CN112504981A - 利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法,该方法包括将数字锁相放大器的信号发生模块产生低频锯齿波信号与高频正弦波信号叠加的调制信号输入到激光器驱动模块中,同时信号发生模块产生参考信号至锁相放大器中;信号采集模块采集光电探测器上接收的通过目标气体后的激光的电信号;电信号通过滤波处理之后进入锁相放大模块上;锁相放大模块将电信号与参考信号进行谐波检测,得到目标气体的2f信号;根据目标气体的2f信号得到目标气体的待测浓度。本发明实现了CO、CO2的同时测量,一次扫描就可以测量两种气体的浓度,大大降低了系统的复杂性,并且由于光路相同,所获得的两种气体的浓度比值也将更加精准。

Description

利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法
技术领域
本发明属于环境监测领域,具体涉及一种利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法。
背景技术
随着机动车数量爆炸式增长,机动车尾气中的CO和CO2成为重要的气体污染源之一,特别是在大型城市中,已成为首要污染源,对人类健康和自然资源造成严重威胁。此外,机动车尾气流速高,极易扩散,因此机动车尾气检测系统需实时准确。在朗伯比尔定律下,当不同分子介质的气体会对相应波长的光产生对应的吸收谱线,基于此,运用TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)可调谐激光二极管吸收光谱技术测量系统可以测量气体中不同介质的浓度,TDLAS测量系统有着极高的灵敏度、精确的分辨率和较高的动态响应速度,结合调制光谱技术为波长调制光谱技术,选用特长波长的激光光源,能实时、同时地在线原位测量机动车尾气中CO和CO2的浓度。
波长调制光谱技术适用性广,能降低测量系统中低频噪音干扰,在恶劣环境下应用,可有效提高气体浓度的监测精度和测量灵敏度。实际测量中,通过对测量信号用高频信号来调制,保证能够在处理中保留有效测量信号,并在后面的数据处理过程滤除其余信号,继而大大降低了监测系统中外部信号的干扰。
目前,市场上相关产品及方案多选择两支激光器分别测量CO和CO2,由于尾气扩散速度极快,两束光的测量位置处于尾气不同的扩散状态,导致测量结果产生较大偏差。而另外一种对两束光进行合束的测量方法,易导致光强的能量不足从而影响测量结果的准确度和精度。因此,选择单激光器利用气体浓度与吸收峰值的线性关系通过改进优化的算法实现CO和CO2浓度的同时测量,可以避免上述问题,降低了系统复杂度,提高了测量的准确性和精确性。此外,本装置已实现模块化,可以适用于不同测量环境下CO和和CO2的同时测量并且不易受外界干扰能够保证其测量的准确性。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的之一在于提出一种利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法,以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的,本发明提供了一种利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法,包括:
将数字锁相放大器的信号发生模块产生低频锯齿波信号与高频正弦波信号叠加的调制信号输入到激光器驱动模块中,同时信号发生模块产生参考信号至锁相放大器中;
信号采集模块采集光电探测器上接收的通过目标气体后的激光的电信号;
电信号通过FIR滤波和Savizkg-Golag滤波处理之后进入锁相放大模块上;
锁相放大模块将电信号与参考信号进行谐波检测,得到目标气体的2f信号;
根据目标气体的2f信号得到目标气体的待测浓度。
基于上述技术方案可知,本发明的利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分:
(1)本发明提供一种基于波长调制光谱技术的用于实时监测机动车尾气的系统及方法;该方法通过选择单激光器,单束光的测量方法有助于消除两支激光器的光路偏差引起的测量误差;
(2)本发明实现了CO、CO2的同时测量,一次扫描就可以测量两种气体的浓度,大大降低了系统的复杂性,并且由于光路相同,所获得的两种气体的浓度比值也将更加精准;
