CN113252204B - 一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法，用于目标气体温度的快速抗干扰测量；所用元件包括：两个可调谐二极管激光器、光纤合束器、马赫曾德干涉仪、光纤分束器、准直镜和两个光电探测器。该方法包括以下步骤：调整激光器的注入电流，令激光在目标气体吸收谱线处线性扫描，将两束覆盖不同吸收谱线的激光，经过光纤合束器后通过马赫曾德干涉仪，产生载波信号；通过光纤分束器使一束激光经过准直镜后穿过目标气体；另一束激光通过无吸收的光路到达探测器。对探测信号进行计算得到光谱吸收面积，进而得到目标气体的温度。本发明的温度测量方法结构简单，适于硬件实现，具有强抗干扰能力，在气体参数实时监测方面具有广阔的前景。

Description

一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法

(一)技术领域

本发明提出一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域。

(二)背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术由于其非侵入性，快速响应，灵敏度高，测量准确、成本低、抗干扰能力强等优点被广泛应用于燃烧场温度的测量。2019年Chang Liu等人发表在《应用光谱学综述》(Applied Spectroscopy Reviews)第54卷第1期1-44页的论文《激光吸收光谱技术在反应流燃烧诊断中的应用：综述》(Laser absorption spectroscopy for combustiondiagnosis in reactive flows:A review)中综述了激光吸收光谱学在关键原理、传感器和仪器方面的进展和实际燃烧器测量中的应用。激光吸收光谱技术常使用分布式反馈激光器产生光源，有两种测量方法，直接吸收法(direct absorption spectroscopy,DAS)和波长调制法(wavelength modulation spectroscopy,WMS)。直接吸收法以接近线性的方式扫描波长，从透射光强中直接提取吸收光谱，已经广泛的被应用在单一路径平均温度测量中。2016年，Zhanrong Zhang等人发表在《光学技术杂志》(Journal Of Optical Technology)第83卷，第11期673-677页的论文《用吸收波长为760nm的分布式反馈激光器探测气体温度》(Detection of gas temperature using a distributed feedback laser at O2absorption wavelength 760nm)中使用直接吸收法在300-900K温度范围内对管式炉内的气体温度进行了测量，其在低温下的温度测量精度优于高温下的温度测量精度。直接吸收法具有直观简单，能提取完整吸收光谱的优点，但是抗噪声能力弱，不适用于环境恶劣的工业测量。

波长调制法利用了调制光强度信号中的谐波，以有效抑制噪声并避免直接吸收方法所需的基线拟合，能适应更恶劣的现场环境。2016年，Tingdong Cai等人发表在《应用光谱学》(Applied Spectroscopy)第70卷，第3期474-484页的论文《用2μm可调谐半导体激光器在高压下测量温度和CO2浓度》(High-Pressure Measurements of Temperature andCO2 Concentration Using Tunable Diode Lasers at 2μm)使用波长调制法，在静态气体池实验(压力为1-10个大气压，温度为500-1200K)中进行温度和CO2浓度的测量，结果表明，该传感器对温度和CO2浓度的测量精度分别为1.66％和3.1％。测量结果表明，该传感器在高压燃烧诊断中具有潜在的应用价值。然而，由于波长调制法使用的分布式反馈激光器带宽有限，激光器较难以几kHz以上的速度扫描光谱，同时，由于波长调制法获得的通常只是解调后的谐波分量，难以获得吸收光谱的廓形，需要通过复杂的计算才能得到直观的吸收光谱。

通过单独将激光信号的强度进行调制，可以实现抑制噪声，并且同时可以直接提取直观的吸收光谱。激光强度调制技术已经被用在单一路径的激光吸收光谱测量中。2016年，Bain,James R.P.等人发表在《IEEE传感器杂志》(IEEE Sensors Journal)上第16卷，第3期675-680页的论文《利用平衡探测外振幅调制恢复可调谐半导体激光光谱中的绝对吸收线型》(Recovery of Absolute Absorption Line Shapes in Tunable Diode LaserSpectroscopy Using External Amplitude Modulation With Balanced Detection)中提出了一种基于铌酸锂调幅器的激光吸收光谱提取方法，利用修改后的霍布斯平衡接收电路，将背景信号置零，便于提取吸收光谱，结果表明，该方法可以提取绝对的吸收光谱曲线，同时其信噪比达到了传统的二次谐波的波长调制法的水平。然而，不管使用波长调制法等内部调制方法还是使用铌酸锂调幅器等外部调制方法，目前的调制方式都需要主动产生一个高频的信号用于实现调制，这受到器件自身的带宽限制。同时，为了获得激光的波长变化，需要分出1束激光来进行波长的探测，这也会导致光路的结构较为复杂。

