于干涉测量的可变光学衰减器或被同步到解调检测器的任何其他适当装置。这可以是技术的优选变体，如果调制频率对于偏流调制而言过高的话或者如果不能容忍相应RAM的话。

在另一替换实施例中，由单独光源以与所使用的二极管激光器(与吸收激光器同步)基本上不同的波长来生成二次谐波突发信号，使得来自背景种类吸收的干扰被大大地减少。该单独光源可以是另一二极管激光器或发光二极管(LED)，其具有可以被用于波长调制光谱法的同一或单独检测器(例如光电二极管)检测的发射波长。单独LED源由于其与二极管激光器相比缺少相干性而具有不经受光学边缘干扰的优点。该单独光源和在某些实施例中的单独检测器与吸收二极管激光器和检测器基本上共同定位以便保持等效光学路径。

然而，用于被用于吸收测量的突发信号和波长调制信号的同一信号处理链的使用由于其他原因而是有利的。首先，可高效地利用单个信号处理链(电子装置和软件)，并且其次，发生的任何信号处理错误对于波长调制信号和施加的突发信号两者而言是共模错误。这些是其中对与波长调制(其被用于被测对象检测和测量)相同的可调谐二极管激光器输入控制信号施加突发信号调制(其被用于纠错)的实施例的优点。

根据本发明的各种解决方案因此能够补偿强度波动和信号处理仪表问题以获得改善的光谱测量准确度。

鉴于以上讨论，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是本文所述的实施例提供许多优点。一个此类优点是克服了由可调谐二极管激光器光谱系统所固有的非线性扰动引起的限制，诸如欧姆加热扰动和信号处理不稳定性。另一优点是可以解决用于在波长调制光谱法中修正瞬时或准瞬时入射光波动的残余背景吸收干扰或光学边缘干扰，导致一个或多个被测对象的改善的量化。另外，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是虽然已特别地参考二次谐波波长调制光谱法举例说明了这种方法，但其可以同样地应用于其他吸收光谱技术，诸如频率调制光谱(FMS)或直接吸收光谱(DAS)。其还可以应用于除气体之外的介质(例如液体或固体)中的测量或介质的混合物(例如，气体中的固体和/或液体种类)。

可以通过改变窗函数的输入参数而在激光吸收光谱系统的校准中使用本发明，所述窗函数控制信号跃迁的锥形化以实现最佳突发信号形状，其避免被测突发信号中的欧姆加热效应和振荡振幅或相位波动。此校准能力允许对可调谐二极管激光器和检测器电子装置的不同组合使用同一控制器，因为可以调整输入信号直至缓解信号处理错误为止。此校准步骤可以包括识别被扫描的波长光谱的中性部分，以便选择突发信号的最佳位置以及突发信号形状的控制。可手动地或通过使用自动化系统来实现此校准步骤。

以下是用来设置用于强度波动补偿(参见图11)的突发信号的程序的示例。本示例完全是说明性的，并且在任何单独情况下使用的精确程序将取决于仪表和应用。

程序：

1.针对期望的气体测量适当地选择二极管激光器和吸收分析仪。

2.选择突发信号形状(例如Tukey窗函数)。

3.将突发信号的振幅(峰值高度)设置成模数转换器(ADC)输入的全标度范围的90％。这将获得对于光学透视补偿而言可能的近似最高实际信噪比。

4.将突发宽度设置成激光波长扫描范围的20％。这将允许在单次扫描中测量用于突发信号和吸收剖面两者的足够空间。

5.将位置设置成激光波长扫描的前1/4段或最后1/4段内，其中不存在气体吸收响应，包括背景气体种类。这留下中间区用于测量感兴趣吸收特征。

此步骤序列后面可以是检测突发信号并将所检测的突发信号与调制突发信号相比较以识别信号处理异常，并且然后修改调制突发信号以减少异常。

除上文所述且在所附权利要求中要求保护的实施例之外，以下是附加实施例列表，每个可充当用于本申请或分案申请中的附加权利要求的基础。

实施例1：一种修正吸收光谱系统内的入射光的强度波动效应的方法，包括步骤：

控制光源发射波长调制光束；

施加至少一个调制突发信号以调制波长调制光束和/或调制与波长调制光束同步的单独光束，该至少一个调制突发信号是锥形信号调制；

在通过样本介质的透射之后检测一个或多个调制光束；

处理一个或多个所检测光束以获得至少一个所检测突发信号，并测量一个或多个被测对象的吸收效应，其中，该处理包括将所述至少一个所检测突发信号与施加的至少一个调制突发信号相比较以确定与一个或多个被测对象的吸收效应分离的入射光强度波动，并修正所确定强度波动效应以获得一个或多个被测对象的吸收效应的增加的测量准确度。

