CN105277503B - 基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光光谱检测和气体检测技术领域，具体为基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法。任意波函数发生器输出只在任意半周期内叠加高频调制信号的周期性信号作为激光器的电流驱动信号，通过电流控制单元对室温连续模式中红外量子级联激光器进行驱动，激光器发出激光信号，依次经过聚焦准直三维调节系统、第一反射镜、样品吸收池和离轴抛物面镜后反射到第一探测器，第一探测器将激光信号通过数据采集单元后转化为电信号并传输给计算机，计算机对电信号进行分析处理得出待测气体信息。本发明同时利用两种光谱法对气体进行检测，具有探测灵敏度高，测量精度高，无需外界标气校正，光路调节简便，响应快和系统稳定性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱检测和气体检测技术领域，具体为一种基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法。
背景技术
传统的气体成分检测方法主要有化学方法和光学方法。化学方法通常需要对待分析物进行预处理，过程复杂、耗时，易破坏样品的原状态及产生二次污染物；光学光谱方法具有非接触性、非破坏、选择性强和响应快等优点，可实现实时原位的连续分析，使得其被广泛地应用于大气环境监测、工业处理控制、燃烧成分检测和呼吸气体诊断等领域。
常用的光学光谱方法有直接吸收光谱法和波长调制光谱法。直接吸收光谱法是一种基于朗伯-比尔定律的直接检测方法，该方法通过分析光强的微弱变化量，即可反演出被检测样品的浓度、速度、温度等信息，但存在易受各种电子学和光学噪声干扰、灵敏度有限等缺点。波长调制光谱是结合锁相检测原理，实现抑制噪声的高灵敏度间接检测方法，但需要通过已知浓度样品校正后(标气校正)，才能获取其他未知样品的浓度信息，较为复杂。
中红外光谱区(2.5-25μm)包含了大多数气体分子振转能级的基频带，成为高灵敏度痕量气体检测的理想波段。量子级联激光器(QCL)作为一种新型的半导体激光，具有体积小、寿命长、功耗低、线宽窄、功率相对较高和易于集成的特点，已成为中红外痕量气体传感器研究的理想光源。QCL的宽波长调谐范围和快速响应特性可实现对多种气体分子的同时高分辨率、高灵敏度检测。相比于传统的基于多个近红外激光器分时扫描的激光时分多路探测技术才能实现多种气体同时分析的方法，系统更紧凑，有效测量周期更高。
现有的研究中，利用量子级联激光器作为光源，单独采用直接吸收光谱法或波长调制光谱法进行气体检测都已得到实际应用，如：中国专利公开号分别为CN102175641A和CN104596987A的发明专利。前者公开了一种基于中外红量子级联激光器直接吸收光谱法的痕量气体检测装置及方法，该方法利用脉冲量子级联激光器作为光源，单独采用直接吸收光谱法，存在易受各种电子学和光学噪声干扰、灵敏度有限、气体浓度反演方法可靠性和测量精度低等缺点；后者公开了一种基于中红外光谱的长光程开放光路结合波长调制技术的痕量气体探测方法和装置，该方法利用连续量子级联激光器作为光源，单独采用波长调制光谱法，存在需要额外标气频繁校正、高压下压力加宽效应降低灵敏度和可靠性等缺点。
实际应用中上述两种传统方法都不够理想。本发明拟采用同时利用直接吸收光谱法和波长调制光谱法对气体进行检测，此种方法能够克服只采用一种光谱方法进行气体检测时所存在的缺陷，到目前为止，尚未发现任何关于同时采用上述两种基于量子级联激光光谱方法对单一成分气体或者多组分气体进行检测的研究。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种以室温下工作的连续模式中红外量子级联激光器作为光源，同时利用直接吸收光谱法和波长调制光谱法，无需外界标气校正、高灵敏度、高精度的气体检测装置及方法。
为实现以上技术目的,本发明的技术方案是：
基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，包括任意波函数发生器、室温连续模式中红外量子级联激光器、聚焦准直三维调节系统、第一反射镜、样品吸收池、离轴抛物面镜、第一探测器、数据采集单元和计算机，所述室温连续模式中红外量子级联激光器具有温度控制单元和电流控制单元；
所述任意波函数发生器输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为室温连续模式中红外量子级联激光器的电流驱动信号，所述电流驱动信号通过电流控制单元对室温连续模式中红外量子级联激光器的注入电流进行驱动；
所述室温连续模式中红外量子级联激光器作为光源发出激光信号；
所述聚焦准直三维调节系统对激光信号进行聚焦准直,所述聚焦准直三维调节系统由两个平面反射镜和一个离轴抛物面镜组成，两个反射镜成45度放置，整体三维可调；
所述第一反射镜将聚焦准直后的激光信号耦合到样品吸收池；
所述样品吸收池充有待测气体，所述激光信号在样品吸收池内被气体分子吸收后出射到离轴抛物面镜；
所述离轴抛物面镜将激光信号聚集到第一探测器；
所述第一探测器将接收到的激光信号通过数据采集单元转化为电信号并传输给计算机；
