CN107389604B - 一种激光衰荡检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种激光衰荡检测方法，包括：调节激光器输出的激光波长，使所述输出的激光波长避开待测气体吸收峰对应的中心波长；根据所述输出的激光波长，设定与所述输出的激光波长对应的吸收截面参数，使吸收截面减小进而扩展待测气体浓度的检测量程；或者，根据不同浓度待测气体的衰荡时间相应的提高采样速率，进而扩展待测气体浓度的检测量程。本申请所述的激光衰荡检测方法克服了现有技术中的检测量程受限制的缺陷，扩展了激光衰荡检测的检测量程，实现了对高浓度气体的准确检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度检测技术领域，特别是指一种激光衰荡检测方法。
背景技术
腔衰荡光谱(Cavity ring-down spectroscopy，CRDS)技术是近20多年发展起来的一种激光吸收光谱技术，它有着可与气相色谱和质谱等技术想媲美的探测灵敏度和光谱选择性，而且CRDS检测系统的结构相对简单，响应速度快，检测精度高，越来越得到相关检测领域的关注和重视。CRDS技术可以理解为一种增强型的非色散红外吸收光谱技术，其具有的光学谐振腔结构使得激光通过吸收物质的光程有几个数量级的提高，因此，探测灵敏度也有相同数量级的提高。尤其值得特别注意的是，CRDS技术具有绝对定量的能力，也即无需定标即可对待测物实现定量的探测。
使用激光衰荡检测方法对某些特定场合内未知浓度的气体进行检测时，虽然激光衰荡检测的检测精度高，能够得到非常准确的检测结果，但是激光衰荡检测方法由于其内在特性，其检测范围受到较大的限制。例如：以Picarro G2203甲烷/乙炔分析仪为例，其检测范围为0～20ppm，当被检测气体的浓度大于该检测范围上限时，激光衰荡检测就无法对该被测气体的浓度进行精确的检测。由此，在高浓度的气体检测领域，通常采用的红外直接吸收检测技术进行气体浓度检测，该技术虽然具有较大的检测量程，但其检测精度无法满足某些气体精确测量的需求。
因此，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中的激光衰荡检测至少存在检测范围受限制的缺陷，导致激光衰荡检测方法不能够对高浓度气体进行准确检测。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种激光衰荡检测方法，能够扩展激光衰荡检测的检测量程，实现对高浓度气体的检测。
基于上述目的本发明提供的一种激光衰荡检测方法，包括：
调节激光器输出的激光波长，使所述输出的激光波长避开待测气体吸收峰对应的中心波长；
根据所述输出的激光波长，设定与所述输出的激光波长对应的吸收截面参数，使吸收截面减小进而扩展待测气体浓度的检测量程；
或者，根据不同浓度待测气体的衰荡时间相应的提高采样速率，进而扩展待测气体浓度的检测量程。
可选的，所述调节激光器输出的激光波长的步骤还包括：
通过预设的待测气体吸收波长数据库，确定待测气体吸收波长范围内的吸收峰对应的中心波长；
通过调节激光器的温度和输出功率，使所述激光器输出的激光波长位于待测的气体的吸收谱线范围内，且避开待测气体吸收峰对应的中心波长。
可选的，所述根据所述输出的激光波长，设定与所述输出的激光波长对应的吸收截面参数的步骤还包括：
根据所述输出的激光波长，查找预设的激光波长与吸收截面的对应关系列表，得到与所述输出的激光波长对应的吸收截面；
根据所述吸收截面设定对应的吸收截面参数。
可选的，所述调节激光器输出的激光波长的步骤还包括：
根据当前设定的吸收截面以及待测气体的检测结果，判断待测气体的浓度是否超出检测量程；
若待测气体的浓度超出检测量程，则根据预设的激光波长与吸收截面的对应关系列表，按照降低吸收截面的原则相应调节输出的激光波长；
循环上述判断过程，直到待测气体的浓度处于检测量程范围内。
可选的，所述根据不同浓度待测气体的衰荡时间相应的提高采样速率的步骤还包括：
预先构建待测气体浓度与衰荡时间的对应关系列表；
根据检测得到的衰荡时间，相应调节采样速率。
