CN112729544B - 一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统与方法属于半导体激光器波长锁定技术领域，解决如何实现对半导体激光器输出中心波长的高精度、高可靠锁定的问题；将吸收光谱检测子系统输出的检测扫描光谱信号分为两路，一路用于反演目标气体的浓度；另一路作为参考信号输入识别与反馈控制子系统，用于激光波长漂移的修正与锁定，不需要增加参考光路，利用检测子系统的光路信号即可完成激光波长漂移的识别与反馈控制，简化了系统结构；利用环境中普遍存在的水汽两条吸收线作为激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的基准，能够有效识别噪声或干扰引起的虚假波长漂移特征，具有更高的激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的可靠性和准确性。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器波长锁定技术领域，具体涉及一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统与方法。
背景技术
在气体浓度检测的高分辨半导体激光扫描吸收光谱技术中，通过在激光器驱动电流上叠加一个锯齿波信号实现在一定波长范围内激光器的波长连续扫描，记录经过气体样品的透射激光强度，可以获得目标气体分子一条目标吸收线完整吸收光谱信号，光谱信号包含了吸收线位置、线形和强度特征信息，进而结合校准算法可以反演气体的浓度。
但在实际应用中，半导体激光器受到现场环境的扰动或者长期连续运行的工作状态变化等因素影响可能导致激光器输出波长的漂移，引起激光扫描输出的中心波长位置和波长范围的偏移，造成单次扫描的吸收光谱目标吸收谱线中心位置的变化，对于采用固定校准光谱信号进行气体浓度反演的检测技术，这种现象将导致浓度测量的准确性和反演算法的相关性降低；另一方面，扫描吸收光谱技术中通常采用信号多次累加的方法提高信号的信噪比，激光器输出波长的变化会导致参与累加平均的单次扫描吸收光谱信号波长不对齐，累加后的光谱信号出现谱线展宽和强度降低，引起测量误差。因此，为了保证高分辨半导体激光扫描吸收光谱气体浓度检测的准确性，对激光器波长扫描过程中进行中心波长锁定是十分必要的。
现有激光器波长锁定技术主要有双光路吸收光谱法和标准具干涉法。双光路吸收光谱法将激光分成两束，一束作为检测光束用于气体吸收光谱检测，另外一束用于构成波长锁定检测光路，在光路中引入充有高浓度目标气体的样品池，获得目标气体的一条吸收光谱信号，通过光谱信号分析得到吸收线峰值位置的变化信息，反馈到激光器控制电路进行动态补偿实现波长的锁定。如文献《痕量气体激光检测系统波长锁定技术研究》(光谱学与光谱分析，王立明)以及《基于TDLAS技术的有毒有害气体在线监测系统》(哈尔滨工程大学，于莎莎)。另外其他现有技术中，如文献《一种用于气体检测的激光波长锁定的方法及装置》(CN201710790219.X)中只是他把参考光路做成可转换的，间断的把参考池推入检测光路，这时候检测光路就起到参考光路的作用，只能对此时的激光器波长进行调整锁定，不能连续锁定激光器的波长。文献《基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置及方法》(CN108414469A)中把参考光路与检测光路合二为一，在检测光路中加入参考池，使得检测光路信号中始终有目标气体的吸收特征，但这种方法直接得到的是测量光路上的气体浓度与参考池中气体等效浓度的和，由于参考池中的气体是高浓度气体，对测量光路上气体浓度的检测会导致较大的误差。总之，双光路吸收光谱法这种技术需要额外的波长锁定光路和系统模块，增加了系统的复杂性，也由于分光还会导致检测光路的激光功率降低；更为重要的是，由于光谱信号噪声影响，峰值位置的识别会有较大不确定性，降低了波长锁定的可靠性。
标准具干涉法通过在引入标准具检测光路，通过监测透射光强的变化获得波长漂移信息，并通过反馈控制实现激光器输出波长的锁定，如文献《用于可调谐激光器的波长锁定结构和方法》(CN201680029540.X)。但这种方法仅适用于固定波长输出的激光器波长锁定，不适用于连续扫描的激光器输出波长锁定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统与方法，能够实现对半导体激光器输出中心波长的高精度、高可靠锁定。