所述计算机对电信号进行分析处理，对不带调制信号的进行直接吸收光谱分析，对带有调制信号的进行波长调制光谱分析，利用直接吸收光谱反演出气体浓度信息为波长调制光谱分析气体浓度信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱反演出待测样品浓度信息得出待测气体信息。
工作时，任意波函数发生器输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为激光器的电流驱动信号，通过电流控制单元对室温连续模式中红外量子级联激光器的注入电流进行驱动，激光器发出一定频率范围的激光信号，然后激光信号经聚焦准直三维调节系统聚焦准直后由第一反射镜耦合进入样品吸收池，激光信号在样品吸收池内被气体分子吸收后出射到离轴抛物面镜，离轴抛物面镜将其聚集到第一探测器上，然后经数据采集单元将光信号转化成电信号后传输给计算机进行分析处理，计算机对不带调制信号的进行直接吸收光谱分析，对带有调制信号的进行波长调制光谱分析。
从上述描述可以看出，本技术方案具有以下优点：
(1)任意波函数发生器输出的只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号不仅能够满足同时实现直接吸收光谱法和波长调制光谱法的需求，而且其中的调制信号能够使得不同分子的调制系数分别最佳化，实现最佳化探测每个分子，从而提高系统灵敏度；通过降低采样压力，避免了高压下压力加宽效应引起的分子自身或分子间吸收干扰效应，提高了系统测量的可靠性。
(2)利用高信噪比的直接吸收光谱反演的气体信息，为基于Labview数字锁相的波长调制光谱分析气体信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱更精确地反演出其他待分析样品浓度信息，两种光谱方法取长补短，实现高灵敏和高精度气体分析。
(3)直接吸收光谱分析方法相比于传统的只利用吸收谱线中心位置处吸收深度反演气体浓度信息的方法，受噪声干扰小，反演算法可靠性和精确度更高；波长调制光谱分析方法利用多元线性回归分析算法对未知浓度的样品信息进行反演，与传统校正方法中只利用二次谐波信号中单个峰值大小进行校正相比，不易受各种噪声干扰的影响，测量误差小。
(4)利用聚焦准直三维调节系统的离轴抛物面镜将激光光束汇聚到第一个反射镜中，再通过第二个反射镜将光束发射输出，该系统可实现三维方向上对室温连续模式中红外量子级联激光器发出的光束进行聚焦准直调节，避免反馈光耦合到室温连续模式中红外量子级联激光器引起干扰效应。
作为改进，还包括分束器、参考吸收池和第二探测器，所述分束器设在聚焦准直三维调节系统和第一反射镜之间，用于将聚焦准直三维调节系统聚焦准直后的激光信号分束，一部分激光信号经分束器反射进入参考吸收池，另一部分激光信号经分束器透射到第一反射镜，所述参考吸收池为单通吸收池且充有纯的待测气体，所述进入参考吸收池的激光信号被气体分子吸收后出射到第二探测器，所述第二探测器将接收到的激光信号通过数据采集单元转化为电信号并传输给计算机，所述计算机对电信号进行分析处理，通过分析纯的待测气体的光谱信号中吸收谱线中心位置的变化信息，得出室温连续模式中红外量子级联激光器的中心频率漂移信息并将其反馈给电流控制单元，所述电流控制单元根据接收到的中心频率漂移信息，进行电流补偿，稳定室温连续模式中红外量子级联激光器的中心频率；
利用参考吸收池光路获得室温连续模式中红外量子级联激光器的中心频率漂移信息，根据中心频率漂移信息实时调整室温连续模式中红外量子级联激光器的偏置电流，实现对激光中心波长的实时锁定，提高检测装置稳定性和测量精度。
作为改进，还包括分束器、标准具和第二探测器，所述分束器设在聚焦准直三维调节系统和第一反射镜之间，用于将聚焦准直三维调节系统聚焦准直后的激光信号分束，一部分激光信号经分束器反射进入标准具，另一部分激光信号经分束器透射到第一反射镜，所述进入标准具的激光信号在标准具内产生干涉后出射到第二探测器，所述第二探测器将接收到的激光信号通过数据采集单元转化为电信号并传输给计算机，所述计算机对接收到的电信号进行分析处理得出室温连续模式中红外量子级联激光器的相对波长调谐范围。
利用标准具光路获得室温连续模式中红外量子级联激光器的相对波长调谐范围，再结合HITRAN光谱数据库中提供的分子谱线参数，实现对室温连续模式中红外量子级联激光器波长调谐范围的绝对校正，从而提高测量精度。
作为改进，还包括指示光源、第二反射镜和半反半透镜，所述半反半透镜设在聚焦准直三维调节系统和第一反射镜之间，所述指示光源产生可见光信号，所述第二反射镜将可见光信号反射到半反半透镜，所述半反半透镜再次将可见光信号反射并使其与经半反半透镜透射过来的室温连续模式中红外量子级联激光器发出的激光信号同轴；
利用可见光作为不可见的室温连续模式中红外量子级联激光器输出的激光信号的指示光，根据指示光在样品吸收池内镜面的光斑分布特性调节第一反射镜和样品吸收池的位置，使得光斑分布越多越均匀，即反射次数越高，耦合效率越高，从而获得最高耦合效率，当耦合效率越高时，有效光程越长，光干涉噪声越低，测量灵敏度和测量精度就越高。
作为优选，所述样品吸收池为有效光程可调的基于两个凹面镜的HERRIOTT型多次反射吸收池；
采用有效光程可调的基于两个凹面镜的HERRIOTT型多次反射吸收池，可依据应用环境中待测气体浓度的高低，选择有效总光程。
