CN113406036A - 基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于光谱重构技术的温室气体检测系统，由红外光源、输入光纤、吸收气室、气泵、传感器、输出光纤、光纤准直器、聚焦透镜、光电探测器、跨阻放大器、模拟数字转换电路、偏压电路和信号处理系统组成。本发明通过红外吸收光谱法辨别气体成分和气体浓度，采用基于光谱重构技术的高性能超小型光谱仪，可实现低成本高性能的气体检测系统。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，属于气体检测技术领域。
(二)背景技术
传统气体分析检测系统通常采用的是基于傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪，傅立叶变换红外光谱仪利用其内部的干涉仪产生干涉信息并通过傅里叶变换求得光谱信息，近红外傅里叶变换光谱法具有高信噪比和高灵敏度等优点，但是整个系统庞大并且成本高，缺乏便携性，因此不适合用现场实时检测气体。
重构型光谱仪解决了因光学元件和光程长度等因素限制光谱仪的小型化，这种技术能够补偿小型化带来性能的下降，该类型的光谱仪可利用硬件的技术进步和新的算法处理来提高性能和缩小尺寸。
为了实现具有高性能的便携式气体检测系统，T.Scharf等人采用硅微加工层状光栅的干涉仪应用在微机电系统(MEMS)技术的傅里叶变换红外光谱仪中，设计出一种多气体检测分析的系统，使系统的小型化得到提升(T.Scharf，et al.，“Miniaturized Fouriertransform spectrometer for gas detection in the MIR region”IEEE，2010)；ShaodaZhang等人设计出基于线性可变光学滤波器和基于MEMS的红外热电堆探测器阵列的气体传感系统，热电堆检测器使用p和n型多晶硅或者Al金属作为热电偶材料，光学滤波器作为窄带滤波器阵列安装在热电堆探测器阵列上方形成了微型中红外光谱仪(Shaoda Zhang，etal.，“A COMPACT MEMS-BASED INFRARED SPECTROMETERFORMULTI-GASES MEASUREMENT”IEEE，2019)； Alaa Fathy等人设计一种基于MEMS技术的FTIR光谱仪的气体传感系统，将两个单独MEMS干涉仪通过深反应离子刻蚀技术并行集成在同一个芯片，通过增加扫描光程差OPD提高了系统分辨率(Alaa Fathy，et al.，“ON-CHIP PARALLEL ARCHITECTURE MEMSFTIR SPECTROMETERS ENABLINGHIGH SPECTRAL RESOLUTIONFOR ENVIRONMENTAL GASANALYSIS”IEEE，2019)；Jarkko Antila等人使用基于微光机电系统(MOEMS)的表面微机械可调谐的法布里-珀罗干涉仪开发了一种用于气体传感的小型中红外光谱仪，该干涉仪使用单像素探测器进行高质量的光谱测量，避免了昂贵的线性阵列检测器(Jarkko Antila，et al.，“Miniaturized MOEMS spectrometer technology for gas sensing”IEEE，2013)；沈涛等人于2020 公开了一种“片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器及制作方法”(中国专利： CN202010028965.7)，通过借助制备的片状ZnO/石墨烯敏感材料和强干涉光纤结构使传感器干涉谱因二氧化氮气体浓度变化而产生较大飘移，漂移量可测量对应气体浓度，气体传感器信号经过光纤环形器传送至光谱仪。