实施例2：实施例1的方法，包括选择用于至少一个突发信号的至少一个波长区位置和/或持续时间以将突发信号从一个或多个被测对象的测量吸收线隔离。

实施例3：实施例1或2的方法，其中，所述光源是可调谐二极管激光器，并且针对激光器的光束的波长调制，以具有周期T的的扫描速率跨一定范围的值反复地扫描激光器的偏流，并且其中，突发信号的持续时间小于周期T。

实施例4：实施例1—3中的任一项的方法，其中，由光检测器来检测调制光束，并且所述处理还包括：

处理来自光检测器的输出信号以获得与所检测突发信号成比例的参考信号；并且

使用参考信号来产生已修正信号，该已修正信号与一个或多个被测对象种类中的一个的浓度成比例。

实施例5.实施例1至4中的任一项的方法，其中，在固定相位下对突发信号进行振幅调制。

实施例6.实施例1至4中的任一项的方法，其中，在固定振幅下对突发信号进行相位调制。

实施例7.实施例1—4中的任一项的方法，其中，所述突发信号被相位调制且振幅调制。

实施例8.前述实施例1—5中的任一项的方法，其中，将突发信号的频率选择成等于被用于至少一个被测对象的吸收效应光谱测量的光源调制频率的谐波频率。

实施例9.实施例4—8中的任一项的方法，其中，所述处理还包括在等于整数个激光调制频率周期的周期内对参考信号求积分。

实施例10.实施例9的方法，其中，从参考信号减去基线斜坡函数以修正被测对象和任何背景化学种类的选择性残余吸收。

实施例11.实施例8的方法，其中，突发信号的频率等于被用于至少一个被测对象的吸收效应光谱测量的激光调制频率的二次谐波。

实施例12.实施例1至11中的任一项的方法，其中，所述光源是二极管激光器，并且施加调制突发信号的步骤包括调制二极管激光器的偏流以产生突发信号。

实施例13.实施例1至11中的任一项的方法，其中，由解调检测器来执行检测和处理步骤，并且使用被同步到解调检测器的外部调制设备来施加突发信号。

实施例14.实施例1至11中的任一项的方法，其中，由解调检测器来执行检测和处理步骤，并且使用被同步到解调检测器的辅助二极管激光器或发光二极管来施加突发信号。

实施例15.实施例6或7的方法，其中，使用相位调制来使突发信号反相。

实施例16.根据实施例1至15中的任一项所述的方法，其中，针对激光强度变化来修正至少一个被测对象种类的单个吸收线。

实施例17.根据实施例1至15中的任一项所述的方法，其中，针对激光强度变化来修正至少一个化学种类的多个吸收线。

实施例18.实施例1至17中的任一项的方法，其中，将锥形信号调制的形状选择成不同于任何自然发生的吸收形状或光学干扰边缘效应。

实施例19.前述实施例1至18中的任一项的方法，其中，将突发信号的振幅和宽度中的至少一个选择成基本上大于任何预期自然背景波动。

实施例20.根据前述实施例1至19中的任一项所述的方法，其中，使用多个突发信号以便确定光强度波动。

实施例21.实施例20的方法，其中，使用测量光强度的平均来使修正误差最小化。

实施例22.实施例20或实施例21的方法，其中，基于突发信号的所选子集来计算已修正光强度，该子集包括多个突发信号中的一个或多个。

实施例23.实施例3的方法，其中，至少一个突发信号的位置在扫描循环之间改变。

实施例24.实施例1至23中的任一项的方法，其中，所述光源是可调谐二极管激光器，并且跨一定范围的值使得激光器的偏流斜坡向上和向下以跨一定范围的波长改变激光器的输出光束；并且其中，所述方法还包括识别样本气体中的气体的吸收波长，并且在波长范围内选择调制突发信号的位置以避免所识别吸收波长。

实施例25.实施例1至24中的任一项的方法，其中，使用窗函数来生成突发信号的锥形信号调制。

实施例26.实施例25的方法，其中，所述窗函数是Tukey窗函数、Planck锥形窗函数、Kaiser-Bessel窗函数、汉明窗函数、汉宁窗函数、布兰克曼窗函数或三角形窗函数中的一个。