作为优选，所述任意波函数发生器产生的周期性信号为低频周期性三角波或锯齿波，周期性信号只在任意半周期内叠加的调制信号为高频正弦波；
三角波的斜坡变换趋势比较缓，与中红外量子级联激光器的电流依赖特性相近，正弦波作为调制信号，便于信号解调。
基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测方法，其步骤包括：
A.依据待测气体分子吸收频率位置先通过温度控制单元和电流控制单元分别设定室温连续模式中红外量子级联激光器的工作温度和偏置电流；
B.任意波函数发生器输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为室温连续模式中红外量子级联激光器的电流驱动信号；
C.电流驱动信号通过电流控制单元对室温连续模式中红外量子级联激光器的注入电流进行驱动；
D.室温连续模式中红外量子级联激光器输出激光信号并入射到聚焦准直三维调节系统；
E.聚焦准直三维调节系统将激光信号聚焦准直成近似平行光出射到第一反射镜；
F.第一反射镜将激光信号耦合进样品吸收池；
G.激光信号在样品吸收池内多次反射后从样品吸收池出射到离轴抛物面镜；
H.离轴抛物面镜将激光信号聚集到第一探测器；
I.第一探测器将接收到的激光信号传输给数据采集单元；
J.数据采集单元将激光信号转化为电信号传输给计算机；
K.计算机对接收到的电信号中不带调制信号的激光信号进行直接吸收光谱分析，对带有调制信号的激光信号进行波长调制光谱分析，利用高信噪比的直接吸收光谱反演出气体浓度信息，为波长调制光谱分析气体浓度信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱更精确地反演出待测样品浓度信息，两种光谱方法取长补短，实现高灵敏和高精度气体检测分析，其中
(a)直接吸收光谱分析原理如下：
直接吸收光谱分析反演气体浓度过程基于朗伯-比尔定律和最小二乘法拟合算法，
式(1)中，S(T)为温度T时分子吸收线强S，L为有效吸收光程，N(T,P)为温度T和气压P条件下总分子数密度,I(v)为样品吸收池透射光强，即第一探测器输出信号；I0(v)为样品吸收池入射光强，其中T的单位为K,L的单位为cm，P的单位为atm,S(T)的单位为cm-1/molucule，N(T,P)的单位为molucule/cm3,I(v)和I0(v)的单位为V；
I0(v)通过对I(v)中无吸收部分进行高阶多项式拟合获得，最小二乘法拟合过程中线型模型的选择取决于样品吸收池压力条件，当样品吸收池压力小于10mbar，线型模型选择Gauss函数，当样品吸收池压力大于100mbar，线型模型选择Lorentz函数，当样品吸收池压力介于10-100mbar之间，线型模型选择Voigt函数；
(b)波长调制光谱分析原理如下：
波长调制光谱分析中二次谐波探测信号I2f与样品浓度C成正比例关系：
I2f∝I0αCL 式(2)
式(2)中，I0为初始光强，α为分子吸收系数，L为有效总光程，其中I0的单位为V，α的单位为cm-1，L的单位为cm，利用多元线性回归分析算法对未知浓度的样品信息进行反演，公式为：
式(3)中，为未知浓度样品的二次谐波采样信号矩阵,为已知浓度样品的二次谐波采样信号矩阵,X为采样通道数，k1，k2，k3为多元线性回归系数,系数k1乘以已知样品的浓度即为未知样品的浓度值：
式(4)中，X为不同分子种类。
从上述描述可以看出，本技术方案具有以下优点：
(1)任意波函数发生器输出的只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号不仅能够满足同时实现直接吸收光谱法和波长调制光谱法的需求，而且其中的调制信号能够使得不同分子的调制系数分别最佳化，实现最佳化探测每个分子，从而提高系统灵敏度；通过降低采样压力，避免了高压下压力加宽效应引起的分子自身或分子间吸收干扰效应，提高了系统测量的可靠性。
(2)利用高信噪比的直接吸收光谱反演的气体信息，为基于Labview数字锁相的波长调制光谱分析气体信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱更精确地反演出其他待分析样品浓度信息，两种光谱方法取长补短，实现高灵敏和高精度气体分析。
(3)直接吸收光谱分析方法相比于传统的只利用吸收谱线中心位置处吸收深度反演气体浓度信息的方法，受噪声干扰小，反演算法可靠性和精确度更高；波长调制光谱分析方法利用多元线性回归分析算法对未知浓度的样品信息进行反演，与传统校正方法中只利用二次谐波信号中单个峰值大小进行校正相比，不易受各种噪声干扰的影响，测量误差小。
作为改进，其步骤还包括：
A.激光信号经过聚焦准直三维调节系统聚焦准直后先入射到分束器；
B.一部分激光信号被分束器反射到标准具或者充有纯的待测气体参考吸收池，另一部分激光信号经分束器透射到第一反射镜；
C.入射到标准具或者参考吸收池的激光信号再出射到第二探测器；
D.第二探测器将接收到的激光信号传输给数据采集单元；
E.数据采集单元将第二探测器传输过来的激光信号转化为电信号并传输给计算机；