以上发明存在以下缺陷和不足：1、傅里叶变换红外光谱仪结构由于其各种光学部件和光程长度等因素限制了其小型化，体积庞大并且价格昂贵，采用微机电系统(MEMS)技术的傅里叶变换红外光谱仪虽然在尺寸上得到一定缩小，但是其分辨率较低；2、将两个迈克尔逊干涉仪并行集成在芯片虽然增加了光谱仪的分辨率，但是对芯片加工要求高，而且增大了系统尺寸，限制了小型化；3、光谱仪采用可调谐的光学滤波器，需要单独制造光学元件，不但增加光谱仪的制造难度和成本，还降低了探测器的吸收效率和灵敏度，并且增加系统尺寸；4、采用表面微机械可调谐的法布里-珀罗干涉仪，虽然采用单像素探测器可以减少了系统尺寸，但是干涉仪依旧采用光学部件等构造导致尺寸较大，而且表面微机械加工技术对芯片加工艺要求高，造价高昂，设计复杂；5、通过制备的片状ZnO/石墨烯敏感材料和强干涉光纤结构相融合制作高灵敏度光纤气体传感器，该方法对材料制备要求高，造价高昂，并且采用传统的红外光谱仪，尺寸大且价格昂贵，不适用于现场便携式实时检测气体。
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于光谱重构型光谱仪的便携式温室气体检测系统，系统设计了基于光谱重构技术的微型光谱仪，通过单个红外探测器并组合不同偏压的方式可以得到大量不同光谱响应情况，得到具有高采样分辨率的光谱响应函数，故该光谱仪具有高分辨率和高集成度的优点，系统通过红外吸收光谱法检测气体，可实现结构简单并且高性能的便携式气体检测系统。
入射光照射到光电探测器，会产生电子空穴对，较短波长的光在表面附近被吸收，而具有较长波长的光则更深穿透半导体材料直到被吸收为止，PN结的表面电子空穴对产生的速率G取决于入射光通量M、入射光的波长λ、材料的光吸收系数α以及与硅表面的距离y，如公式(1)所示：
G(y)＝Mα(λ)exp(-α(λ)y) (1)
由于电子空穴对的产生，光照射到PN结会产生光电流，由光照引起的光电流如公式(2)所示：
IL＝-qAG(y)×(Ln+Xd+Lp) (2)
其中A为PN结的结面积，Xd为势垒宽度，Lp和Ln分别是空穴和电子扩散长度，光电探测器的光产生电流取决于入射光和PN结结构性质；在无辐射作用的情况下，光电探测器的特性与普通的光电二极管相同，外置偏压为V时其电流方程如公式(3)所示：
其中I0为反向饱和电流，KT为热压当量并且其常温下的值为26mev，光电探测器一般外置负电压，反向偏压不能超过击穿电压，通过上述公式(2)和(3) 的可知，在外置偏压为V时光辐射作用到光电二极管产生的电流如公式(4)所示：
光谱响应度指的是光电探测器对单色光的响应能力，光谱响应函数表示在某偏置电压下产生的光电流随着波长的变化而变化的情况，通过公式(4)可以得到在偏压为V时典型的光谱响应曲线。
PN结的势垒宽度Xd与半导体的外置偏压V有关，其公式如(5)所示，
其中N0为约化浓度，εs为介电常数，Vbi为内建电势,通过公式(4)和 (5)可知外置偏压会影响光电探测器产生的光电流，会改变公式(3)和公式(2) 表示的光电流，外置偏压主要改变的是由光照产生的光电流，随着外置负压的绝对值增加，光电探测器产生的电流会相应增加，也就是光谱响应度会增加，并且光谱响应度与偏置电压呈现的单调关系不是简单成正比，即不同偏压下光电探测器的光谱响应具有特殊性，故采用不同偏置电压可以使探测器具有不同的光谱响应。
在某固定波长的入射光照射下，通过测量在固定偏压下光电探测器产生的光电流来得到探测器在某固定偏压下的光谱响应函数，光电流需要归一化处理 (将光电流值比上入射光的光强值)，探测器在外置偏压值为Vj时的光谱响应为 Rj(λ)。
F(λ)表示入射光的光谱信息，包含的参数为光强和波长，由入射光F(λ) 照射到光电探测器，探测器在外置偏压为Vj时测量得到的光电流Ij可以用公式(6) 表示：