实施例27.实施例1至26中的任一项的方法，其中，相对于一个或多个被测对象种类的至少一个吸收特征使突发信号反相。

实施例28.实施例1至27中的任一项的方法，其中，所述处理还包括确定一个或多个被测对象种类的浓度。

实施例29.实施例1至28中的任一项的方法，其中，所述样本介质是来自人工或自然过程的气体。

实施例30.实施例1至29中的任一项的方法，其中，所述光源是由连续和可变驱动电流控制的二极管激光器。

实施例31.实施例1至30中的任一项的方法，其中，光学扩散体基本上位于光检测器前面。

实施例32.一种吸收光谱系统，包括：

光源，用于发射光子束；

控制器，用于控制光源以发射波长调制光子束，其中，所述控制器还适合于向光子束施加至少一个锥形突发信号调制；

光检测器，用于在通过样本介质透射之后检测已调制光子束；

信号处理单元，用于处理所检测光束以获得至少一个检测突发信号并测量一个或多个被测对象的吸收效应，其中，处理单元适合于将所述至少一个所检测突发信号与所施加至少一个突发信号调制相比较以确定与一个或多个被测对象的吸收效应分离的入射光的强度波动，并且修正所确定强度波动的效应以获得一个或多个被测对象的吸收效应的增加的测量准确度。

实施例33.实施例32的系统，包括用于选择用于至少一个突发信号的至少一个波长区位置和/或持续时间以将突发信号从一个或多个被测对象的测量吸收线隔离的装置。

实施例34.实施例32或33的系统，其中，所述至少一个锥形突发信号调制具有不同于任何自然发生吸收形状或光学干扰边缘效应的形状。

实施例35.实施例32至34中的任一项的系统，其中，将锥形突发信号调制的振幅和宽度中的至少一个选择成基本上大于任何预期自然背景波动。

实施例36.实施例32至35中的任一项的系统，其中，所述控制器适合于向光子束施加多个锥形突发信号调制。

实施例37.实施例32至36中的任一项的系统，其中，所述光源是可调谐二极管激光器，并且其中，所述控制器被配置成针对激光器光束的波长调制以具有周期T的扫描速率跨一定范围的值反复地扫描激光器的偏流，并且其中，锥形突发信号调制的持续时间小于周期T。

实施例38.实施例37的系统，其中，所述控制器适合于在单次扫描内向光子束施加多个锥形突发信号调制。

实施例39.实施例37或38的系统，其中，至少一个锥形突发信号调制的位置在扫描循环之间改变。

实施例40.实施例36至37中的任一项的系统，其中，基于锥形突发信号调制的所选子集来计算已修正光强度，该子集包括锥形突发信号调制中的一个或多个。

实施例41.实施例32至40中的任一项的系统，其中，使用窗函数来生成锥形突发信号调制。

实施例42.实施例41的系统，其中，所述窗函数是Tukey窗函数、Planck锥形窗函数、Kaiser-Bessel窗函数、汉明窗函数、汉宁窗函数、布兰克曼窗函数或三角形窗函数中的一个。

实施例43.实施例32至42中的任一项的系统，其中，所述锥形突发信号调制是以下各项中的一个：

固定相位下的振幅调制；

固定振幅下的相位调制；或者

相位调制和振幅调制的组合。

实施例44.实施例32至43中的任一项的系统，其中，所述控制器适合于控制以下各项中的一个：

外部调制设备；

第二激光源，包括激光二极管；

发光二极管；或者

激光源偏流；以便向光子束施加锥形突发信号调制。

实施例45.实施例32至44中的任一项的系统，其中，所述样本介质是在与人工或自然过程相关联的室内产生的气体，并且其中，所述光源被定位成使得其通过所述室的至少一部分发射光子束。