(3)本发明测试效率高、测试过程人工干预少、测试成本低、不会影响道路交通状况,在车辆正常的行驶过程中就可以完成尾气检测;
(4)本发明可实时监测道路中行驶的车辆,能够更好地测量汽车在道路上尾气排放的真实工况;
(5)本发明在提取气体吸收谱线时,进行滤波处理,先进行FIR滤波,选择恰当的滤波系数消除光谱信号的噪声信号,并对滤波后的信号进行Savizkg-Golag(萨维茨基·戈莱多项式算法平滑算法)滤波,降低噪声的干扰,并获得光滑的光谱信号;
(6)本发明通过对光谱信号进行扣背景处理,并通过标准浓度的气体建立峰值与浓度的线性关系,准确计算光路中的待测气体浓度;
(7)本发明利用上位机软件控制FPGA中谐波检测的相位,并修正相位差,避免激光在光程中产生相位差影响结果,与电路预设相位的方法相比,软件设置的解调相位范围更宽,提取出的信号波形更准确;
(8)激光器驱动模块的温度控制部分,选择数字芯片进行温度控制,使得激光器的工作温度比模拟芯片更准确,可以精确调整所需要的激光波长,并且避免因温度问题影响到激光信号的输出波长。
附图说明
图1是本发明实施例中利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的装置的工作流程图;
图2是本发明实施例中CO与CO2两种气体的吸收谱线图(左CO右CO2);
图3是本发明实施例中CO的浓度与幅度的值线性相关图;
图4是本发明实施例中CO2的浓度与幅度的值线性相关图。
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,对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法,包括:
将数字锁相放大器的信号发生模块产生低频锯齿波信号与高频正弦波信号叠加的调制信号输入到激光器驱动模块中,同时信号发生模块产生参考信号至锁相放大器中;
信号采集模块采集光电探测器上接收的通过目标气体后的激光的电信号;
电信号通过FIR滤波和Savizkg-Golag滤波处理之后进入锁相放大模块上;
锁相放大模块将电信号与参考信号进行谐波检测,得到目标气体的2f信号;
根据目标气体的2f信号得到目标气体的待测浓度。
在本发明的一些实施例中,所述参考信号包括二倍频参考信号。
在本发明的一些实施例中,所述通过目标气体的激光的波长范围覆盖目标气体的吸收峰波长的范围。
在本发明的一些实施例中,所述通过目标气体的激光的波长通过调节激光器驱动模块的电流、调制幅度和温度得到。
在本发明的一些实施例中,所述目标气体至少包括两种气体。
在本发明的一些实施例中,所述目标气体包括CO和CO2
在本发明的一些实施例中,所述根据目标气体的2f信号得到目标气体的待测浓度步骤中具体包括:
提取目标气体的2f信号的峰值特征;
根据目标气体的标准浓度与峰值线性之间的线性关系得到目标气体的待测浓度。
在本发明的一些实施例中,获得所述目标气体的标准浓度与峰值线性之间的线性关系的方法包括:
采用如上所述的方法获得不同已知浓度的目标气体的2f信号,建立目标气体的标准浓度与峰值线性之间的线性关系。
在本发明的一些实施例中,所述得到目标气体的2f信号步骤中还包括:
将目标气体的2f信号扣除空气的2f信号,得到扣除空气的2f信号后的目标气体的2f信号。
在本发明的一些实施例中,所述的激光为单束激光。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是,下述的具体实施例仅是作为举例说明,本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示,本实施例提供了一种利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的装置,用于执行本发明所述的利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法,所述装置包括:DFB(分布式反馈)激光器、激光器驱动模块(包含:调制幅度控制模块、电流驱动模块和温度控制模块)、数字锁相放大器(信号发生模块、信号采集模块、锁相放大模块、信号处理模块)、光电探测器和目标气室,同时还有激光准直器、离轴抛物面镜、和中空回射镜在光路中来保证光路按照既定路线传播;