F(λ)表示入射光在波长为λ时光强，在低于击穿电压的工作条件下，探测器形成的光电流与光强度成正比，光谱响应函数的归一化电流值表示光电流与光强的比例系数，所以F(λ)Rj(λ)代表着在偏置电压为Vj和波长为λ的入射光照射下探测器产生的光电流，光谱仪可检测的波长范围是从λmin到λmax，所以探测器在偏压为Vj的情况下产生的光电流Ij是在整个波长范围内对F(λ)Rj(λ)的积分，公式(6)也可写成离散形式，如公式(7)表示：
I＝R×F (7)
其中R表示探测器的光谱响应函数矩阵，I是通过测试得到的光电流数据矩阵，所以通过求解方程(7)可以重构未知的目标光谱F。
红外光谱是一种分子光谱，物质分子结构具有单一性，所以可以通过检测样品的光谱数据来确定该物质的分子结构，通过分析未知样品的光谱吸光度、吸收峰区域与形状对其进行定性定量分析，红外光谱定量分析法的理论基础是朗伯-比尔定律，温室气体主要包括CO2、CH4、N2O和水蒸气，这些气体成分吸收峰区域均在红外光谱区域。
当光照射到气体分子时，如果光谱与气体分子吸收峰谱线有交集，则一部分光会被消耗掉，导致总光强的减小，朗伯-比尔定律的具体阐述为当红外光以光强度为P0入射到未知的气体样本中时，出射光P的光强度可以表示为公式(8)：
P(t)＝P0(t)×exp[-α(λ)LC] (8)
式中C为气体浓度，α为气体的吸收系数，L为光路长度，P0为入射光的强度，P为出射光的强度，通过对被测气体分子特征吸收峰的研究，选择合适的检测波段的宽带红外光源，让待测气体和传输光路完成吸收作用，利用朗伯- 比尔定律计算出待测气体的浓度。
设计好系统结构后往气室充入同一气体，气体的吸收系数α和光程L确定不变，检测出输入和输出的光强差就可以反映出气体浓度，气体浓度C的表达式可以表示为(9)：
系统得到待测气体的吸收光谱，通过与标准气体吸收光谱数据库进行比较得到气体成分，再测试得到气室两端得到的光强差，通过朗伯-比尔公式得出气体成分的浓度。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，可实现低成本高性能的便携式气体检测分析系统，属于气体测量技术领域。
基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，由红外光源(1)、输入光纤(2)、吸收气室(3)、气泵(4)、传感器(5)、输出光纤(6)、光纤准直器 (7)、聚焦透镜(8)、光电探测器(9)、跨阻放大器(10)、模拟数字转换电路(11)、偏压电路(12)和信号处理系统(13)组成；所述系统中红外光源(1)发出的红外光经过输入光纤(2)入射到吸收气室(3)，待检测气体通过气泵(4)保持一定速率和气压通入吸收气室(3)，传感器(5)用来检测气体温度和压力，从吸收气室(3)出射的光经过输出光纤(6)、光纤准直器(7)和聚焦透镜(8)照射到单个光电探测器(9)上，光电探测器(9)产生的光电流经过跨阻放大器(10) 转化为电压信号，模拟数字转换电路(11)将电压信号转化为数字信号并输入到信号处理系统(13)，偏压电路(12)为信号处理系统(13)提供固定偏压以使其正常工作，由信号处理系统(13)控制偏压电路(12)输入到光电探测器(9)的偏压，光电探测器(9)在的光谱响应函数被预先测试得到并存储到信号处理系统 (13)中；信号处理系统(13)将从模拟数字转换电路(11)得到信号和光谱响应函数作为输入，通过重构算法进行计算处理重构出光谱信息，之后信号处理系统(13)将光谱信息与标准气体吸收光谱数据库进行对比从而检测出气体成分，并通过朗伯-比尔公式计算处气体成分的浓度。
红外光源(1)的作用是提供波长为红外区的宽谱光，红外光的波长范围包含被检测气体的吸收光谱波长范围，红外光源发出光强固定的红外光，即在红外区范围内的每种波长的光对应光强都固定不变，气泵(4)的作用是将待检测的气体输入到吸收气室(3)并且控制输入气体的速率和气压，传感器(5)的作用是检测气体样品的温度和压力，以便在分析结果时考虑温度和压力变化带来的影响，待检测气体尽量保持在恒定的温度和压力。