徐立军等人发明了一种通过马赫曾德干涉仪实现激光强度调制的方法(一种基于干涉调制原理的激光吸收光谱测温方法和系统，CN201811235909.X)，将激光通过马赫曾德干涉仪，在干涉效果影响下，输出的载波信号携带了随波数扫描而变化的高频信号，由载波信号可以重建吸收光谱的廓形并同时获得激光的波数信息，简化了调制方式与光路结构；但是由于激光波数的扫描是非线性的，载波信号的频率出现了漂移，这使得信号解调的难度上升；同时，由于激光器内部存在噪声，通过马赫曾德干涉仪后的载波信号会放大这些噪声，降低吸收光谱重建的精度。

基于以上背景，本文发明了一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法，可对温度均匀分布的气体进行测量；该方法调整两个可调谐二极管激光器的注入电流，使两束输出激光的波数分别线性扫描目标气体的两条吸收谱线，两束激光经光纤合束器合束后进入马赫曾德光纤干涉仪，通过干涉原理自动产生包含高频正弦波的载波信号，不需要外界提供高频电信号，且载波信号的频率稳定，便于解调；之后载波信号通过光纤分束器分为两束激光，其中一束激光经过准直镜准直穿过目标气体后被探测器接收，载波信号的幅度被目标气体分子的吸收光谱调制，激光吸收光谱信号的频谱被搬离噪声较大的低频段；另一束激光不通过目标气体而直接被探测器接收，用来抑制载波信号中的噪声，提高吸收光谱重建的精度。由于载波信号的幅度变化是由于马赫曾德干涉仪产生的，可以通过载波信号求取波数变化，不需要额外分出一条光路来探测波数。将两束激光信号进行解调、幅值匹配、吸收光谱提取，可得到目标气体的吸收光谱。提取吸收光谱中吸收谱线的积分吸收面积，并计算面积之比，通过比色法获得温度值。

(三)发明内容

针对目标气体的温度测量，本文发明了一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域；该方法可抑制低频段噪声的干扰，提高温度测量稳定性；同时该方法适于硬件实现，在气体参数实时监测方面具有广阔的前景。所用元件包括：两个可调谐二极管激光器、光纤合束器、马赫曾德干涉仪、光纤分束器、准直镜、两个光电探测器。

本发明采用的技术方案是：调整两个激光器的注入电流，使其激光波数线性扫描目标气体的两条吸收谱线的主峰部分，激光经光纤合束器合束后进入马赫曾德干涉仪，产生高频载波信号，由于激光的波数线性变化，因此载波信号的频率稳定；之后载波信号通过光纤分束器分为两束激光，其中一束激光经准直镜后穿过目标气体后被探测器接收，载波信号的幅度被目标气体分子的吸收光谱所调制，实现激光吸收光谱信号的频谱的搬移；另一束激光不通过目标气体而直接被探测器接收，作为基线信号。将两束激光信号进行解调、幅值匹配、吸收光谱提取得到谱线的积分吸收面积，并计算面积之比，通过查找数值仿真建立的温度与面积之比的查找表，获得温度值；以控制一个激光器为例，具体步骤如下：

步骤一、初步给出激光器进行吸收光谱扫描所需的随时间t变化的注入电流波形c_n(t)，n＝0；为使得波数变化接近线性，采用单调递增的锯齿波波形；

步骤二、令激光器的工作温度恒定，使用电流波形c_n(t)驱动激光器产生激光信号，其强度为I_n(t)，其波数为v_n(t)；将激光信号通过马赫曾德干涉仪，测量得到出射激光光强I′_n(t)：

其中，Δv_FSR是干涉仪的自由光谱范围，Δv_FSR，K₁，K₂和

均为干涉仪的参数，在扫描过程中可看作常数；当激光器的输出波数v_n(t)变化一个Δv_FSR，I′_n(t)的幅值即变化一个近似正弦函数的周期，通过分析I′_n(t)幅值的周期变化得到激光器的波数变化v_n(t)，进一步获得注入电流与激光波数间的关系v_n＝f(c_n)；

步骤三、计算v_n(t)的线性度δ_n；若δ_n大于目标值，利用电流与激光波数间的关系v_n＝f(c_n)，以激光波数随时间线性变化为目标，调整c_n(t)得到c_n+1(t)，n＝n+1，回到步骤二；