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统，包括吸收光谱检测子系统以及识别与反馈控制子系统；所述的识别与反馈控制子系统包括扫描信号发生电路、交流耦合信号放大电路、低通滤波电路、微分电路、主控MCU、PWM波控制电路、偏置电流发生电路；所述的吸收光谱检测子系统包括电流控制电路、温度控制电路、半导体激光器、准直发射镜头、光电探测器；所述的扫描信号发生电路用于产生半导体激光器输出波长扫描的电流信号，所述的温度控制电路与半导体激光器连接，所述的交流耦合信号放大电路、低通滤波电路、微分电路、主控MCU、PWM波控制电路、偏置电流发生电路、扫描信号发生电路、电流控制电路、半导体激光器、准直发射镜头、光电探测器的输入、输出端首尾依次连接形成一个闭环反馈系统；所述的吸收光谱检测子系统输出的检测扫描光谱信号分为两路，一路用于反演目标气体的浓度；另一路作为参考信号输入识别与反馈控制子系统，用于激光波长漂移的修正与锁定。
本发明提供的扫描吸收光谱的激光波长锁定系统，将吸收光谱检测子系统输出的检测扫描光谱信号分为两路，一路用于反演目标气体的浓度；另一路作为参考信号输入识别与反馈控制子系统，用于激光波长漂移的修正与锁定，不需要增加参考光路，利用检测子系统的光路信号即可完成激光波长漂移的识别与反馈控制，简化了系统结构。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的交流耦合信号放大电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12，电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12和电流放大器U1；电容C5、电容C6、电容C7并联后一端接地、另一端连接在电流放大器U1的2#引脚，电流放大器U1的2#引脚接+5V电源；电阻R9的一端接地、另一端连接在电流放大器U1的3#引脚；电流放大器U1的3#引脚作为交流耦合信号放大电路的输入端；电容C8、电容C9、电容C10并联后一端接地、另一端连接在电流放大器U1的5#引脚；电阻R10的一端接地、另一端连接在电流放大器U1的4#引脚；电阻R11、电阻R12依次串联后电阻R11的非串联端连接在电流放大器U1的4#引脚、电阻R12的非串联端作为交流耦合信号放大电路的输出端；所述的电容C11并联在电阻R11的两端；所述的电容C12的一端连接在交流耦合信号放大电路的输出端、另一端接地；所述的电流放大器U1的1#引脚连接在电阻R11与电阻R12的串联公共点。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的低通滤波电路包括运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2；电阻R1与电阻R2串联后，电阻R1的非串联端作为低通滤波电路的输入端、电阻R2的非串联端连接在运算放大器U2的2#引脚；电容C1的一端连接在运算放大器U2的2#引脚、另一端接地；电容C2的一端连接在电阻R1与电阻R2的串联公共点、另一端连接在运算放大器U2的1#引脚；运算放大器U2的3#引脚与运算放大器U2的1#引脚连接；运算放大器U2的4#引脚接电源，运算放大器U2的11#引脚接地；运算放大器U2的1#引脚作为低通滤波电路的输出端。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的微分电路包括运算放大器U3、电阻R3、电阻R4、电容C3；电容C3的一端作为微分电路的输入端、另一端与运算放大器U3的2#引脚连接，电阻R4的一端连接在运算放大器U3的2#引脚、另一端连接在运算放大器U3的1#引脚，运算放大器U3的1#引脚作为微分电路的输出端；电阻R3的一端连接在运算放大器U3的3#引脚、另一端接地；运算放大器U3的4#引脚接电源，运算放大器U3的11#引脚接地。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的PWM波控制电路包括集成PWM波控制芯片U4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C3、电容C4、电位器RW；电阻R5与电位器RW串联后电阻R5的非串联端连接在集成PWM波控制芯片U4的6#引脚、电位器RW的非串联端接地；集成PWM波控制芯片U4的2#引脚作为PWM波控制电路的输入端、连接在电阻R5与电位器RW的串联公共点；电容C3的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的5#引脚，另一端连接在电位器RW的接地点；电阻R6的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的7#引脚、另一端连接在集成PWM波控制芯片U4的5#引脚；集成PWM波控