光电探测器(9)的作用是探测从聚焦透镜(8)入射的光，在入射光的照射下光电探测器(9)会产生相应的电信号，光电探测器(9)的类型可以是PN 结型光电二极管，PIN结型光电二极管以及雪崩型光电二极管的任何一种。
偏压电路(12)的作用是为信号处理系统(13)提供固定偏压，由信号处理系统(13)控制偏压电路(12)输入到光电探测器(9)的偏压，探测器在不同偏压的情况下光谱响应不同，通过组合不同偏压的方式可得到具有高分辨率的光谱，偏压电路(12)的功能是将输入电压(直流或者交流)转换为光电探测器 (9)工作所需要的直流电压。
光电探测器(9)的输出连接到跨阻放大器(10)与模拟数字转换电路(11) 组成的电路，跨阻放大器(10)的作用是将光电探测器(9)产生的微弱光电流转换为电压，模拟数字转换电路(11)的作用是将从跨阻放大器(10)产生的模拟信号转化为数字信号。
光电探测器(9)的光谱响应函数信息存储到信号处理系统(13)中，信号处理系统(13)存储了探测器在某偏置电压下产生的光电流随着波长的变化而变化的信息，信号处理系统(13)将输入的光电流值进行归一化处理，光谱响应函数的参数包括探测器的偏置电压、归一化电流值和波长。
光谱响应函数的测量方法如下所述，光电探测器(9)的偏置电压先固定，可调光源发出的入射光的光强相同，光源发射出波长固定的单色光照射到光电探测器(9)，系统将测试得到的光电流信息存储到信号处理系统(13)中，接着入射光波长在系统可探测波长范围内按照一定的步长逐渐变化，探测器产生的光电流信息依次不断存储到信号处理系统(13)中，之后改变探测器偏置电压重复进行上述步骤测量在不同波长情况下的光电流，偏置电压按照一定步长进行变化。
信号处理系统(13)的输入为偏压电路(12)和从模拟数字转换电路(11) 输出的数据，信号处理系统(13)储存的内容包括各偏压下光谱响应函数、标准气体吸收光谱数据库和每种温室气体的气体吸收系数α(λ)，信号处理系统(13) 的作用之一是通过将从模拟数字转换电路(11)得到的多组数据与光谱响应函数联系起来，通过重构算法将输入进行计算处理从而重构出光谱信息，此外信号处理系统(13)将光谱的吸收峰区域与标准气体吸收光谱数据库进行对比进而判断出气体成分，并且通过朗伯-比尔公式求得气体的浓度。
基于光谱重构技术的微型光谱仪由光电探测器(9)、偏压电路(12)、信号处理系统(13)、跨阻放大器(10)、模拟数字转换电路(11)构成，信号处理系统(13)需要求解出的未知量为F(λ)，F(λ)代表入射光的光谱信息且参数为光强和波长，已知量Rj(λ)表示光电探测器(9)在偏压为Vj时的光谱响应函数，F(λ)Rj(λ)代表着在偏置电压为Vj和波长为λ的入射光照射下探测器产生的光电流Ij，系统可探测波长范围是从λmin到λmax，入射光源包含着不同波长的光且每种在探测范围内不同波长的单色光都可以在探测器产生光电流，所以探测器在偏压为Vj时产生的光电流Ij为在波长范围内对F(λ)Rj(λ)的积分,也就是把每种波长的光对该探测器产生的光电流进行叠加，假设光电探测器(9)调整的偏压有m种，则可以列举出表示探测器光电流的m个方程组成方程组，方程的变量包含Ij、Rj(λ)和未知量F(λ)；信号处理系统(13)通过测试得到光电流Ij和光谱响应函数Rj(λ)的数据，再经过上述m个方程组成线性方程组，最终通过计算处理求解出F(λ)以重构出入射光的光谱信息。
本发明相比现有技术的优点在于：本发明采用基于光谱重构技术的微型光谱仪，避免采用传统光谱仪(如傅里叶变换光谱仪)受到光学组件和光程长度等因素限制小型化并且带来性能的下降，通过单个探测器并组合不同偏压的方式可以得到大量不同光谱响应情况进而获得具有高采样分辨率的光谱响应函数，通过调整偏压情况可得到大量有效数据进行光谱重构，故该光谱重构型光谱仪具有高分辨率和高集成度的优点，系统通过红外吸收光谱法检测温室气体，可实现结构简单并且高性能的便携式温室气体检测系统。