步骤四、若线性度δ_n小于等于目标值，令激光器的工作温度稳定在原温度点，用电流波形c_n(t)驱动激光器；对两个激光器均以上述方式进行驱动，为了之后顺利将两个激光器产生的激光合并，以时分复用方式驱动两个激光器；对单个激光器，其出射激光光强为I₀(t)，其出射激光波数为v(t)：

v(t)＝at+b (2)

其中，a和b为描述激光的波数变化的系数，在扫描过程中为常数；将两个激光器发出的光输入光纤合束器，因为激光的扫描方式为时分复用方式，因此两束激光之间没有干扰；单个激光器的出射激光光强I₀(t)通过光纤合束器再通过马赫曾德干涉仪后的输出为：

激光I₀(t)通过上述步骤变换为包含高频正弦波的载波信号I_c(t)。

步骤五、将马赫曾德干涉仪输出的载波信号通过光纤分束器分为两束，一束载波信号通过准直镜后穿过目标气体被探测器接收，为I_t(t)，包含吸收光谱信息；另一束载波信号不穿过目标气体直接被探测器接收，为I_r(t)，用来解算得到基线信号，辅助吸收光谱提取；二者在时间上是同步的，方便计算；根据朗伯比尔定律，探测器探测到的I_t(t)与I_r(t)为：

其中，R₁与R₂表示两束激光信号幅值的大小，R₁与R₂在扫描过程中为常数且一般不相等，这是光纤分束器分光不均等、空间光和光纤光在传播过程中损耗不同或两个探测器的光电放大倍数不一致等因素导致的；α[v(t)]为目标气体在指定吸收谱线处的吸收率，其对I_t(t)的幅度进行了调制，α(v)可表示为：

其中，P[atm]是被测区域的总压，L[cm]为被测区域的厚度，X(l)是目标气体的摩尔分数，T(l)[K]是目标气体的温度，S[T(l)]是与温度有关的分子跃迁线强度，φ(v)是表示吸收光谱形状的线型函数，l表示区域中的位置；I_t(t)与I_r(t)中的I_c(t)起到了载波的作用，将吸收光谱信号α[v(t)]搬离噪声较大的低频段，实现对噪声影响的抑制；

步骤六、对I_t(t)与I_r(t)采用类似正交解调的方式进行解调；由步骤二可得，根据I_t(t)与I_r(t)信号中的幅度变化可以计算得到波数变化v(t)＝at+b，进一步可得载波频率：

由载波频率可以产生用于解调计算的正弦信号和余弦信号：

凭借低通滤波器LPF，low-pass fiilters的辅助进行解调，截止频率设为0.3f，可以得到信号I_t(t)的解调结果I_a(t)：

同理，可以得到I_r(t)的解调结果I_b(t)：

I_b(t)＝R₂K₂·I₀(t) (9)

得到解调后的信号I_a(t)与I_b(t)；

步骤七、由于实际情况中R₁与R₂不相等，且I_a(t)与I_b(t)的廓形不是理想的匹配关系，所以不能通过I_a(t)与I_b(t)直接解算吸收光谱，需要对二者进行幅值匹配；选取I_a(t)中吸收极小的区段[t₁，t₂]，因为I_a(t)与I_b(t)是同步的，因此可以对应选取I_b(t)中相同位置的区段；通过数据拟合的方式，令这一段的I_b(t)的幅值逼近I_a(t)的幅值，得到变换系数R₁₂与B₁₂：

I_a(t)＝R₁₂I_b(t)+B₁₂＝R₁K₂·I₀(t)，t∈[t₁，t₂] (10)

I_a(t)与I_b(t)的幅值匹配后，通过朗伯比尔定律计算吸收率曲线α[v(t)]：

结合α[v(t)]与步骤六计算得到的v(t)得到吸收光谱α(v)；

步骤八、处理两个激光器的结果，提取第i个激光器所在的目标气体谱线处的吸收光谱α_i(v)的积分吸收面积A_i，i＝1或2，用比色法计算气体温度；积分吸收面积A_i满足：

用线型函数φ_i(v)提取吸收光谱的积分吸收面积A_i，因为

即φ_i(v)只包含吸收光谱的形状信息，不包含吸收光谱的积分吸收面积信息，且φ_i(v)有明确表达式，利用A_iφ_i(v)的曲线去逼近α_i(v)的曲线，二者匹配完成后，可得到积分吸收面积值A_i，i＝1或2：

α_i(v)＝A_iφ_i(v) (13)