制芯片U4的1#引脚与9#引脚直接连接；集成PWM波控制芯片U4的3#引脚、4#引脚悬空；集成PWM波控制芯片U4的12#引脚接地；电阻R7的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的16#引脚、另一端连接在集成PWM波控制芯片U4的13#引脚；集成PWM波控制芯片U4的13#引脚作为PWM波控制电路的输出端；集成PWM波控制芯片U4的15#引脚接电源；电阻R8的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的10#引脚、另一端接地；集成PWM波控制芯片U4的8#引脚、11#引脚、14#引脚连接在一起后电容C4的一端与它们的连接公共点连接，电容C4的另一端接地。
一种应用于所述的扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的激光波长锁定方法，包括以下步骤：
步骤一，阶跃式激光波长扫描，获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线的信号；
步骤二，光谱信号预处理和数字化采集，获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置定位的光谱信号；
步骤三，目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置识别与激光波长偏移量计算；
步骤四，偏置反馈信号产生与激光波长漂移的修正，实现激光波长的动态锁定。
本发明提供的扫描吸收光谱的激光波长锁定方法利用环境中普遍存在的水汽两条吸收线作为激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的基准，能够有效识别噪声或干扰引起的虚假波长漂移特征，具有更高的激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的可靠性和准确性。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤一中所述的阶跃式激光器波长扫描，获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线的信号具体为：利用环境中普遍存在的两条水汽吸收谱线作为半导体激光器输出波长的基准，采用双阶跃式扫描信号，通过调整双阶跃式扫描信号的幅值，拓展半导体激光器波长扫描范围，在一个扫描周期里同时获得目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线信号。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤二中所述的光谱信号预处理和数字化采集，获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置定位的光谱信号具体为：
1)将吸收光谱检测子系统的输出中心波长调谐到目标气体吸收谱线的中心；扫描信号发生电路产生的扫描信号叠加在半导体激光器的驱动电流，使得半导体激光器输出波长围绕中心波长周期性扫描过特定波长范围，设置扫描信号幅值和阶跃幅度，使得半导体激光器输出扫描波长范围覆盖目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线，两条水汽吸收谱线位于目标气体吸收线的两侧；
2)波长周期性连续扫描的半导体激光器输出光束经过气体检测区域后被光电探测器接收，并被转换为电信号输出，得到检测扫描光谱信号，检测扫描光谱信号包含有两条水汽吸收谱线和目标气体吸收谱线的光谱特征，检测扫描光谱信号分为两路，一路用于反演目标气体的浓度；
3)另一路作为参考信号输入到所述波长锁定电路的交流耦合信号放大电路进行信号放大，经交流耦合信号放大电路放大后的信号传输给低通滤波电路滤除高频噪声；经高频噪声滤除后的检测扫描光谱信号输入到微分电路，经微分电路后得到与检测扫描光谱信号对应的微分扫描光谱信号，扫描光谱吸收谱线的峰值位置与微分扫描光谱信号的过零点位置对应。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤三中所述的目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置识别与激光波长偏移量计算具体为：
所述主控MCU预存有两条水汽吸收谱线的峰值对应的过零点参考数据点位置n01、n02，主控MCU对实时采集的微分扫描光谱信号中两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置n1、n2进行识别和谱线偏移量计算，并进行激光波长偏移分析和激光偏移量计算，激光波长偏移分析和偏移量计算按以下规则进行:
a)如果两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置偏移方向相反，则认为谱线数据点偏移是由噪声导致，半导体激光器输出中心波长没有偏移；
b)如果两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置偏移方向相同，则认为半导体激光器输出中心波长发生偏移，偏移量取为两条吸收线峰值对应过零点数据点位置偏移量的平均；所述计算按以下公式进行：
Δn1＝n1-n01 (1)
Δn2＝n2-n02 (2)
Δn＝(Δn1-Δn2)/2 (3)
其中，n01、n02分别为预存在主控MCU的两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点参考数据点；n1，n2分别为主控MCU实时采集的微分扫描光谱信号中两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点；Δn1、Δn2分别为两条水汽吸收谱线的峰值对应的偏移量；Δn为偏移量补偿值。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤四中所述的偏置反馈信号产生与激光波长漂移的修正，实现激光波长的动态锁定具体为：主控MCU根据计算得到的偏移量补偿值Δn，生成PWM波控制字发送给PWM波控制电路，PWM波控制电路根据主控MCU发送的PWM波控制字产生相应占空比的PWM波，PWM波控制电路产生的PWM波传输给偏移电流发生电路，偏移电流发生电路根据PWM波的占空比产生一个与偏移量相对应的直流电流，偏移电流发生电路产生的直流电流传输给扫描信号发生电路，并叠加在扫描信号上，使扫描信号发生一个直流偏移，叠加了直流偏移的扫描信号传输给半导体激光器电流控制器，用以调整半导体激光器输出中心波长，使得半导体激光器输出中心波长得到实时修正，实现检测过程半导体激光器扫描输出的中心波长锁定。
本发明的优点在于：
(1)本发明提供的扫描吸收光谱的激光波长锁定系统，将吸收光谱检测子系统输出的检测扫描光谱信号分为两路，一路用于反演目标气体的浓度；另一路作为参考信号输入识别与反馈控制子系统，用于激光波长漂移的修正与锁定，不需要增加参考光路，利用检测子系统的光路信号即可完成激光波长漂移的识别与反馈控制，简化了系统结构。
(2)本发明提供的扫描吸收光谱的激光波长锁定方法利用环境中普遍存在的水汽两条吸收线作为激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的基准，能够有效识别噪声或干扰引起的虚假波长漂移特征，具有更高的激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的可靠性和准确性。
附图说明
图1为扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的结构框图；
图2为交流耦合信号放大电路的原理图；
图3为低通滤波电路的原理图；
图4为微分电路的原理图；
图5为PWM波控制电路的原理图；
图6为扫描吸收光谱的激光波长锁定方法原理图；
图7为扫描吸收光谱的激光波长锁定方法详细实施流程图；
图8为双阶跃式激光器波长扫描信号波形以及在一个周期内的双阶跃式扫描吸收谱线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统，包括扫描信号发生电路、交流耦合信号放大电路、低通滤波电路、微分电路、主控MCU、PWM波控制电路、偏置电流发生电路、电流控制电路、温度控制电路、半导体激光器、准直发射镜头、光电探测器；所述的扫描信号发生电路用于产生半导体激光器输出波长扫描的电流信号，所述的温度控制电路与半导体激光器连接，所述的交流耦合信号放大电路、低通滤波电路、微分电路、主控MCU、PWM波控制电路、偏置电流发生电路、扫描信号发生电路、电流控制电路、半导体激光器、准直发射镜头、光电探测器的输入、输出端依次连接形成一个闭环系统。