F.计算机对接收到的电信号进行处理分析：(a)对应参考吸收池时，计算机分析得出室温连续模式中红外量子级联激光器的中心频率漂移信息并将其反馈给电流控制单元，电流控制单元根据接收到的中心频率漂移信息，进行电流补偿，稳定室温连续模式中红外量子级联激光器的中心频率；(b)对应标准具时，计算机分析得出室温连续模式中红外量子级联激光器的相对波长调谐范围，再结合HITRAN光谱数据库中提供的分子谱线参数，实现对室温连续模式中红外量子级联激光器波长调谐范围的绝对校正。
上述方法具有以下优点：增加参考吸收池光路，获得室温连续模式中红外量子级联激光器的中心频率漂移信息，根据中心频率漂移信息实时调整激光器的偏置电流，实现对激光中心波长的实时锁定，提高检测装置稳定性和测量精度；或者增加标准具光路，获得室温连续模式中红外量子级联激光器的相对波长调谐范围，再结合HITRAN光谱数据库中提供的分子谱线参数，实现对室温连续模式中红外量子级联激光器波长调谐范围的绝对校正，从而提高测量精度
作为改进，其步骤还包括：
A.指示光源产生可见光信号并入射到第二反射镜；
B.第二反射镜将可见光信号反射到分束器；
C.分束器将可见光信号反射使其与经分束器透射过来的室温连续模式中红外激光器的激光信号同轴，可见光信号成为激光信号的指示光；
D.根据指示光在样品吸收池内镜面上的光斑分布特性，调节第一反射镜和样品吸收池的位置，使光斑分布越多越均匀，获得最高耦合效率。
上述方法具有以下优点：利用可见光作为不可见的室温连续模式中红外量子级联激光器输出的激光信号的指示光，根据指示光在样品吸收池内镜面的光斑分布特性调节第一反射镜和样品吸收池的位置，使得光斑分布越多越均匀，即反射次数越高，耦合效率越高，从而获得最高耦合效率，当耦合效率越高时，有效光程越长，光干涉噪声越低，测量灵敏度和测量精度就越高。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
图3是本发明实施例三的结构示意图；
图4是本发明实施例四的结构示意图；
图5是任意波函数发生器输出波形和第一探测器输出波形对比示意图；
图6是实施例四中第一探测器输出的原始直接吸收信号、背景归一化后的直接吸收光谱和Labview数字锁相解调出的波长调制光谱二次谐波信号的对比示意图；
附图标记：1.任意波函数发生器，2.温度控制单元，3.电流控制单元，4.室温连续模式中红外量子级联激光器，5.聚焦准直三维调节系统，6.第一反射镜，7.样品吸收池，8.离轴抛物面镜，9.第一探测器，10.数据采集单元，11.计算机，12.分束器，13.参考吸收池，14.第二探测器，15.指示光源，16.第二反射镜，17.半反半透镜。
具体实施方式
结合图1，详细说明本发明的第一个实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图1所示，基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，包括任意波函数发生器1、室温连续模式中红外量子级联激光器4、聚焦准直三维调节系统5、第一反射镜6、样品吸收池7、离轴抛物面镜8、第一探测器9、数据采集单元10和计算机11，所述室温连续模式中红外量子级联激光器4具有温度控制单元2和电流控制单元3。
工作时，任意波函数发生器1输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为室温连续模式中红外量子级联激光器4的电流驱动信号，电流驱动信号通过电流控制单元3对室温连续模式中红外量子级联激光器4进行驱动，室温连续模式中红外量子级联激光器4作为光源发出激光信号，激光信号经聚焦准直三维调节系统5聚焦准直后入射到第一反射镜6，第一反射镜6将激光信号耦合到样品吸收池7，样品吸收池7充有待测气体，激光信号在样品吸收池7内被气体分子吸收后出射到离轴抛物面镜8，离轴抛物面镜8将激光信号聚集到第一探测器9，第一探测器9将接收到的激光信号通过数据采集单元10转化为电信号并传输给计算机11，计算机11对接收到的电信号中不带调制信号的进行直接吸收光谱分析，对带有调制信号的进行波长调制光谱分析。
利用任意波函数发生器1输出的只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号不仅能够满足同时实现直接吸收光谱法和波长调制光谱法的需求，而且其中的调制信号能够使得不同分子的调制系数分别最佳化，实现最佳化探测，从而提高系统灵敏度；通过降低采样压力，避免了高压下压力加宽效应引起的分子自身或分子间吸收干扰效应，提高了系统测量的可靠性。
利用高信噪比的直接吸收光谱反演出的气体信息，为基于Labview数字锁相的波长调制光谱分析气体信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱更精确地反演出其他待分析样品浓度信息，两种光谱方法取长补短，实现高灵敏和高精度气体分析。
结合图2，详细说明本发明的第二个实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
为了进一步提高检测系统稳定性和测量精度，如图2所示，在实施例一的基础上增加参考吸收池光路，具体包括分束器12、参考吸收池13和第二探测器14，参考吸收池13充有纯的待测气体，分束器12设置在维聚焦准直三维调节系统5和第一反射镜6之间，通过分束器12将准直后的激光信号进行分束，一部分经分束器12反射到参考吸收池13，一部分经分束器12透射到第一反射镜6。