若激光路径上的气压、温度及目标气体浓度均匀分布，则目标气体在两个吸收谱线处的积分吸收面积之比只与气体温度T有关：

利用HITRAN数据库，仿真获得积分吸收面积之比

与温度T的查找表，即可通过测量得出的积分吸收面积之比得到路径的平均温度T。

本发明的优点在于：将激光通过无源器件马赫曾德干涉仪产生调制过程中所需的载波，激光的光谱扫描频率可以达到几十kHz，且系统结构简单；调整激光器的注入电流，使得激光器的输出波数线性变化，这使得干涉仪输出的载波信号具有稳定的频率，令解调过程变得简单；使用一束不经过目标气体的参考光来辅助吸收光谱的提取，可以抑制激光器内部噪声的影响。

(四)附图说明

图1是所提方法的一种典型结构图，由以下部分构成：激光器1(101)、激光器2(102)、光纤合束器(201)、马赫曾德干涉仪(202)、光纤分束器(203)、准直镜(301)、被测场域目标气体(401)、光电探测器1(501)、光电探测器2(502)。

图2是产生频率稳定的载波信号的流程图。

图3是由载波信号计算目标气体温度的流程图。

图4是通过目标气体的载波信号1。

图5是通过目标气体的载波信号2。

图6是不通过目标气体的载波信号1。

图7是不通过目标气体的载波信号2。

图8是经过解调与幅值匹配得到的谱线1处的吸收信号及基线信号。

图9是经过解调与幅值匹配得到的谱线2处的吸收信号及基线信号。

图10是提取得到的谱线1与谱线2的吸收光谱曲线。

(五)具体实施方式

在实施例中，通过本发明提出的方法计算温度，验证了该方法的有效性。

本发明的结构如图1所示，激光器1(101)与激光器2(102)的输出激光通过光纤合束器(201)合为一束，将合束后的激光通过马赫曾德干涉仪(202)后用光纤分束器(203)分为两束，一束激光通过准直镜(301)转换为平行光穿过目标气体(401)，另一束激光不通过目标气体，两束激光分别被光电探测器1(501)与光电探测器2(502)接收。

实施例中的待测区域参数设置如下，总压为1个标准大气压，目标气体为水蒸气，水蒸气的温度与浓度均匀分布，温度值为300K，水蒸气浓度为0.01，激光探测路径长度为100cm。选定激光中心波数分别在7185.59cm-1和7182.94cm-¹附近的激光器1和激光器2，探测目标气体的两个吸收谱线。温度测量过程中使用的马赫曾德干涉仪的参数为Δv_FSR＝0.01cm^-1，K₁＝0.5，K₂＝0.5，

以下为实例运行步骤。

步骤一：控制激光器，利用马赫曾德干涉仪产生载波信号；如图2所示流程，保持激光器的工作温度稳定，先产生初始的锯齿波波形的注入电流，用初始注入电流驱动激光器，测试激光器发出的激光是否进行线性波数扫描，如果不满足条件，调整注入电流，再次驱动激光器并测试，重复上述过程，通过迭代获得两个激光器所需的注入电流波形；使两个电流波形以时分复用的方式控制两个激光器，对目标气体位于7185.59cm^-1和7182.94cm^-1处的两条吸收谱线分别进行线性波数扫描，激光器组的扫描频率为1kHz；将两束激光通过光纤合束器合束后，通入马赫曾德干涉仪，产生载波信号；

步骤二：用载波信号探测目标气体并计算吸收光谱；如图3所示流程，将载波信号用光纤分束器分为两路；一路激光通过准直镜由光纤传播转变为空间传播，穿过目标气体后被探测器1接收，获得激光器1与激光器2的有吸收信号，分别如图4，图5所示；另一路激光直接被探测器2接收，获得激光器1与激光器2的无吸收信号，分别如图6，图7所示；对激光器1的有吸收信号与无吸收信号计算波数变化，进行解调，进行幅值匹配，得到如图8所示的匹配结果，之后计算吸收率，结合波数变化，可以计算出激光器1扫描得到的吸收光谱，如图10的实线所示；同理，对激光器2的有吸收信号与无吸收信号进行同样处理，得到如图9所示的匹配结果，并最终得到如图10的虚线所示的吸收光谱；