实施例46.实施例32至44中的任一项的系统，其中，样本气体流过提取系统，并且其中，所述光源被定位成使得其通过所述提取系统的至少一部分发射光子束。

实施例47.一种对包括光源和光检测器的吸收光谱系统进行校准的方法，该方法包括：

向由光源发射的光束施加至少一个调制突发信号；

在通过样本气体透射之后检测已调制光束；

处理所检测光束以获得至少一个所检测调制突发信号，并且将至少一个所检测调制突发信号与施加的调制突发信号相比较以识别信号处理异常；并且

修改调制突发信号以减少信号处理异常。

实施例48.实施例47的方法，还包括修改至少一个调制突发信号的位置和/或持续时间。

实施例49.实施例47或48的方法，其中，在固定振幅下对突发信号进行相位调制。

实施例50.实施例47或48的方法，其中，在固定相位下对突发信号进行振幅调制。

实施例51.实施例47或48的方法，其中，所述突发信号被相位调制且振幅调制。

实施例52.实施例47至51中的任一项的方法，其中，所述光源是二极管激光器，并且施加调制突发信号的步骤包括调制二极管激光器的偏流以产生突发信号。

实施例53.实施例47至52中的任一项的方法，其中，所述光源是可调谐二极管激光器，并且跨一定范围的值使得激光器的偏流斜坡向上或向下以跨一定范围的波长扫描激光器的输出光束；并且其中，所述方法还包括识别样本气体中的气体的吸收波长，并且修改调制突发信号的步骤包括修改扫描波长范围内的调制突发信号的位置以避免所识别吸收波长。

Claims (39)

1.一种修正吸收光谱系统内的入射光的强度波动效应的方法，包括步骤：

控制光源发射波长调制光束；

施加至少一个调制突发信号以调制波长调制光束和/或调制与波长调制光束同步的单独光束，所述至少一个调制突发信号是锥形信号调制；

在通过样本介质的透射之后检测一个或多个调制光束；

处理一个或多个所检测光束以获得至少一个所检测突发信号，并测量一个或多个被测对象的吸收效应，其中，所述处理包括将所述至少一个所检测突发信号与施加的至少一个调制突发信号相比较以确定与一个或多个被测对象的吸收效应分离的入射光强度波动，并修正所确定强度波动效应以获得一个或多个被测对象的吸收效应的增加的测量准确度。

2.根据权利要求1所述的方法，包括选择用于所述至少一个突发信号的至少一个波长区和/或持续时间以将突发信号从一个或多个被测对象的测量吸收线隔离。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源是具有关联激光偏流的可调谐二极管激光器，并且针对激光器的光束的波长调制，以具有周期T的的扫描速率跨一定范围的值反复地扫描激光器的偏流，并且其中，所述突发信号的持续时间小于周期T。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，由光检测器来检测已调制光束，并且所述处理还包括：

处理来自光检测器的输出信号以获得与所检测突发信号成比例的参考信号；并且

使用参考信号来产生已修正信号，所述已修正信号与一个或多个被测对象种类中的一个的浓度成比例。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：

在固定相位下对突发信号进行振幅调制；或者

在固定振幅下对突发信号进行相位调制；或者

突发信号被相位调制和振幅调制。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，将突发信号的频率选择成等于被用于至少一个被测对象的吸收效应光谱测量的光源调制频率的谐波频率。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述处理还包括在作为调制突发信号周期的整数倍的时间段内对参考信号求积分。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，从参考信号减去基线斜坡函数以修正被测对象和任何背景化学种类的选择性残余吸收。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源是具有关联偏流的二极管激光器，并且施加调制突发信号的步骤包括调制二极管激光器的偏流以产生突发信号。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，由解调检测器来执行检测和处理步骤，并且使用以下各项中的一个来施加突发信号：被同步到解调检测器的外部调制设备；被同步到解调检测器的辅助二极管激光器；或者被同步到解调检测器的发光二极管。

11.根据权利要求6所述的方法，其中，使用相位调制来使突发信号反相。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，针对强度波动而修正至少一个被测对象种类的至少一个吸收线。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，将锥形信号调制的形状选择成不同于任何自然发生的吸收形状或光学干扰边缘效应。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，将突发信号的振幅和宽度中的至少一个选择成基本上大于任何预期自然背景波动。

15.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，使用多个突发信号以便确定光强度波动，并且其中，使用测量光强度的平均来使修正误差最小化。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，基于突发信号的所选子集来计算已修正光强度，所述子集包括多个突发信号中的一个或多个。

17.根据权利要求3所述的方法，其中，至少一个突发信号的位置在扫描循环之间改变。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源是具有关联偏流的可调谐二极管激光器，并且所述激光器的偏流跨一定范围的值斜坡向上和向下以跨一定范围的波长改变激光器的输出光束；并且其中，所述方法还包括识别样本气体中的气体的吸收波长，并且在波长范围内选择调制突发信号的位置以避免所识别吸收波长。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，使用窗函数来生成突发信号的锥形信号调制。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述窗函数是Tukey窗函数、Planck锥形窗函数、Kaiser-Bessel窗函数、汉明窗函数、汉宁窗函数、布兰克曼窗函数或三角形窗函数中的一个。