(四)附图说明
图1是基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统示意图，由红外光源(1)、输入光纤(2)、吸收气室(3)、气泵(4)、传感器(5)、输出光纤 (6)、光纤准直器(7)、聚焦透镜(8)、光电探测器(9)、跨阻放大器(10)、模拟数字转换电路(11)、偏压电路(12)和信号处理系统(13)组成。
图2是基于光谱重构技术的检测温室气体中CO2的系统实施例示意图，由红外LED(IRL715)(1)、输入光纤(2)、吸收气室(3)、气泵(4)、传感器(5)、输出光纤(6)、光纤准直器(7)、聚焦透镜(8)、铟镓砷(InGaAs) PIN结型光电二极管(9)、跨阻放大器(10)、模拟数字转换电路(11)、偏压电路(12)和信号处理系统(13)组成。
(五)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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述。
图2给出了一个基于光谱重构技术的检测温室气体中CO2的系统实施例，它由红外LED(IRL715)(1)、输入光纤(2)、吸收气室(3)、气泵(4)、传感器(5)、输出光纤(6)、光纤准直器(7)、聚焦透镜(8)、铟镓砷(InGaAs) PIN结型光电二极管(9)、跨阻放大器(10)、模拟数字转换电路(11)、偏压电路(12)和信号处理系统(13)组成；本实施例展示单个红外探测器并组合9 种偏压实现重构光谱，接着通过朗伯-比尔定律进行温室气体的检测，包括对温室气体里CO2气体成分的鉴别和对CO2气体浓度的检测。
CO2气体在近红外和中远红外波段存在吸收强度不同的吸收带，其强吸收带分布在2.7μm、4.26μm和11.4μm的波长处，选择中心波长4.26μm处的吸收谱线作为检测依据，原因是该波段的吸收和衰减最为强烈；为了保证光源在CO2的红外吸收峰波长附近范围有较强的光强，选择的红外光源是型号为 IRL715的红外LED，该红外光源的波长范围广，适合CO2(吸收峰波长范围在4.15 到4.4μm)气体的测量。
光电探测器主要有量子效率、光谱响应、响应时间等参数，这些参数都会影响到探测器具体的性能指标，选择探测器时应综合考虑各参数，本系统使用铟镓砷(InGaAs)PIN结型光电二极管(9)作为光电探测器，该探测器为PIN结型光电二极管，能够探测红外光波段，具有低暗电流和高灵敏度的特点。
红外LED(IRL715)(1)发出光的光强P0(λ)固定，红外LED(IRL715) (1)发出的红外光经过输入光纤(2)入射到吸收气室(3)，待检测的气体通过气泵(4)通入吸收气室(3)，从吸收气室(3)出射的光经过输出光纤(6)、光纤准直器(7)和聚焦透镜(8)照射到单个铟镓砷(InGaAs)PIN结型光电二极管(9)上，探测器产生的光电流经过跨阻放大器(10)转化为电压信号，模拟数字转换电路(11)将电压信号转化为数字信号并输入到信号处理系统(13)，偏压电路(12)为信号处理系统(13)、跨阻放大器(10)、模拟数字转换电路(11)提供固定偏压，偏压电路(12)为铟镓砷(InGaAs)PIN结型光电二极管 (9)提供的偏压由信号处理系统(13)控制，探测器在不同偏压下的光谱响应函数Rj(λ)被预先测试得到并存储到信号处理系统(13)，信号处理系统(13)将从模拟数字转换电路(11)得到信号与光谱响应函数作为输入，通过重构算法将输入进行计算处理从而重构出光谱信息。