如图2所示为交流耦合信号放大电路的原理图，所述交流耦合信号放大电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12，电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12和电流放大器U1；电流放大器U1的型号为AD8009，电容C5、电容C6、电容C7并联后一端接地、另一端连接在电流放大器U1的2#引脚，电流放大器U1的2#引脚接+5V电源；电阻R9的一端接地、另一端连接在电流放大器U1的3#引脚；电流放大器U1的3#引脚作为交流耦合信号放大电路的输入端；电容C8、电容C9、电容C10并联后一端接地、另一端连接在电流放大器U1的5#引脚；电阻R10的一端接地、另一端连接在电流放大器U1的4#引脚；电阻R11、电阻R12依次串联后电阻R11的非串联端连接在电流放大器U1的4#引脚、电阻R12的非串联端作为交流耦合信号放大电路的输出端；所述的电容C11并联在电阻R11的两端；所述的电容C12的一端连接在交流耦合信号放大电路的输出端、另一端接地；所述的电流放大器U1的1#引脚连接在电阻R11与电阻R12的串联公共点。
如图3所示为低通滤波电路的原理图，所述的低通滤波电路包括运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2；运算放大器U2的型号为LM324AD；电阻R1与电阻R2串联后，电阻R1的非串联端作为低通滤波电路的输入端、电阻R2的非串联端连接在运算放大器U2的2#引脚；电容C1的一端连接在运算放大器U2的2#引脚、另一端接地；电容C2的一端连接在电阻R1与电阻R2的串联公共点、另一端连接在运算放大器U2的1#引脚；运算放大器U2的3#引脚与运算放大器U2的1#引脚连接；运算放大器U2的4#引脚接电源，运算放大器U2的11#引脚接地；运算放大器U2的1#引脚作为低通滤波电路的输出端。
如图4所示为微分电路的原理图，所述的微分电路包括运算放大器U3、电阻R3、电阻R4、电容C3；运算放大器U3的型号为LM324AD；电容C3的一端作为微分电路的输入端、另一端与运算放大器U3的2#引脚连接，电阻R4的一端连接在运算放大器U3的2#引脚、另一端连接在运算放大器U3的1#引脚，运算放大器U3的1#引脚作为微分电路的输出端；电阻R3的一端连接在运算放大器U3的3#引脚、另一端接地；运算放大器U3的4#引脚接电源，运算放大器U3的11#引脚接地。
如图5所示为PWM波控制电路的原理图，所述的PWM波控制电路包括集成PWM波控制芯片U4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C3、电容C4、电位器RW；集成PWM波控制芯片U4的型号为SG3525；电阻R5与电位器RW串联后电阻R5的非串联端连接在集成PWM波控制芯片U4的6#引脚、电位器RW的非串联端接地；集成PWM波控制芯片U4的2#引脚作为PWM波控制电路的输入端、连接在电阻R5与电位器RW的串联公共点；电容C3的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的5#引脚，另一端连接在电位器RW的接地点；电阻R6的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的7#引脚、另一端连接在集成PWM波控制芯片U4的5#引脚；集成PWM波控制芯片U4的1#引脚与9#引脚直接连接；集成PWM波控制芯片U4的3#引脚、4#引脚悬空；集成PWM波控制芯片U4的12#引脚接地；电阻R7的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的16#引脚、另一端连接在集成PWM波控制芯片U4的13#引脚；集成PWM波控制芯片U4的13#引脚作为PWM波控制电路的输出端；集成PWM波控制芯片U4的15#引脚接电源；电阻R8的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的10#引脚、另一端接地；集成PWM波控制芯片U4的8#引脚、11#引脚、14#引脚连接在一起后电容C4的一端与它们的连接公共点连接，电容C4的另一端接地。
实施例二
如图6和图7所示，一种采用实施例一所述的扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的激光波长锁定方法，包括：
1、阶跃式激光器波长扫描，获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线信号。
由于水汽在红外光谱区具有较为密集的分布，因而在孤立的目标气体(如NH3、H2S、CO、CO2等)吸收谱线较小波长范围内可以找到两条水汽吸收谱线。利用环境中普遍存在的两条水汽吸收谱线作为半导体激光器输出波长的基准，为了保证扫描过程中同时得到两条水汽吸收谱线信号，采用双阶跃式扫描信号，通过调整双阶跃式扫描信号的幅值拓展半导体激光器波长扫描范围，在一个扫描周期里同时获得目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线信号。