反射到参考吸收池13的激光信号，被参考吸收池13内的纯的待测气体吸收后出射到第二探测器14，第二探测器14将接收到的激光信号通过数据采集单元10转化为电信号并传输给计算机11，计算机11对电信号进行分析处理得出室温连续模式中红外量子级联激光器4的中心频率漂移信息并反馈给电流控制单元3，电流控制单元3根据中心频率漂移信息，对室温连续模式中红外量子级联激光器4的偏置电流进行实时调整，实现对激光信号波长的实时锁定，从而提高检测系统稳定性和测量精度，其具体过程为利用充入纯的待测气体获取高信噪比的光谱信号，分析吸收谱线中心位置的变化，实时调整量子级联激光器的偏置电流并反馈到其控制单元中实现对其波长的实时锁定，解决激光频率漂移的问题，从而提高系统稳定性和测量精度，同时参考吸收池信号可用于量子级联激光器光强的归一化处理。
上述方案中的参考吸收池13也可代替为标准具，入射到标准具的激光信号产生干涉后出射到第二探测器14；第二探测器14将接收到的激光信号通过数据采集单元10转化为电信号并传输给计算机11；计算机11对接收到的电信号进行分析处理得出室温连续模式中红外量子级联激光器4的相对波长调谐范围，实现对室温连续模式中红外量子级联激光器4波长调谐范围的绝对校正，从而提高测量精度，其原理为利用标准具的自由光谱范围和室温连续模式中红外量子级联激光器4的激光信号通过标准具产生的干涉条纹信息，实现激光器输出波长的相对范围校正，再结合HITRAN光谱数据库中提供的分子谱线参数，即可实现激光器输出波长的绝对范围校正，从而将时间域直接吸收信号转换到频率域，用于直接吸收光谱反演待测样品的浓度信息。
参考吸收池光路和标准具光路也可同时使用，既解决激光器频率漂移的问题又对激光器的波长调谐范围进行校正，以获得更精确的测量结果。
结合图3，详细说明本发明的第三个实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
为了进一步提高实施例一的系统测量灵敏度和测量精度，如图3所示，在实施例一的基础上中增加指示光光路，具体包括指示光源15、第二反射镜16和半反半透镜17，半反半透镜17设置在聚焦准直三维调节系统5和第一反射镜6之间。
指示光源15产生可见光信号，第二反射镜16将可见光信号反射到半反半透镜17，半反半透镜17再次将可见光信号反射并使其与经半反半透镜17透射过来的激光信号同轴，利用可见光作为不可见的室温连续模式中红外量子级联激光器4输出的激光信号的指示光，根据指示光在样品吸收池7内镜面的光斑分布特性调节第一反射镜6和样品吸收池7的位置，使得光斑分布越多越均匀，即反射次数越高，耦合效率越高，当耦合效率越高时，有效光程越长，光干涉噪声越低，测量灵敏度和测量精度也就越高。
结合图4，详细说明本发明的第四个实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
为了进一步提高实施例二的系统测量灵敏度和测量精度，如图3所示，在实施例二的基础上中增加指示光光路，具体包括指示光源15和第二反射镜16。
指示光源15产生可见光信号，第二反射镜16将可见光信号反射到分束器12，分束器12再次将可见光信号反射并使其与经分束器12透射过来的激光信号同轴，利用可见光作为不可见的室温连续模式中红外量子级联激光器4输出的激光信号的指示光，根据指示光在样品吸收池7内镜面的光斑分布特性调节第一反射镜6和样品吸收池7的位置，使得光斑分布越多越均匀，即反射次数越高，耦合效率越高，当耦合效率越高时，有效光程越长，光干涉噪声越低，测量灵敏度和测量精度也就越高。
上述4个实施例中：
1.任意波函数发生器1输出的电流驱动信号中周期性信号为周期性低频三角波或锯齿波，只在周期性信号的任意半周期叠加的调制信号为高频正弦波。不加调制信号的半周期用于产生直接吸收激光光谱信号，用于反演气体浓度信息，加调制信号的半周期用于产生带调制的激光光谱吸收信号，通过基于Labview数字锁相解调技术，输出高信噪比的波长调制信号，且正弦调制信号的振幅、频率和相位依据不同分子的吸收特性可分别最佳化，最佳化调制系数为调制振幅(cm-1)与分子吸收谱线线宽(cm-1)的比值。
如图5所示，为任意波函数发生器1输出的激光器电流驱动信号波形和第一探测器9输出的波形对比示意图。
2.室温连续模式中红外量子级联激光器4为中心发射波长为4.56微米的量子级联激光器，此波长适用于水汽(H2O)、一氧化碳(CO)和笑气(N2O)三种气体吸收光谱的同时测量，该激光器电流调谐率可达kHz量级。当需要对其他气体分子测量分析时，量子级联激光器的输出波长相应地选择适用于其他气体分子吸收光谱的波长。
3.聚焦准直三维调节系统5由两个平面反射镜和一个离轴抛物面镜组成，可实现三维方向上对量子级联激光器发出的光束进行聚焦准直。离轴抛物面镜将激光光束汇聚到第一个反射镜中，再通过第二个反射镜将光束发射输出，两个反射镜成45度安置。
4.样品吸收池7为有效光程可调的基于两个凹面镜的HERRIOTT型多次反射吸收池，可依据应用环境中待测气体浓度的高低，选择有效总光程，通过气体循环泵将待测气体样品抽入到样品吸收池7。
5.参考吸收池13为单通吸收池。
6.样品吸收池7内的待测气体为水汽、一氧化碳和笑气的混合物；相应地，参考吸收池13内的纯的待测气体为浓度为100％的一氧化碳或者笑气。当样品吸收池7的待测气体改变时，参考吸收池13内的纯的待测气体也做相应改变。