DFB激光器:DFB激光器的波长能够同时覆盖两种待测气体吸收峰波长的范围,具体的,在本实施例中DFB激光器产生1580nm附近(例如波长可以为1579nm-1580nm)波长的激光,并且,通过温度与电流控制其波长可以覆盖1579.58nm处CO2的吸收峰和1579.74nmCO吸收峰。
激光器驱动模块:包含有调制幅度控制子模块电流驱动子模块和温度控制子模块。调制幅度控制子模块可以调节信号的调制幅度;电流驱动子模块负责将调制后的电压信号转为电流信号,并对DFB激光器进行电流调谐,使得激光器发出激光的波长范围覆盖目标气体的吸收波长;温度控制子模块选择数字芯片进行温度控制,使得激光器的工作温度比模拟芯片更准确,可以精确调整所需要的激光波长,并且避免因温度问题影响到激光信号的输出波长。
激光准直器:将激光器发射出的光进行准直,汇聚激光,避免所需光程内激光的光束发散;
离轴抛物面镜:中心孔可供激光穿过,接收放置的角锥棱镜反射回的激光汇聚到光电探测模块的光敏区;
光电探测器:能将接收到的光信号转换为含有气体浓度信息的电信号,并由信号采集模块采集信号并传输给锁相放大模块;
现场可编程门阵列(FPGA):在信号调制中,基于FPGA构建调制波生成电路,调制波被送入激光器驱动模块中,从而对激光器进行电流驱动;信号解调中,基于FPGA构建信号解调电路,解调电路从叠加了大量噪声的信号里快速的找出包含气体浓度信息的信号,并在最后的信号处理模块中得到气体浓度。
数字锁相放大器:信号发生模块产生所用幅值的高频正弦信号(15kHz)并调制到低频锯齿信号(50Hz)上,同时提供二倍频参考信号(30kHz)至锁相放大模块作为之后调制解调法所用的参考信号;其中,二倍频参考信号能够精确得到吸收谱线信号。信号采集模块负责采集光电探测器上接收的激光通过待测气团后的电信号,电信号首先通过FIR(有限冲激响应)滤波和Savizkg-Golag平滑滤波进行滤波处理,之后传到锁相放大模块上;锁相放大模块将电信号与之前发生模块传输的参考信号进行谐波检测,得到2f(二次谐波)信号,将2f信号传输给信号处理模块;信号处理模块可以将其代入算法中进行计算并获得气体的最终浓度传输至上位机;
目标气室:先通入标气进行算法中气体浓度的标定,之后可以通入待测气团。
上述装置的工作流程为:
首先,信号发生模块产生低频锯齿波信号与高频正弦波信号叠加的调制信号,输入到激光器驱动模块中,同时信号发生模块产生参考信号至锁相放大器中。在激光器驱动模块中,通过调节激光器驱动模块的电流、调制幅度和温度来输出所需波长的激光,激光经过准直器准直,通过气室后,并经安放在一定距离后的反射镜组返回,最终被光电探测器接收。光电探测器接受的光信号转换为电信号输出,经过信号采集模块中进行FIR滤波和Savizkg-Golag滤波处理并传送到锁相放大模块中,经过运算得到二次谐波信号,二次谐波信号传输到信号处理模块中,其中,信号的调制与解调都是基于FPGA构建的,在此可以消除激光相位差导致的测量结果误差。最后,信号处理模块会记录该信号的幅值与谱线,并进行运算,将数据传输至上位机。
在气体室中,开始时将气室中充满空气,记录此时CO和CO2的2f标准信号,继续将气室充满标定浓度的待测目标气体,对此时的2f信号进行扣除背景处理,得到标定浓度气体的2f吸收信号,提取吸收信号的峰值特征,分别建立CO、CO2标准浓度与峰值的线性关系式;随后在气室中充入与之前标定浓度不同的待测气体,即可获得待测气体的浓度。
计算浓度所依据的原理基础:调节DFB激光器上的温度、电流和调制幅度,可以产生所需要对不同气体浓度测量得出的2f吸收谱线图。如图2所示,不同的曲线代表不同浓度的谱线图,纵坐标为幅值,横坐标为不同的取样点,可以看到不同浓度的谱线情况下对应着不同的幅度值,并且以中间点分开,可以同时有CO与CO2两种气体的吸收谱线图。
经过将光谱吸收谱线图的数据提取出来,因为不同浓度一一对应着相应的吸收谱幅值,对每一个不同的幅值,通过算法对每一个不同的浓度下CO与CO2谱线中提取出对应最大值最小值计算出幅度值,经过与浓度的一一对比得到的关系如图3-4所示,可以看出有着很明显的线性相关性。
实施例1
选择中心波长为1579.64nm的DFB激光器来测量气室中CO2(二氧化碳)和CO(一氧化碳)的浓度变化情况,设置激光器的工作温度为30.15℃,激光器的输出波长为1579.43nm~1579.85nm,有效覆盖CO2和CO在1579.577nm和1579.73nm位置处的吸收峰。单向光程分别为12m和15m。CO2的浓度分别为32000ppm、80000ppm、128000ppm时的测量结果及相对误差如表1所示,CO的浓度分别为20000ppm、50000ppm、80000ppm时的测量结果及相对误差如表2所示。