如图8所示，为本实施例采用的双阶跃式激光器波长扫描信号波形以及在一个周期内的双阶跃式扫描吸收谱线，图中的a、c谱线为水汽吸收谱线，b谱线为目标气体吸收谱线。
2、光谱信号预处理和数字化采集，获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置精确定位的高质量光谱信号。
将吸收光谱检测子系统的输出中心波长调谐到目标气体吸收谱线的中心；扫描信号发生电路产生的扫描信号叠加在半导体激光器的驱动电流，使得半导体激光器输出波长围绕中心波长周期性扫描过特定波长范围，设置扫描信号幅值和阶跃幅度，使得半导体激光器输出扫描波长范围覆盖目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线，两条水汽吸收谱线位于目标气体吸收线的两侧；波长周期性连续扫描的半导体激光器输出光束经过气体检测区域后被光电探测器接收，并被转换为电信号输出，得到检测扫描光谱信号，检测扫描光谱信号包含有两条水汽吸收谱线和目标气体吸收谱线的光谱特征，检测扫描光谱信号分为两路，一路用于反演目标气体的浓度；另一路作为参考信号输入到所述波长锁定电路的交流耦合信号放大电路进行信号放大，经交流耦合信号放大电路放大后的信号传输给低通滤波电路滤除高频噪声；经高频噪声滤除后的检测扫描光谱信号输入到微分电路，经微分电路后得到与检测扫描光谱信号对应的微分扫描光谱信号，扫描光谱吸收谱线的峰值位置与微分扫描光谱信号的过零点位置对应。
3、目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置识别与激光波长偏移量计算。
所述主控MCU预存有两条水汽吸收谱线的峰值对应的过零点参考数据点位置n01、n02，主控MCU对实时采集的微分扫描光谱信号中两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置n1、n2进行识别和谱线偏移量计算，并进行激光波长偏移分析和激光偏移量计算，激光波长偏移分析和偏移量计算按以下规则进行：
a)如果两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置偏移方向相反，则认为谱线数据点偏移是由噪声导致，半导体激光器输出中心波长没有偏移；
b)如果两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置偏移方向相同，则认为半导体激光器输出中心波长发生偏移，偏移量取为两条吸收线峰值对应过零点数据点位置偏移量的平均；所述计算按以下公式进行：
Δn1＝n1-n01 (1)
Δn2＝n2-n02 (2)
Δn＝(Δn1-Δn2)/2 (3)
其中，n01、n02分别为预存在主控MCU的两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点参考数据点；n1，n2分别为主控MCU实时采集的微分扫描光谱信号中两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点；Δn1、Δn2分别为两条水汽吸收谱线的峰值对应的偏移量；Δn为偏移量补偿值。
4、偏置反馈信号产生与激光器波长修正，实现激光器波长的动态锁定。
主控MCU根据计算得到的偏移量补偿值Δn，生成PWM波控制字发送给PWM波控制电路，PWM波控制电路根据主控MCU发送的PWM波控制字产生相应占空比的PWM波，PWM波控制电路产生的PWM波传输给偏移电流发生电路，偏移电流发生电路根据PWM波的占空比产生一个与偏移量相对应的直流电流，偏移电流发生电路产生的直流电流传输给扫描信号发生电路，并叠加在扫描信号上，使扫描信号发生一个直流偏移，叠加了直流偏移的扫描信号传输给半导体激光器电流控制器，用以调整半导体激光器输出中心波长，使得半导体激光器输出中心波长得到实时修正，实现检测过程半导体激光器扫描输出的中心波长锁定。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种应用于扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的激光波长锁定方法，其特征在于，所述的扫描吸收光谱的激光波长锁定系统包括：吸收光谱检测子系统以及识别与反馈控制子系统；所述的识别与反馈控制子系统包括扫描信号发生电路、交流耦合信号放大电路、低通滤波电路、微分电路、主控MCU、PWM波控制电路、偏置电流发生电路；所述的吸收光谱检测子系统包括电流控制电路、温度控制电路、半导体激光器、准直发射镜头、光电探测器；所述的扫描信号发生电路用于产生半导体激光器输出波长扫描的电流信号，所述的温度控制电路与半导体激光器连接，所述的交流耦合信号放大电路、低通滤波电路、微分电路、主控MCU、PWM波控制电路、偏置电流发生电路、扫描信号发生电路、电流控制电路、半导体激光器、准直发射镜头、光电探测器的输入、输出端首尾依次连接形成一个闭环反馈系统；所述的吸收光谱检测子系统输出的检测扫描光谱信号分为两路，一路用于反演目标气体的浓度；另一路作为参考信号输入识别与反馈控制子系统，用于激光波长漂移的修正与锁定；