7.标准具可选用Fabry–Pérot干涉计或者锗标准具；
8.第一探测器9和第二探测器14均为碲镉汞探测器；
9.直接吸收光谱和波长调制光谱分析原理分别如下：
(1)直接吸收光谱分析反演气体浓度过程基于朗伯-比尔定律和最小二乘法拟合算法，
式(1)中，S(T)为温度T时分子吸收线强S，L为有效吸收光程，N(T,P)为温度T和气压P条件下总分子数密度,I(v)为样品吸收池透射光强，即第一探测器输出信号；I0(v)为样品吸收池入射光强，其中T的单位为K,L的单位为cm，P的单位为atm,S(T)的单位为cm-1/molucule，N(T,P)的单位为molucule/cm3,I(v)和I0(v)的单位为V；
I0(v)通过对I(v)中无吸收部分进行高阶多项式拟合获得，最小二乘法拟合过程中线型模型的选择取决于样品吸收池压力条件，当样品吸收池压力小于10mbar，线型模型选择Gauss函数，当样品吸收池压力大于100mbar，线型模型选择Lorentz函数，当样品吸收池压力介于10-100mbar之间，线型模型选择Voigt函数；
相比于传统方法，如中国专利公开号CN102175641A的发明专利中使用的只利用吸收谱线中心位置处吸收深度反演气体浓度信息的方法，本方法受噪声干扰小，反演算法可靠性和精确度更高。
(2)波长调制光谱分析中二次谐波探测信号I2f与样品浓度C成正比例关系：
I2f∝I0αCL 式(2)
式(2)中，I0为初始光强，α为分子吸收系数，L为有效总光程，其中I0的单位为V，α的单位为cm-1，L的单位为cm。
传统校正方法中只利用二次谐波信号中单个峰值大小进行校正，易受各种噪声干扰，误差大，本方法利用多元线性回归分析算法对未知浓度的样品信息进行反演，公式为：
式(3)中，为未知浓度样品的二次谐波采样信号矩阵,为已知浓度样品的二次谐波采样信号矩阵,X为采样通道数，k1，k2，k3为多元线性回归系数,系数k1乘以已知样品的浓度即为未知样品的浓度值：
式(4)中，X为不同分子种类，该算法提高了波长调制光谱技术中系统校正的可靠性。
如图6所示，为实施例四中第一探测器9输出的原始直接吸收信号、背景归一化后的直接吸收光谱和Labview数字锁相解调出的波长调制光谱二次谐波信号对比示意图。
综上所述，本发明所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体检测装置及方法具有以下优点：
1.以具有快速响应特性、宽调谐范围的室温连续模式中红外量子级联激光器4作为激发光源，利用任意波函数发生器1输出的只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为室温连续模式中红外量子级联激光器4的电流驱动信号，实现了同时利用直接吸收光谱法和波长调制光谱法对多组分气体同时进行检测，利用高信噪比的直接吸收光谱反演的气体信息，为基于Labview数字锁相的波长调制光谱分析气体信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱更精确地反演出其他待分析样品浓度信息，两种光谱方法取长补短，实现高灵敏和高精度气体分析；
2.波长调制光谱法多组分气体分析时，任意波函数发生器1输出的调制信号能够使得不同分子的调制系数分别最佳化，实现最佳化探测每个分子，从而提高系统灵敏度；通过降低采样压力，避免了高压下压力加宽效应引起的分子自身或分子间吸收干扰效应，提高了系统测量的可靠性；
3.直接吸收光谱分析方法相比于传统的只利用吸收谱线中心位置处吸收深度反演气体浓度信息的方法，受噪声干扰小，反演算法可靠性和精确度更高；波长调制光谱分析方法利用多元线性回归分析算法对未知浓度的样品信息进行反演，与传统校正方法中只利用二次谐波信号中单个峰值大小进行校正相比，不易受各种噪声干扰的影响，测量误差小；
4.利用参考吸收池光路获得室温连续模式中红外量子级联激光器4的中心频率漂移信息，根据中心频率漂移信息实时调整室温连续模式中红外量子级联激光器4的偏置电流，实现对激光中心波长的实时锁定，提高检测装置稳定性和测量精度。
5.利用标准具光路获得室温连续模式中红外量子级联激光器4的相对波长调谐范围，再结合HITRAN光谱数据库中提供的分子谱线参数，实现对室温连续模式中红外量子级联激光器4波长调谐范围的绝对校正，从而提高测量精度；
6.利用指示光光路提高室温连续模式中红外量子级联激光器4输出的激光耦合进样品吸收池7的耦合效率，耦合效率越高，有效光程越长，光干涉噪声就越低，从而提高测量灵敏度和测量精度；
因此，相比于传统的基于多个近红外激光器分时扫描的激光时分多路探测方法，本发明结构更紧凑，有效测量周期更高；相比于单一光谱检测方法，本发明不仅克服了直接吸收光谱技术灵敏度不足和波长调制光谱技术需要额外标气校正的繁琐问题，而且具有探测灵敏度高、测量精度高、光路调节简便、便于维护、响应快、系统稳定性高等优点。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果，只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，其特征在于：包括任意波函数发生器(1)、室温连续模式中红外量子级联激光器(4)、聚焦准直三维调节系统(5)、第一反射镜(6)、样品吸收池(7)、离轴抛物面镜(8)、第一探测器(9)、数据采集单元(10)和计算机(11)，所述室温连续模式中红外量子级联激光器(4)具有温度控制单元(2)和电流控制单元(3)；
