CN105548073B - 一种应用于波长调制吸收光谱探测的简易解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种应用于波长调制吸收光谱探测的简易解调方法，通过先采样再运算的方式解调光谱信号，采样率为调制频率的4倍、8倍，通过简单的差值运算获得解调的光谱信号。在硬件成本与复杂度受限条件下，实现波长调制吸收光谱解调，由探测器接收的调制光强信号获得目标气体吸收光谱。本发明无需复杂的模拟解调硬件电路，也不需要远高于调制频率的数字采样芯片，方法实现简单，硬件成本与复杂度低，并且能够实现较高的吸收检测精度，尤其适用于低成本小型化吸收光谱探测。

Description

一种应用于波长调制吸收光谱探测的简易解调方法
技术领域
本发明属于可调谐激光气体吸收光谱探测领域，具体涉及一种简易的波长调制吸收光谱解调方法，实现由探测器接收的调制光强信号获得目标气体吸收光谱的方法。
背景技术
可调谐激光气体吸收光谱技术，利用气体分子对某个特定波长激光的吸收，通过波长调谐的方法获得该气体分子在该波长的吸收光谱测量其浓度及其信息。该技术广泛的应用于大气污染物监测、工业控制、安全生产等多个领域。
波长调制技术是用高频的调制信号控制激光的波长与强度，进而将气体吸收光谱信号的频率移至高频，再通过解调制探测，从而极大的降低低频噪声对吸收光谱信号的影响，提高系统信噪比。
通常使用频率为调制频率两倍，与调制信号同相位的参考信号，与探测到的光强信号相乘，在通过低通滤波的方法获得吸收光谱的信号。为减小光强抖动对结果的影响，可使用频率为调制频率两倍，与调制信号同相位的参考信号和与调制信号同频率同相位的参考信号分别对光强信号解调制，再将获得的两路信号相除获得归一化的吸收光谱的信号。为减小相位噪声对结果的影响，可使用频率为调制频率两倍，与调制信号同相位的参考信号和使用频率为调制频率两倍，与调制信号正交相位的参考信号分别对光强信号解调制，再将获得的两路信号分别平方相加获得正交的吸收光谱的信号。
早期通常使用模拟解调的方法，即通过硬件电路产生参考信号，解调后采集，该方法硬件电路复杂，成本高，且生成的参考信号难以保证频率为调制频率两倍，与调制信号同相位；目前常用的是数字解调的方法，即先将光强信号采集，再通过软件算法产生参考信号解调制，该方法硬件电路较为简单，但为保证解调精度，需要快速、完整的保存整个吸收光强信号，对数字采样芯片的速度与缓存空间都有严格的要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种应用于波长调制吸收光谱探测的简易解调方法。在硬件成本与复杂度受限条件下，实现波长调制吸收光谱解调，由探测器接收的调制光强信号获得目标气体吸收光谱。
本发明采用的技术方案为：
本发明通过先采样再运算的方式解调光谱信号，采样率为调制频率的4倍、8倍，通过简单的差值运算获得解调的光谱信号。
根据本发明，针对于调制频率为f的波长调制信号(正弦调制与三角调制均可)，通过相应的装置以4f的采样率进行数字采样，数字采样的时钟与调制时钟保持同相位，数字采样每个调制周期内相位角0°点、相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点；将每一个周期内相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点、下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以一组-10～10之间的系数再相加就可以获得S2f信号，它是与气体浓度成正比的目标气体吸收光谱解调结果。将每一个周期内相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点、下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以另一组-10～10之间的系数再相加就可以获得S1f信号，将S2f除以S1f信号，就是与气体浓度成正比的与光强无关的目标气体吸收光谱解调结果。
在本发明的又一实施例中，针对于调制频率为f的波长调制信号(正弦调制与三角调制均可)，通过相应的装置以8f的采样率进行数字采样，数字采样的时钟与调制时钟保持同相位，数字采样每个调制周期内相位角0°点、相位角45°点、相位角90°点、相位角135°点、相位角180°点、相位角225°点、相位角270°点、相位角315°点；将每一个周期内相位角90°点、相位角135°点、相位角180°点、相位角225°点、相位角270°点、相位角315°点、下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角45°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以一组-10～10之间的系数再相加就可以获得S4f信号，它是与气体浓度成正比的高准确度的目标气体吸收光谱解调结果。
与现有技术相比，本发明无需复杂的模拟解调硬件电路，也不需要远高于调制频率的数字采样芯片，方法实现简单，硬件成本与复杂度低，并且能够实现较高的吸收检测精度。本发明尤其适用于低成本小型化吸收光谱探测。
附图说明
图1是本发明的探测器接收到的包含气体吸收的模拟信号与数字信号采样点示意图；
图2是本发明的一种实施例背景照片示意图；
图3是本发明的另一种实施例示意图；