包括以下步骤：
步骤一，阶跃式激光波长扫描，获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线的信号，具体为：利用环境中普遍存在的两条水汽吸收谱线作为半导体激光器输出波长的基准，采用双阶跃式扫描信号，通过调整双阶跃式扫描信号的幅值，拓展半导体激光器波长扫描范围，在一个扫描周期里同时获得目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线信号；
步骤二，光谱信号预处理和数字化采集，获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置定位的光谱信号，具体为：
1)将吸收光谱检测子系统的输出中心波长调谐到目标气体吸收谱线的中心；扫描信号发生电路产生的扫描信号叠加在半导体激光器的驱动电流，使得半导体激光器输出波长围绕中心波长周期性扫描过特定波长范围，设置扫描信号幅值和阶跃幅度，使得半导体激光器输出扫描波长范围覆盖目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线，两条水汽吸收谱线位于目标气体吸收线的两侧；
2)波长周期性连续扫描的半导体激光器输出光束经过气体检测区域后被光电探测器接收，并被转换为电信号输出，得到检测扫描光谱信号，检测扫描光谱信号包含有两条水汽吸收谱线和目标气体吸收谱线的光谱特征，检测扫描光谱信号分为两路，一路用于反演目标气体的浓度；
3)另一路作为参考信号输入到所述波长锁定电路的交流耦合信号放大电路进行信号放大，经交流耦合信号放大电路放大后的信号传输给低通滤波电路滤除高频噪声；经高频噪声滤除后的检测扫描光谱信号输入到微分电路，经微分电路后得到与检测扫描光谱信号对应的微分扫描光谱信号，扫描光谱吸收谱线的峰值位置与微分扫描光谱信号的过零点位置对应；
步骤三，目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置识别与激光波长偏移量计算，具体为：
所述主控MCU预存有两条水汽吸收谱线的峰值对应的过零点参考数据点位置n01、n02，主控MCU对实时采集的微分扫描光谱信号中两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置n1、n2进行识别和谱线偏移量计算，并进行激光波长偏移分析和激光偏移量计算，激光波长偏移分析和偏移量计算按以下规则进行：
a)如果两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置偏移方向相反，则认为谱线数据点偏移是由噪声导致，半导体激光器输出中心波长没有偏移；
b)如果两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置偏移方向相同，则认为半导体激光器输出中心波长发生偏移，偏移量取为两条吸收线峰值对应过零点数据点位置偏移量的平均；所述计算按以下公式进行：
Δn1＝n1-n01 (1)
Δn2＝n2-n02 (2)
Δn＝(Δn1-Δn2)/2 (3)
其中，n01、n02分别为预存在主控MCU的两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点参考数据点；n1，n2分别为主控MCU实时采集的微分扫描光谱信号中两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点；Δn1、Δn2分别为两条水汽吸收谱线的峰值对应的偏移量；Δn为偏移量补偿值；
步骤四，偏置反馈信号产生与激光波长漂移的修正，实现激光波长的动态锁定；具体为：主控MCU根据计算得到的偏移量补偿值Δn，生成PWM波控制字发送给PWM波控制电路，PWM波控制电路根据主控MCU发送的PWM波控制字产生相应占空比的PWM波，PWM波控制电路产生的PWM波传输给偏移电流发生电路，偏移电流发生电路根据PWM波的占空比产生一个与偏移量相对应的直流电流，偏移电流发生电路产生的直流电流传输给扫描信号发生电路，并叠加在扫描信号上，使扫描信号发生一个直流偏移，叠加了直流偏移的扫描信号传输给半导体激光器电流控制器，用以调整半导体激光器输出中心波长，使得半导体激光器输出中心波长得到实时修正，实现检测过程半导体激光器扫描输出的中心波长锁定。