所述任意波函数发生器(1)输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的电流驱动信号，所述电流驱动信号通过电流控制单元(3)对室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的注入电流进行驱动；
所述室温连续模式中红外量子级联激光器(4)作为光源发出激光信号；
所述聚焦准直三维调节系统(5)对激光信号进行聚焦准直，所述聚焦准直三维调节系统(5)由两个平面反射镜和一个离轴抛物面镜组成，两个反射镜成45度放置，整体三维可调；
所述第一反射镜(6)将聚焦准直后的激光信号耦合到样品吸收池(7)；
所述样品吸收池(7)充有待测气体，所述激光信号在样品吸收池(7)内被气体分子吸收后出射到离轴抛物面镜(8)；
所述离轴抛物面镜(8)将激光信号聚集到第一探测器(9)；
所述第一探测器(9)将接收到的激光信号通过数据采集单元(10)转化为电信号并传输给计算机(11)；
所述计算机(11)对电信号进行分析处理，对不带调制信号的进行直接吸收光谱分析，对带有调制信号的进行波长调制光谱分析，利用直接吸收光谱反演出气体浓度信息为波长调制光谱分析气体浓度信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱反演出待测样品浓度信息。
2.根据权利要求1所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，其特征在于：还包括分束器(12)、参考吸收池(13)和第二探测器(14)；
所述分束器(12)设在聚焦准直三维调节系统(5)和第一反射镜(6)之间，用于将聚焦准直三维调节系统(5)聚焦准直后的激光信号分束，一部分激光信号经分束器(12)反射进入参考吸收池(13)，另一部分激光信号经分束器(12)透射到第一反射镜(6)；
所述参考吸收池(13)为单通吸收池且充有纯的待测气体，所述进入参考吸收池(13)的激光信号被气体分子吸收后出射到第二探测器(14)；
所述第二探测器(14)将接收到的激光信号通过数据采集单元(10)转化为电信号并传输给计算机(11)；
所述计算机(11)对电信号进行分析处理，通过分析纯的待测气体的光谱信号中吸收谱线中心位置的变化信息，得出室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的中心频率漂移信息并将其反馈给电流控制单元(3)；
所述电流控制单元(3)根据接收到的中心频率漂移信息，进行电流补偿，稳定室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的中心频率。
3.根据权利要求1所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，其特征在于：还包括分束器(12)、标准具和第二探测器(14)；
所述分束器(12)设在聚焦准直三维调节系统(5)和第一反射镜(6)之间，用于将聚焦准直三维调节系统(5)聚焦准直后的激光信号分束，一部分激光信号经分束器(12)反射进入标准具，另一部分激光信号经分束器(12)透射到第一反射镜(6)；
所述进入标准具的激光信号在标准具内产生干涉后出射到第二探测器(14)；
所述第二探测器(14)将接收到的激光信号通过数据采集单元(10)转化为电信号并传输给计算机(11)；
所述计算机(11)对接收到的电信号进行分析处理得出室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的相对波长调谐范围。
4.根据权利要求1所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，其特征在于：还包括指示光源(15)、第二反射镜(16)和半反半透镜(17)，所述半反半透镜(17)设在聚焦准直三维调节系统(5)和第一反射镜(6)之间，所述指示光源(15)产生可见光信号，所述第二反射镜(16)将可见光信号反射到半反半透镜(17)，所述半反半透镜(17)再次将可见光信号反射并使其与经半反半透镜(17)透射过来的室温连续模式中红外量子级联激光器(4)发出的激光信号同轴。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，其特征在于：所述样品吸收池(7)为有效光程可调的基于两个凹面镜的HERRIOTT型多次反射吸收池。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，其特征在于：所述任意波函数发生器(1)输出的周期性信号为低频周期性三角波或锯齿波，周期性信号只在任意半周期内叠加的调制信号为高频正弦波。
7.基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测方法，其步骤包括：