表1 12m和15m的CO2测量结果
Figure BDA0002796492610000071
Figure BDA0002796492610000081
表2 12m和15m的CO测量结果
Figure BDA0002796492610000082
实施例2
选择中心波长为1579.45nm的DFB激光器来测量气室中CO2(二氧化碳)和CO(一氧化碳)的浓度变化情况,设置激光器的工作温度为32.45℃,激光器的输出波长为1579.45nm~1579.88nm,有效覆盖CO2和CO在1579.577nm和1579.73nm位置处的吸收峰。单向光程分别为12m和15m。CO2的浓度分别为32000ppm、80000ppm、128000ppm时的测量结果及相对误差如表3所示,CO的浓度分别为20000ppm、50000ppm、80000ppm时的测量结果及相对误差如表4所示。
表3 12m和15m的CO2测量结果
Figure BDA0002796492610000091
表4 12m和15m的CO测量结果
Figure BDA0002796492610000092
Figure BDA0002796492610000101
在用于机动车尾气测量时,本测量方法消除了双激光器合束过程中激光能量损失导致的测量误差。实施例1和实施例2说明在不同光程长度下,CO和CO2的浓度结果均满足相关国家标准要求(即测量误差在±10%以内)。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用波长调制光谱技术检测机动车尾气排放的方法,包括:
将数字锁相放大器的信号发生模块产生低频锯齿波信号与高频正弦波信号叠加的调制信号输入到激光器驱动模块中,同时信号发生模块产生参考信号至锁相放大器中;
信号采集模块采集光电探测器上接收的通过目标气体后的激光的电信号;
电信号通过FIR滤波和Savizkg-Golag滤波处理之后进入锁相放大模块上;
锁相放大模块将电信号与参考信号进行谐波检测,得到目标气体的2f信号;
根据目标气体的2f信号得到目标气体的待测浓度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述参考信号包括二倍频参考信号。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述通过目标气体的激光的波长范围覆盖目标气体的吸收峰波长的范围。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述通过目标气体的激光的波长通过调节激光器驱动模块的电流、调制幅度和温度得到。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述目标气体至少包括两种气体。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,
所述目标气体包括CO和CO2
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述根据目标气体的2f信号得到目标气体的待测浓度步骤中具体包括:
提取目标气体的2f信号的峰值特征;
根据目标气体的标准浓度与峰值线性之间的线性关系得到目标气体的待测浓度。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,
获得所述目标气体的标准浓度与峰值线性之间的线性关系的方法包括:
采用如权利要求1所述的方法获得不同已知浓度的目标气体的2f信号,建立目标气体的标准浓度与峰值线性之间的线性关系。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述得到目标气体的2f信号步骤中还包括:
将目标气体的2f信号扣除空气的2f信号,得到扣除空气的2f信号后的目标气体的2f信号。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述的激光为单束激光。
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