2.根据权利要求1所述的扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的激光波长锁定方法，其特征在于，所述的交流耦合信号放大电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12，电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12和电流放大器U1；电容C5、电容C6、电容C7并联后一端接地、另一端连接在电流放大器U1的2#引脚，电流放大器U1的2#引脚接+5V电源；电阻R9的一端接地、另一端连接在电流放大器U1的3#引脚；电流放大器U1的3#引脚作为交流耦合信号放大电路的输入端；电容C8、电容C9、电容C10并联后一端接地、另一端连接在电流放大器U1的5#引脚；电阻R10的一端接地、另一端连接在电流放大器U1的4#引脚；电阻R11、电阻R12依次串联后电阻R11的非串联端连接在电流放大器U1的4#引脚、电阻R12的非串联端作为交流耦合信号放大电路的输出端；所述的电容C11并联在电阻R11的两端；所述的电容C12的一端连接在交流耦合信号放大电路的输出端、另一端接地；所述的电流放大器U1的1#引脚连接在电阻R11与电阻R12的串联公共点。
3.根据权利要求1所述的一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的激光波长锁定方法，其特征在于，所述的低通滤波电路包括运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2；电阻R1与电阻R2串联后，电阻R1的非串联端作为低通滤波电路的输入端、电阻R2的非串联端连接在运算放大器U2的2#引脚；电容C1的一端连接在运算放大器U2的2#引脚、另一端接地；电容C2的一端连接在电阻R1与电阻R2的串联公共点、另一端连接在运算放大器U2的1#引脚；运算放大器U2的3#引脚与运算放大器U2的1#引脚连接；运算放大器U2的4#引脚接电源，运算放大器U2的11#引脚接地；运算放大器U2的1#引脚作为低通滤波电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的激光波长锁定方法，其特征在于，所述的微分电路包括运算放大器U3、电阻R3、电阻R4、电容C3；电容C3的一端作为微分电路的输入端、另一端与运算放大器U3的2#引脚连接，电阻R4的一端连接在运算放大器U3的2#引脚、另一端连接在运算放大器U3的1#引脚，运算放大器U3的1#引脚作为微分电路的输出端；电阻R3的一端连接在运算放大器U3的3#引脚、另一端接地；运算放大器U3的4#引脚接电源，运算放大器U3的11#引脚接地。
5.根据权利要求1所述的一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的激光波长锁定方法，其特征在于，所述的PWM波控制电路包括集成PWM波控制芯片U4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C3、电容C4、电位器RW；电阻R5与电位器RW串联后电阻R5的非串联端连接在集成PWM波控制芯片U4的6#引脚、电位器RW的非串联端接地；集成PWM波控制芯片U4的2#引脚作为PWM波控制电路的输入端、连接在电阻R5与电位器RW的串联公共点；电容C3的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的5#引脚，另一端连接在电位器RW的接地点；电阻R6的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的7#引脚、另一端连接在集成PWM波控制芯片U4的5#引脚；集成PWM波控制芯片U4的1#引脚与9#引脚直接连接；集成PWM波控制芯片U4的3#引脚、4#引脚悬空；集成PWM波控制芯片U4的12#引脚接地；电阻R7的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的16#引脚、另一端连接在集成PWM波控制芯片U4的13#引脚；集成PWM波控制芯片U4的13#引脚作为PWM波控制电路的输出端；集成PWM波控制芯片U4的15#引脚接电源；电阻R8的一端连接在集成PWM波控制芯片U4的10#引脚、另一端接地；集成PWM波控制芯片U4的8#引脚、11#引脚、14#引脚连接在一起后电容C4的一端与它们的连接公共点连接，电容C4的另一端接地。
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