图4是本发明的另一种实施例背景照片示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1所示的是本发明的本发明的探测器接收到的包含气体吸收的模拟信号1与数字信号采样点。根据本发明，数字信号的采样频率为包含气体吸收的模拟信号1调制频率的4倍，数字采样信号的采样时钟与包含气体吸收的模拟信号1调制的时钟保持同相位，每个周期内采样数字采样每个调制周期内相位角0°点2(即U2)、相位角90°点4(即U4)、相位角180°点6(即U6)、相位角270°点8(即U8)，每个周期内解调信号的计算使用相位角90°点4(即U4)、相位角180°点6(即U6)、相位角270°点8(即U8)、下一个调制周期相位角0°点10(即U10)、下一个调制周期相位角90°点12(即U12)。S2f信号(如图2所示)等于S2f＝a1×U4+a2×U6+a3×U8+a4×U10+a5U12，是与气体浓度成正比的目标气体吸收光谱解调结果，Ui代表点i的测量采样信号，a1、a2、a3、a4、a5为-10到10之间的整数。
在本发明的又一实施例中，数字信号的采样频率为包含气体吸收的模拟信号1调制频率的4倍，数字采样信号的采样时钟与包含气体吸收的模拟信号1调制的时钟保持同相位，每个周期内采样数字采样每个调制周期内相位角0°点2(即U2)、相位角90°点4(即U4)、相位角180°点6(即U6)、相位角270°点8(即U8)，每个周期内解调信号的计算使用相位角90°点4(即U4)、相位角180°点6(即U6)、相位角270°点8(即U8)、下一个调制周期相位角0°点10(即U10)、下一个调制周期相位角90°点12(即U12)。S1f信号(如图3所示)等于S1f＝b1×U4+b2×U6+b3×U8+b4×U10+b5U12，S2f信号(如图2所示)等于S2f＝a1×U4+a2×U6+a3×U8+a4×U10+a5U12，将S2f除以S1f信号，就是与气体浓度成正比的与光强无关的目标气体吸收光谱解调结果，Ui代表点i的测量采样信号，b1、b2、b3、b4、b5为-10到10之间的整数。
在本发明的又一实施例中，数字信号的采样频率为包含气体吸收的模拟信号1调制频率的8倍，数字采样信号的采样时钟与包含气体吸收的模拟信号1调制的时钟保持同相位，每个周期内采样数字采样每个调制周期内相位角0°点2(即U2)、相位角45°点3(即U3)、相位角90°点4(即U4)、相位角135°点5(即U5)、相位角180°点6(即U6)、相位角225°点7(即U7)、相位角270°点8(即U8)、相位角315°点9(即U9)，每个周期内解调信号的计算使用相位角90°点4(即U4)、相位角135°点5(即U5)、相位角180°点6(即U6)、相位角225°点7(即U7)、相位角270°点8(即U8)、相位角315°点9(即U9)、下一个调制周期相位角0°点10(即U10)、下一个调制周期相位角45°点11(即U11)、下一个调制周期相位角90°点12(即U12)。解调S4f信号(如图4所示)等于S4f＝c1×U4+c2×U5+c3×U6+c4×U7+c5×U8+c6×U9+c7×U10+c8×U11+c9×U12，是与气体浓度成正比的高准确度的目标气体吸收光谱解调结果，Ui代表点i的测量采样信号，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9为-10到10之间的整数。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种应用于波长调制吸收光谱探测的简易解调方法，其特征在于：该方法通过先采样再运算的方式解调光谱信号，采样率为调制频率的4倍或8倍，
针对于调制频率为f的波长调制信号，正弦调制与三角调制均可，通过相应的装置以4f的采样率进行数字采样，数字采样的时钟与调制时钟保持同相位，数字采样每个调制周期内相位角0°点、相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点；将每一个周期内相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点、下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以一组-10～10之间的整数再相加就可以获得S2f信号，它是与气体浓度成正比的目标气体吸收光谱解调结果；将每一个周期内相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点；下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以另一组-10～10之间的整数再相加就可以获得S1f信号，将S2f除以S1f信号，就是与气体浓度成正比的与光强无关的目标气体吸收光谱解调结果；
或者针对于调制频率为f的波长调制信号，正弦调制与三角调制均可，通过相应的装置以8f的采样率进行数字采样，数字采样的时钟与调制时钟保持同相位，数字采样每个调制周期内相位角0°点、相位角45°点、相位角90°点、相位角135°点、相位角180°点、相位角225°点、相位角270°点、相位角315°点；将每一个周期内相位角90°点、相位角135°点、相位角180°点、相位角225°点、相位角270°点、相位角315°点、下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角45°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以一组-10～10之间的整数再相加就可以获得S4f信号，它是与气体浓度成正比的高准确度的目标气体吸收光谱解调结果。
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