从上面所述可以看出，本发明提供的激光衰荡检测方法，通过调节激光器输出的激光波长使得所述激光波长避开中心波长，既能够降低输出的激光波长对应的吸收归一化强度，避免了吸收系数过大导致衰荡时间太短，进而在检测过程中无法拟合衰荡曲线和计算衰荡时间，最终导致无法检测或者检测结果出现误差的问题。同时，本申请所述的激光衰荡检测方法还通过改变激光波长对应的吸收截面或者调节与待测气体浓度相适应的采样速率，提高了待测气体浓度检测的量程。因此，本申请所述的激光衰荡检测方法克服了现有技术中的检测量程受限制的缺陷，扩展了激光衰荡检测的检测量程，实现了对高浓度气体的准确检测。
附图说明
图1为本发明提供的激光衰荡检测方法的一个实施例的流程图；
图2为本发明提供的激光衰荡检测方法中吸收系数与波长关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
参照图1所示，为本发明提供的激光衰荡检测方法的一个实施例的流程图。所述激光衰荡检测方法包括：
步骤101，调节激光器输出的激光波长，使所述输出的激光波长避开待测气体吸收峰对应的中心波长；
其中，所述激光器可选的采用半导体可调谐激光器，作为检测光源，能够调节输出的激光波长。基于现有技术中已存在的激光衰荡检测的量程受限的问题，对于一些同时需要大量程和高精度检测需求的检测来说，无法仅仅依靠现有技术中单一的激光衰荡检测技术或者红外直接吸收检测技术实现，因此，本申请提出一种改进型的激光衰荡光谱检测方法。可选的，所述激光衰荡检测方法采用半导体可调谐激光器作为检测光源，通过调节激光器的电流和工作温度，能够精确控制激光器输出的激光波长，而本申请中需要调节激光波长的理由在于：对于检测气体的多个相近的吸收峰，由于气体的多普勒展宽作用，会导致多个吸收峰重叠，形成一个较宽的吸收谱，参照图2所示，所述吸收系数α(υ)在待测气体的一个吸收范围内，存在一个吸收峰，所述吸收峰对应一个激光波长υ(q+3)，此时吸收强度最大为100％；当波长调节到υ(q)时，对应的吸收归一化强度为最大吸收强度的5％，也即是在波长υ(q+3)位置的吸收强度的二十分之一，这样就可以避免吸收系数过大导致衰荡时间太短，无法拟合出衰荡曲线和计算衰荡时间，最终导致无法检测或者检测误差较大。此外，基于激光波长与吸收截面的关系，而现有技术中采用的均是吸收峰对应的激光波长，因此，现有技术中的吸收截面的调节不容易实现，而本申请通过调节激光器输出的激光波长，使得后续在对吸收截面调节的过程更为容易实现。
可选的，所述调节激光器输出的激光波长的步骤还包括：通过预设的待测气体吸收波长数据库，确定待测气体吸收波长范围内的吸收峰对应的中心波长；通过调节激光器的温度和输出功率，使所述激光器输出的激光波长位于待测的气体的吸收谱线范围内，且避开待测气体吸收峰对应的中心波长。其中，对应于不同气体的吸收波长，可以预先构建一个气体吸收波长数据库，所述气体吸收波长数据库包含不同气体的吸收光谱以及对应的激光波长与吸收系数的关系。因此，所述气体吸收波长数据库能够给出待测气体吸收峰的中心波长。可选的，还可以使用波长计测试激光器的输出波长，然后通过调节激光器的温度和输出功率，使得激光输出波长在我们要检测的气体的吸收谱线的范围内。
步骤102，根据所述输出的激光波长，设定与所述输出的激光波长对应的吸收截面参数，使吸收截面减小进而扩展待测气体浓度的检测量程；或者，根据不同浓度待测气体的衰荡时间相应的提高采样速率，进而扩展待测气体浓度的检测量程。其中，激光波长与对应的吸收截面具有一定的对应关系，因而需要根据所述输出的激光波长区设定相应的吸收截面参数，使得调节后的吸收截面能够具有较好的检测效果。因此，本申请中通过调节激光波长相应调节吸收截面克服了现有技术中吸收截面难以调节的问题，进而提高了激光衰荡检测的量程。或者，本申请还可以通过提高采用间隔，即提高采样速率既能够精确测量得到准确的衰荡时间，而且能够进一步提高激光衰荡检测的量程。同时，本申请基于不同浓度的待测气体，通过采用不同的采样速率能够实现多量程测量。所以，本申请中所述的激光衰荡检测方法既可以充分的利用激光衰荡检测技术的高精度的特点，又进一步扩展了激光衰荡检测技术的检测量程，使得能够在使用一套检测光源的条件下，实现传统的CRDS技术和红外直接吸收技术的优点，解决了针对大范围和高精度检测无法兼顾的问题。