下面先介绍气体的吸收光谱重构出来的步骤，F(λ)代表入射光的光谱信息且参数为光强和波长，Rj(λ)表示探测器在偏压为Vj时的光谱响应函数，在偏压为Vj时探测器产生的光电流Ij可以认为是把入射光里每种波长的光对该探测器产生的光电流进行叠加，所以Ij可表达为在波长范围内对F(λ)Rj(λ)的积分。
光谱响应函数Rj(λ)表达的信息是探测器在光波长为λ和偏压为Vj时归一化电流值，在偏压为Vj的情况下Rj(λ)里面采集的波长值为λ1、λ2、...、λk和对应的归一化电流值
其中λmin≤λ1＜λ2＜…＜λk≤λmax，在每种偏压下信号处理系统(13)的采样次数为k。
本例设置的偏压为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9，系统通过偏压电路(12)对铟镓砷(InGaAs)PIN结型光电二极管(9)的偏置电压进行调整可得到从模拟数字转换电路(11)输出的表示光电流信息的数字信号Ij(其中 j＝1,2，...，9)，这些信号输入到信号处理系统(13)，铟镓砷(InGaAs)PIN结型光电二极管(9)在偏压为Vj时的光谱响应函数为Rj(λ)，将数据进行整合得到的计算处理公式如下式：
F(λ1)R1(λ1)+F(λ2)R1(λ2)+…+F(λk)R1(λk)＝I1
F(λ1)R2(λ1)+F(λ2)R2(λ2)+…+F(λk)R2(λk)＝I2
F(λ1)R3(λ1)+F(λ2)R3(λ2)+…+F(λk)R3(λk)＝I3
F(λ1)R4(λ1)+F(λ2)R4(λ2)+…+F(λk)R4(λk)＝I4
F(λ1)R5(λ1)+F(λ2)R5(λ2)+…+F(λk)R5(λk)＝I5
F(λ1)R6(λ1)+F(λ2)R6(λ2)+…+F(λk)R6(λk)＝I6
F(λ1)R7(λ1)+F(λ2)R7(λ2)+…+F(λk)R7(λk)＝I7
F(λ1)R8(λ1)+F(λ2)R8(λ2)+…+F(λk)R8(λk)＝I8
F(λ1)R9(λ1)+F(λ2)R9(λ2)+…+F(λk)R9(λk)＝I9
Ij可以理解为各种波长的光对该探测器产生的光电流信号进行叠加，当光谱响应函数的采样值k很大时，可以将F(λ)Rj(λ)的累加表达为积分形式，表达式如下：
上述的计算处理公式可以用矩阵表示，表达式如下：
I＝R×F
其中R为表示光谱响应函数的9×K矩阵，I为表示光电流信息的9×1矩阵，F为表示光源光谱信息的K×1矩阵，其中I和R是已知量矩阵，F为未知量。
I＝R×F线性方程组有解需要满足R矩阵的秩等于增广矩阵(R,I)的秩，存在有唯一解或者无穷解有两种有解情况，为了使方程存在唯一解需要满足R矩阵的秩等于增广矩阵(R,I)的秩并且秩等于采样数K。
通过合理的设置使线性方程组有唯一解，F矩阵的求解可以表达为下式：
F＝R-1×I
R-1为R的逆矩阵，逆矩阵存在的条件是矩阵行列式不为零，由于不同探测器之间的光谱响应函数的差异，所以R矩阵的行向量之间不是线性相关，也就是R矩阵的行列式不为零，故R存在逆矩阵。
通过选取合适的k值使线性方程组具有唯一解，信号处理系统(13)将光电流信号和光谱响应函数作为输入，已知R矩阵和I矩阵，通过求解逆矩阵R-1，该逆矩阵再与I矩阵进行相乘就可以求解出未知矩阵F，通过进行计算处理求解出由9个方程组成的线性方程组以将气体的吸收光谱F(λ)重构出来。
气体的吸收系数与吸收峰位置的波长呈对应关系，并且气体吸收的强度与气体浓度成正比，所以在气体检测的相应计算中需要确定吸收峰所对应的波长以及峰值衰减的大小。
接下来介绍气体检测的步骤和分析过程，首先吸收气室(3)全部通入N2，由于N2在近红外波段没有吸收峰，这时候可认为吸收气室没有通入温室气体(3) 通过测试得到的光谱为红外光源的原始光谱，通过原始光谱可以得到红外光源的光强P0(λ)。
在吸收气室(3)充入待测的温室气体后，测量得到吸收光谱，通过检测吸收光谱中波长范围在4.15到4.4μm内是否有吸收峰，如果存在这个波长范围内存在吸收峰则可以判断温室气体中存在CO2成分。