步骤三：通过吸收光谱计算温度；通过线型函数拟合得到7185.59cm^-1和7182.94cm^-1对应的积分吸收面积A₁与A₂，获得面积之比A₁/A₂；利用HITRAN数据库建立温度查找表，通过温度查找表计算激光路径的平均温度T；计算结果为299.31K，与设定温度一致。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法，所用元件包括两个可调谐二极管激光器、光纤合束器、马赫曾德干涉仪、光纤分束器、准直镜和两个光电探测器；方法的特征在于，通过迭代调整得到两个激光器的注入电流，注入电流驱动激光器产生在目标气体吸收谱线处线性扫描的激光，两个激光器产生的激光经过光纤合束器合并后，进入马赫曾德干涉仪，在干涉仪的干涉作用下，干涉仪的出射激光包含高频信号，干涉仪的出射激光即为载波信号；将载波信号通过光纤分束器，使得一束激光经过准直镜后穿过目标气体到达探测器，另一束激光未通过气体直接到达探测器；对两个激光信号进行解调，对解调后的信号进行幅值匹配，利用朗伯比尔定律通过幅值匹配后的信号计算得到气体的吸收光谱，用线型函数拟合得到吸收光谱的积分吸收面积，并计算面积之比，进而通过比色法获得目标气体温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法，其特征在于通过迭代产生两个激光器所需的注入电流，使两束输出激光在目标气体吸收谱线处线性扫描，将两束激光通过光纤合束器后，利用马赫曾德干涉仪产生载波信号；具体步骤包括：

步骤一、初步给出激光器扫描吸收谱线所需的随时间t变化的注入电流波形c_n(t)，n＝0；

步骤二、使用电流波形c_n(t)驱动激光器产生波数随时间变化的激光信号；利用马赫曾德干涉仪测得激光波数v_n(t)，获得注入电流与激光波数间的关系v_n＝f(c_n)；

步骤三、计算v_n(t)的线性度δ_n；若线性度δ_n大于目标值，则以激光波数随时间线性变化为目标，调整c_n(t)得到c_n+1(t)，n＝n+1，回到步骤二；

步骤四、若线性度δ_n小于等于目标值，用电流波形c_n(t)驱动激光器输出激光，其强度为I₀(t)，其激光波数v(t)为：

v(t)＝at+b (1)

其中，a和b为描述激光的波数变化的系数；将两个激光器产生的激光通过光纤合束器合并后输入马赫曾德干涉仪，单个激光器的激光强度变换为：

得到载波信号I_c(t)；其中，Δv_FSR，K₁，K₂和

为干涉仪的参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法，其特征在于利用光纤分束器，使一束载波信号通过准直镜后穿过目标气体，使另一束载波信号不通过目标气体；对两束激光信号进行信号解调、幅值匹配以及吸收光谱提取，得到目标气体在两个吸收谱线处的积分吸收面积A_i，i＝1或2，通过比色法求出气体温度T；具体步骤包括：

步骤一、将载波信号通过光纤分束器分为两束，一束载波信号通过准直镜后穿过目标气体；另一束载波信号不穿过目标气体；探测器组接收到的信号分别为I_t(t)与I_r(t)：

其中，α[v(t)]表示目标气体在指定谱线处的吸收率，R₁与R₂表示两束信号的幅值大小；

步骤二、对I_t(t)与I_r(t)进行解调；通过I_t(t)或I_r(t)求解得到激光波数变化v(t)＝at+b，进一步计算得到对应载波信号的频率

对I_t(t)与I_r(t)解调：

得到解调后的信号I_a(t)与I_b(t)；

步骤三、对I_a(t)与I_b(t)进行幅值匹配，并计算吸收光谱；选取I_a(t)中吸收极弱的区段[t₁，t₂]，通过数据拟合，令[t₁，t₂]区段的I_b(t)逼近I_a(t)，得到变换系数R₁₂与B₁₂：

I_a(t)＝R₁₂I_b(t)+B₁₂＝R₁K₂·I₀(t)，t∈[t₁，t₂] (5)

通过朗伯比尔定律计算吸收率曲线α[v(t)]：

结合α[v(t)]与步骤二计算得到的v(t)，得到吸收光谱α(v)；

步骤四、对两个激光器的结果进行处理，提取第i个激光器所在目标气体谱线处的吸收光谱α_i(v)的积分吸收面积A_i，i＝1或2，用比色法计算气体温度；令线型函数φ_i(v)逼近吸收光谱α_i(v)，得到第i个激光器所在吸收谱线处的积分吸收面积A_i：

α_i(v)＝A_iφ_i(v) (7)

计算积分吸收面积之比

利用仿真获得积分吸收面积之比与温度T的关系，即可通过所测的积分吸收面积之比得到温度T。

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