21.根据权利要求1所述的方法，其中，相对于所述一个或多个被测对象种类的至少一个吸收特征来使突发信号反相。

22.根据权利要求1所述的方法，其中，由光检测器来检测已调制光束，并且光学扩散体基本上位于光检测器前面。

23.一种吸收光谱系统，包括：

光源，用于发射光子束；

控制器，用于控制光源发射波长调制光子束，其中，所述控制器还适合于向光子束施加至少一个锥形突发信号调制；

光检测器，用于在通过样本介质透射之后检测已调制光子束；

信号处理单元，用于处理所检测光束以获得至少一个检测突发信号并测量一个或多个被测对象的吸收效应，其中，所述处理单元适合于将所述至少一个所检测突发信号与所施加至少一个突发信号调制相比较以确定与一个或多个被测对象的吸收效应分离的入射光的强度波动，并且修正所确定强度波动的效应以获得一个或多个被测对象的吸收效应的增加的测量准确度。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述至少一个锥形突发信号调制具有不同于任何自然发生吸收形状或光学干扰边缘效应的形状。

25.根据权利要求23所述的系统，其中，将锥形突发信号调制的振幅和宽度中的至少一个选择成基本上大于任何预期自然背景波动。

26.根据权利要求23所述的系统，其中，所述光源是具有关联偏流的可调谐二极管激光器，并且其中，所述控制器被配置成针对激光器光束的波长调制以具有周期T的扫描速率跨一定范围的值反复地扫描激光器的偏流，并且其中，锥形突发信号调制的持续时间小于周期T。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述控制器适合于在单次扫描内向光子束施加多个锥形突发信号调制。

28.根据权利要求26所述的系统，其中，至少一个锥形突发信号调制的位置在扫描循环之间改变。

29.根据权利要求26所述的系统，其中，基于锥形突发信号调制的所选子集来计算已修正光强度，所述子集包括锥形突发信号调制中的一个或多个。

30.根据权利要求23所述的系统，其中，使用窗函数来生成锥形突发信号调制。

31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述窗函数是Tukey窗函数、Planck锥形窗函数、Kaiser-Bessel窗函数、汉明窗函数、汉宁窗函数、布兰克曼窗函数或三角形窗函数中的一个。

32.根据权利要求23所述的系统，其中，所述锥形突发信号调制是以下各项中的一个：

固定相位下的振幅调制；

固定振幅下的相位调制；或者

相位调制和振幅调制的组合。

33.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制器适合于控制以下各项中的一个：

外部调制设备；

包括激光二极管的第二激光源；

发光二极管；或者；

激光源偏流；

以便向光子束施加锥形突发信号调制。

34.根据权利要求23所述的系统，其中，样本介质适是以下各项中的一个：

在与人工或室内自然过程相关联的室内产生的气体，并且其中，所述光源被定位成使得其通过所述室的至少一部分发射光子束；或者

流过提取系统的样本气体，并且其中，所述光源被定位成使得其通过所述提取系统的至少一部分发射光子束。

35.一种对包括光源和光检测器的吸收光谱系统进行校准的方法，所述方法包括：

向由光源发射的光束施加至少一个调制突发信号；

在通过样本气体透射之后检测已调制光束；

处理所检测光束以获得至少一个所检测调制突发信号，并且将至少一个所检测调制突发信号与施加的调制突发信号相比较以识别信号处理异常；并且

修改调制突发信号以减少信号处理异常。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括修改至少一个调制突发信号的位置和/或持续时间。

37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述突发信号被以下各项中的一个：

在固定振幅下进行相位调制；

在固定相位下被振幅调制；或者

被相位调制和振幅调制。

38.根据权利要求35的方法，其中，所述光源是具有关联偏流的二极管激光器，并且施加调制突发信号的步骤包括调制二极管激光器的偏流以产生突发信号。

39.根据权利要求35的方法，其中，所述光源是具有关联偏流的可调谐二极管激光器，并且所述激光器的偏流跨一定范围的值斜坡向上或向下以跨一定范围的波长扫描激光器的输出光束；并且其中，所述方法还包括识别样本气体中的气体的吸收波长，并且修改调制突发信号的步骤包括修改扫描波长范围内的调制突发信号的位置以避免所识别吸收波长。