在确认气体存在CO2成分的情况下，气体的吸收光谱求出来后就可以得出从吸收气室(3)出射光的每种波长对应的光强P(t)，吸收光谱在信号处理系统 (13)中进行信息处理，信号处理系统(13)包含标准气体吸收光谱数据库和各种温室气体的气体吸收系数α(λ)，CO2气体成分的气体吸收系数α(λ)预先知道，由吸收气室(3)结构固定，所以光路长度L固定，并且红外光源的光强P0(λ)也固定，所以通过朗伯-比尔定律可求出CO2气体的浓度C，朗伯-比尔定律的表达式如下：
该实施例展示系统通过单个探测器并组合9种偏压的情况下重构出气体的吸收光谱，接着红外光谱吸收法并结合朗伯-比尔定律进行对温室气体的CO2检测，包括对温室气体里CO2气体成分的鉴别，此外还有对CO2气体浓度的检测，说明了该系统的可行性，系统可通过增加光谱响应函数的采样率k，并组合更多的偏压设置，可以获得高分辨率的光谱信息，从而提高系统气体检测的性能。
Claims (9)
1.一种基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，由红外光源(1)、输入光纤(2)、吸收气室(3)、气泵(4)、传感器(5)、输出光纤(6)、光纤准直器(7)、聚焦透镜(8)、光电探测器(9)、跨阻放大器(10)、模拟数字转换电路(11)、偏压电路(12)和信号处理系统(13)组成；所述系统中红外光源(1)发出的红外光经过输入光纤(2)入射到吸收气室(3)，待检测气体通过气泵(4)保持一定速率和气压通入吸收气室(3)，传感器(5)用来检测气体温度和压力，从吸收气室(3)出射的光经过输出光纤(6)、光纤准直器(7)和聚焦透镜(8)照射到单个光电探测器(9)上，光电探测器(9)产生的光电流经过跨阻放大器(10)转化为电压信号，模拟数字转换电路(11)将电压信号转化为数字信号并输入到信号处理系统(13)，偏压电路(12)为信号处理系统(13)提供固定偏压以使其正常工作，由信号处理系统(13)控制偏压电路(12)输入到光电探测器(9)的偏压，光电探测器(9)在的光谱响应函数被预先测试得到并存储到信号处理系统(13)中；信号处理系统(13)将从模拟数字转换电路(11)得到信号和光谱响应函数作为输入，通过重构算法进行计算处理重构出光谱信息，之后信号处理系统(13)将光谱信息与标准气体吸收光谱数据库进行对比从而检测出气体成分，并通过朗伯-比尔公式计算处气体成分的浓度。
2.根据权利要求1所述的基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，其特征是：所述的红外光源(1)的作用是提供波长为红外区的宽谱光，红外光的波长范围包含被检测气体的吸收光谱波长范围，红外光源发出光强固定的红外光，即在红外区范围内的每种波长的光对应光强都固定不变，气泵(4)的作用是将待检测的气体输入到吸收气室(3)并且控制输入气体的速率和气压，传感器(5)的作用是检测气体样品的温度和压力，以便在分析结果时考虑温度和压力变化带来的影响，待检测气体尽量保持在恒定的温度和压力。
3.根据权利要求1所述的基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，其特征是：所述的光电探测器(9)的作用是探测从聚焦透镜(8)入射的光，在入射光的照射下光电探测器(9)会产生相应的电信号，光电探测器(9)的类型可以是PN结型光电二极管，PIN结型光电二极管以及雪崩型光电二极管的任何一种。
4.根据权利要求1所述的基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，其特征是：所述的偏压电路(12)的作用是为信号处理系统(13)提供固定偏压，由信号处理系统(13)控制偏压电路(12)输入到光电探测器(9)的偏压，探测器在不同偏压的情况下光谱响应不同，通过组合不同偏压的方式可得到具有高分辨率的光谱，偏压电路(12)的功能是将输入电压(直流或者交流)转换为光电探测器(9)工作所需要的直流电压。