由上述实施例可知，本发明提供的激光衰荡检测方法，通过调节激光器输出的激光波长使得所述激光波长避开中心波长，既能够降低输出的激光波长对应的吸收归一化强度，避免了吸收系数过大导致衰荡时间太短，进而在检测过程中无法拟合衰荡曲线和计算衰荡时间，最终导致无法检测或者检测结果出现误差的问题。同时，本申请所述的激光衰荡检测方法还通过改变激光波长对应的吸收截面或者调节与待测气体浓度相适应的采样速率，提高了待测气体浓度检测的量程。因此，本申请所述的激光衰荡检测方法克服了现有技术中的检测量程受限制的缺陷，扩展了激光衰荡检测的检测量程，实现了对高浓度气体的准确检测。
在本申请一些可选的实施例中，所述根据所述输出的激光波长，设定与所述输出的激光波长对应的吸收截面参数的步骤还包括：根据所述输出的激光波长，查找预设的激光波长与吸收截面的对应关系列表，得到与所述输出的激光波长对应的吸收截面；根据所述吸收截面设定对应的吸收截面参数。通过预先构建激光波长与吸收截面的对应关系列表，使得通过输出的激光波长能够快速设定相应的吸收截面或者根据吸收截面的大小能够相应调节吸收波长的范围，进而能够进一步提高检测的速度和效率。可选的，所述吸收截面与激光波长的对应关系，既可以通过检测激光输出和查数据库获得，也可以通过前期试验，在一定范围内一固定的步长进行试验，可以绘制出激光波长与吸收截面的曲线，也即得到激光波长与吸收截面的对应关系。
在本申请一些可选的实施例中，所述根据不同浓度待测气体的衰荡时间相应的提高采样速率的步骤还包括：预先构建待测气体浓度与衰荡时间的对应关系列表；根据检测得到的衰荡时间，相应调节采样速率。通过对不同浓度气体选取不同的采样速率，使得能够适应不同的衰荡时间，既可以获得更为准确的衰荡时间，而且扩展了激光衰荡检测的量程。可选的，在本申请某些实施例中，即使待测气体的浓度是未知的，我们可以将待测气体浓度和衰荡时间对应关系预先构建一个对应关系列表，然后根据实际采集的衰荡时间，进一步调节采样速率，从而既可以实现对衰荡时间的精确测量，又可以根据浓度的不同动态的选择不同的采样速率，进一步宽展激光衰荡检测的检测量程。
在本申请一些可选的实施例中，所述调节激光器输出的激光波长的步骤还包括：根据当前设定的吸收截面以及待测气体的检测结果，判断待测气体的浓度是否超出检测量程；若待测气体的浓度超出检测量程，则根据预设的激光波长与吸收截面的对应关系列表，按照降低吸收截面的原则相应调节输出的激光波长；循环上述判断过程，直到待测气体的浓度处于检测量程范围内。基于激光波长与吸收截面具有一定的对应关系，一方面，在调节吸收截面参数时，需要考虑输出的激光波长，另一方面，吸收截面的取值通常越大越好，这样采集的信号信噪比较好，检测结果更准确，因此不能将吸收截面调节过低，最终影响检测结果。本申请通过判断待测气体是否超出检测量程对吸收截面的调节进行反馈，使得在扩展检测量程使得待测气体浓度处于可检测范围的同时，也保留较大的吸收截面，使得采集的信号信噪比以及检测结果准确性不会过分降低。
在本申请可选的实施例中，为更为清晰的解释本申请的设计思路，本申请中待测气体浓度计算的推导过程以及相应的计算公式如下：
当光强为Ilaser的激光入射长度为L的衰荡腔内，由于气体的吸收和腔内其他损耗，例如腔镜的透射损耗等，导致光强的减弱。衰荡腔内具有两片完全相同的镜片，镜片的反射率为R和透射率为T；对于理想的镜片，不计镜片自身的吸收损耗和散射损耗，T＝1-R。激光光强在第一次透过衰荡腔体时，根据Beer–Lambert定律可知，光电探测器接收到的光强为：
I0＝IlaserT2exp(-αd)
其中α是与频率相关的吸收系数，d是腔内单次激光传递的长度，因此，第二次光电探测器接收的光强为：
I1＝I0R2exp(-2αd)
其中R2exp(-2αd)是腔内一次往返产生的损耗，因此，n次往返后，腔内的光强变化为：
In＝I0R2nexp(-2nαd)
将上述离散的公式以时间的变化分析，t＝n×2L/c，而且R2n＝exp(2nlnR)，所以可以得出：
通常激光衰荡构建衰荡腔的腔镜反射率R近似于1(≥99.9％)，所以可以做以下近似lnR≈-(1-R)，所以上述公式可以表达为：
衰荡时间τ的定义为光强度按照指数衰减到1/e的时间；
在试验或检测中，τ的获取通常使用加权最小二乘法拟合衰荡曲线获得，吸收光谱通过绘制空腔衰荡系数k＝1/τ或者以频率为变量的腔损耗1/cτ的函数获得。得到，