A.依据待测气体分子吸收频率位置先通过温度控制单元(2)和电流控制单元(3)分别设定室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的工作温度和偏置电流；
B.任意波函数发生器(1)输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的电流驱动信号；
C.电流驱动信号通过电流控制单元(3)对室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的注入电流进行驱动；
D.室温连续模式中红外量子级联激光器(4)输出激光信号并入射到聚焦准直三维调节系统(5)；
E.聚焦准直三维调节系统(5)将激光信号聚焦准直成近似平行光出射到第一反射镜(6)；
F.第一反射镜(6)将激光信号耦合进样品吸收池(7)；
G.激光信号在样品吸收池(7)内多次反射后从样品吸收池(7)出射到离轴抛物面镜(8)；
H.离轴抛物面镜(8)将激光信号聚集到第一探测器(9)；
I.第一探测器(9)将接收到的激光信号传输给数据采集单元(10)；
J.数据采集单元(10)将激光信号转化为电信号传输给计算机(11)；
K.计算机(11)对接收到的电信号中不带调制信号的激光信号进行直接吸收光谱分析，对带有调制信号的激光信号进行波长调制光谱分析，利用高信噪比的直接吸收光谱反演出气体浓度信息，为波长调制光谱分析气体浓度信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱更精确地反演出待测样品浓度信息，两种光谱方法取长补短，实现高灵敏和高精度气体检测分析，其中
(a)直接吸收光谱分析原理如下：
直接吸收光谱分析反演气体浓度过程基于朗伯-比尔定律和最小二乘法拟合算法，
式(1)中，S(T)为温度T时分子吸收线强S，L为有效吸收光程，N(T,P)为温度T和气压P条件下总分子数密度,I(v)为样品吸收池透射光强，即第一探测器输出信号；I0(v)为样品吸收池入射光强，其中T的单位为K,L的单位为cm，P的单位为atm,S(T)的单位为cm-1/molucule，N(T,P)的单位为molucule/cm3,I(v)和I0(v)的单位为V；
I0(v)通过对I(v)中无吸收部分进行高阶多项式拟合获得，最小二乘法拟合过程中线型模型的选择取决于样品吸收池压力条件，当样品吸收池压力小于10mbar，线型模型选择Gauss函数，当样品吸收池压力大于100mbar，线型模型选择Lorentz函数，当样品吸收池压力介于10-100mbar之间，线型模型选择Voigt函数；
(b)波长调制光谱分析原理如下：
波长调制光谱分析中二次谐波探测信号I2f与样品浓度C成正比例关系：
I2f∝I0αCL 式(2)
式(2)中，I0为初始光强，α为分子吸收系数，L为有效总光程，其中I0的单位为V，α的单位为cm-1，L的单位为cm，利用多元线性回归分析算法对未知浓度的样品信息进行反演，公式为：
式(3)中，为未知浓度样品的二次谐波采样信号矩阵,为已知浓度样品的二次谐波采样信号矩阵,X为采样通道数，k1，k2，k3为多元线性回归系数,系数k1乘以已知样品的浓度即为未知样品的浓度值：
式(4)中，X为不同分子种类。
8.根据权利要求7所述的基于两种量子级联激光光谱多组分气体同时检测方法，其步骤还包括：
A.激光信号经过聚焦准直三维调节系统(5)聚焦准直后先入射到分束器(12)；
B.一部分激光信号被分束器(12)反射到标准具或者充有纯的待测气体参考吸收池(13)，另一部分激光信号经分束器(12)透射到第一反射镜(6)；
C.入射到标准具或者参考吸收池(13)的激光信号再出射到第二探测器(14)；
D.第二探测器(14)将接收到的激光信号传输给数据采集单元(10)；
E.数据采集单元(10)将第二探测器(14)传输过来的激光信号转化为电信号并传输给计算机(11)；
F.计算机(11)对接收到的电信号进行处理分析：(a)对应参考吸收池(13)时，计算机(11)分析得出室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的中心频率漂移信息并将其反馈给电流控制单元(3)，电流控制单元(3)根据接收到的中心频率漂移信息，进行电流补偿，稳定室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的中心频率；(b)对应标准具时，计算机(11)分析得出室温连续模式中红外量子级联激光器(4)的相对波长调谐范围，再结合HITRAN光谱数据库中提供的分子谱线参数，实现对室温连续模式中红外量子级联激光器(4)波长调谐范围的绝对校正。
9.根据权利要求8所述的基于两种量子级联激光光谱多组分气体同时检测方法，其步骤还包括：
A.指示光源(15)产生可见光信号并入射到第二反射镜(16)；
B.第二反射镜(16)将可见光信号反射到分束器(12)；
C.分束器(12)将可见光信号反射使其与经分束器(12)透射过来的室温连续模式中红外激光器(4)的激光信号同轴，可见光信号成为激光信号的指示光；
D.根据指示光在样品吸收池(7)内镜面上的光斑分布特性，调节第一反射镜(6)和样品吸收池(7)的位置，使光斑分布越多越均匀，获得最高耦合效率。
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