5.根据权利要求1所述的基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，其特征是：光电探测器(9)的输出连接到跨阻放大器(10)与模拟数字转换电路(11)组成的电路，跨阻放大器(10)的作用是将光电探测器(9)产生的微弱光电流转换为电压，模拟数字转换电路(11)的作用是将从跨阻放大器(10)产生的模拟信号转化为数字信号。
6.根据权利要求1所述的基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，其特征是：光电探测器(9)的光谱响应函数信息存储到信号处理系统(13)中，信号处理系统(13)存储了探测器在某偏置电压下产生的光电流随着波长的变化而变化的信息，信号处理系统(13)将输入的光电流值进行归一化处理，光谱响应函数的参数包括探测器的偏置电压、归一化电流值和波长。
7.根据权利要求1所述的基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，其特征是：光谱响应函数的测量方法如下所述，光电探测器(9)的偏置电压先固定，可调光源发出的入射光的光强相同，光源发射出波长固定的单色光照射到光电探测器(9)，系统将测试得到的光电流信息存储到信号处理系统(13)中，接着入射光波长在系统可探测波长范围内按照一定的步长逐渐变化，探测器产生的光电流信息依次不断存储到信号处理系统(13)中，之后改变探测器偏置电压重复进行上述步骤测量在不同波长情况下的光电流，偏置电压按照一定步长进行变化。
8.根据权利要求1所述的基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，其特征是：所述的信号处理系统(13)的输入为偏压电路(12)和从模拟数字转换电路(11)输出的数据，信号处理系统(13)储存的内容包括各偏压下光谱响应函数、标准气体吸收光谱数据库和每种温室气体的气体吸收系数α(λ)，信号处理系统(13)的作用之一是通过将从模拟数字转换电路(11)得到的多组数据与光谱响应函数联系起来，通过重构算法将输入进行计算处理从而重构出光谱信息，此外信号处理系统(13)将光谱的吸收峰区域与标准气体吸收光谱数据库进行对比进而判断出气体成分，并且通过朗伯-比尔公式求得气体的浓度。
9.根据权利要求1所述的基于光谱重构技术的便携式温室气体检测系统，其特征是：所述的所述基于光谱重构技术的微型光谱仪由光电探测器(9)、偏压电路(12)、信号处理系统(13)、跨阻放大器(10)、模拟数字转换电路(11)构成，信号处理系统(13)需要求解出的未知量为F(λ)，F(λ)代表入射光的光谱信息且参数为光强和波长，已知量Rj(λ)表示光电探测器(9)在偏压为Vj时的光谱响应函数，F(λ)Rj(λ)代表着在偏置电压为Vj和波长为λ的入射光照射下探测器产生的光电流Ij，系统可探测波长范围是从λmin到λmax，入射光源包含着不同波长的光且每种在探测范围内不同波长的单色光都可以在探测器产生光电流，所以探测器在偏压为Vj时产生的光电流Ij为在波长范围内对F(λ)Rj(λ)的积分,也就是把每种波长的光对该探测器产生的光电流进行叠加，假设光电探测器(9)调整的偏压有m种，则可以列举出表示探测器光电流的m个方程组成方程组，方程的变量包含Ij、Rj(λ)和未知量F(λ)；信号处理系统(13)通过测试得到光电流Ij和光谱响应函数Rj(λ)的数据，再经过上述m个方程组成线性方程组，最终通过计算处理求解出F(λ)以重构出入射光的光谱信息。
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