衰荡光谱的损耗由两部分组成，一部分是反射镜的损耗，例如(1-R)/L，决定了衰荡光谱的背地噪声(baseline)，另一部分是气体的吸收损耗，例如α(v)d/L。因此，由于样品所带来的吸收由共振腔的损耗减去非共振的损耗：
若吸收物质在频率ν处的吸收截面为σ(v)，吸收物质l处的分子数密度N(l)。则吸收系数α(v)的表示式：
α(v)＝∫σ(v) N(l)dl
α(v)＝σ(v)N
所以，得到待测气体浓度表达式为：
通过测得腔衰荡时间τ和τ0，即只需检测输出光强减小到输入光强的1/e的时间，就可以根据吸收物质在该频率处的吸收截面σ(v)求得待测物质的分子数密度，整个过程与强度的变化无关。基于上述关系，申请人认为可以通过以下手段扩展检测量程：一方面，通过改变吸收截面σ(v)扩展量程。具体为，当待测气体的浓度非常高时，极限情况下τ0和τ非常接近，相差一个采样间隔，其能够检测的气体浓度的上限就由吸收截面σ(v)确定，因此，当在检测高浓度气体时，在该气体的吸收界面分布内，调整激光器输出波长，设定输出吸收截面σ(v)较低对应的波长。例如，当激光波长λ1对应的σ(v1)为激光波长λ2对应的σ(v2)的10倍时，则N1是N2的1/10，即激光波长λ2的检测量程为激光波长λ1的10倍。因此，本申请通过选择激光波长对应的不同吸收截面的参数(同一个吸收波段的不同位置或者是不同的吸收波段的吸收截面的σ(v)的大小)，扩展了激光衰荡检测的检测上限，在不改变其他结构参数的基础上，实现了多量程和大量程的检测。
另一方面，改变采样间隔扩展量程；具体为，假设光电探测器对τ的采样间隔为10ns，当待测气体的浓度非常高时，极限情况下τ0和τ非常接近，采样速率的提升，可以检测到τ0和τ之间小的差值，从而对高浓度的气体浓度进行解算。对不同浓度的气体，采用相适应的采样速率，类似于示波器的采用速率选择，对于不同浓度的待测气体的选择不同采样速率，实现多量程的测量。因此，本申请可以根据对检测精度和待测气体浓度的不同需求，选择不同的采样速率，实现多量程的激光衰荡检测。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种激光衰荡检测方法，包括：调节激光器输出的激光波长；根据所述输出的激光波长，设定与所述输出的激光波长对应的吸收截面参数，其特征在于，
所述调节激光器输出的激光波长具体包括：使所述输出的激光波长避开待测气体吸收峰对应的中心波长；
所述根据所述输出的激光波长，设定与所述输出的激光波长对应的吸收截面参数具体包括：使吸收截面减小进而扩展待测气体浓度的检测量程；
或者，根据不同浓度待测气体的衰荡时间相应的提高采样速率，进而扩展待测气体浓度的检测量程。
2.根据权利要求1所述的激光衰荡检测方法，其特征在于，所述调节激光器输出的激光波长的步骤还包括：
通过预设的待测气体吸收波长数据库，确定待测气体吸收波长范围内的吸收峰对应的中心波长；
通过调节激光器的温度和输出功率，使所述激光器输出的激光波长位于待测的气体的吸收谱线范围内，且避开待测气体吸收峰对应的中心波长。
3.根据权利要求1所述的激光衰荡检测方法，其特征在于，所述根据所述输出的激光波长，设定与所述输出的激光波长对应的吸收截面参数的步骤还包括：
根据所述输出的激光波长，查找预设的激光波长与吸收截面的对应关系列表，得到与所述输出的激光波长对应的吸收截面；
根据所述吸收截面设定对应的吸收截面参数。
4.根据权利要求1所述的激光衰荡检测方法，其特征在于，所述调节激光器输出的激光波长的步骤还包括：
根据当前设定的吸收截面以及待测气体的检测结果，判断待测气体的浓度是否超出检测量程；
若待测气体的浓度超出检测量程，则根据预设的激光波长与吸收截面的对应关系列表，按照降低吸收截面的原则相应调节输出的激光波长；
循环上述判断过程，直到待测气体的浓度处于检测量程范围内。
5.根据权利要求1所述的激光衰荡检测方法，其特征在于，所述根据不同浓度待测气体的衰荡时间相应的提高采样速率的步骤还包括：
预先构建待测气体浓度与衰荡时间的对应关系列表；
根据检测得到的衰荡时间，相应调节采样速率。
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