CN113533249A - 一种基于开放光路和波长调制的n2o检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统及方法，包括依次连接的信号板、激光驱动器、激光器和指示光光源，信号板将调制信号与扫描信号叠加发送给激光驱动器，调制激光器发射的激光波长，激光器发出的激光和指示光光源发出的指示光经同轴准直系统准直为同轴光源；还具有离轴抛物面镜和角反射镜，同轴光源穿过离轴抛物面镜，经过被测大气到达角反射镜；还具有光电探测器和数据处理模块，角反射镜反射后的光束再次经过被测大气，经离轴抛物面镜反射后，发送给光电探测器，光电探测器将接收到的光束信号发送给数据处理模块处理实现N2O检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测领域，具体为一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
N2O(氧化亚氮)是一种温室气体，虽然N2O在大气中的含量相较于CO2(二氧化碳)而言极低，属于痕量气体，但其温室效应却是CO2的298倍，对大气环境及生态造成了重大影响。因此，需要利用检测系统和方法获取大气中N2O的浓度水平。
现有的获取气体浓度的检测装置通常利用半导体激光器的可调谐性和窄线宽性，通过选择待测气体的某项特定的吸收光谱线进行测量，可排除其他气体的光谱的干扰，实现待测气体浓度的快速在线检测。此类气体浓度检测装置的吸收路径主要是多反射气池，可以实现快速响应时间和较低的检测极限，但是它们大多数是封闭路径系统，严重限制了连续测量在远程或便携式实地研究中的实际适用性。检测时的波长调制过程中，需要先对采集得到的信号进行解调，以通过提取吸收信号的二次谐波信号来表征气体浓度。在中心频率处，二次谐波信号的幅值会受到激光光强的影响，在实际测量过程中，窗片抖动、散射等因素都会影响光强，进而使得最终获取的气体浓度结果误差增大。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统及方法，由一个镀金膜的离轴抛物面镜和角反射镜构成的简单回路，采用了一次谐波信号归一化波长调制检测(WMS-2f/1f)的谐波比率方法，运用中心频率处的二次谐波信号值与一次谐波信号值的比值，来消除激光器光强抖动的影响，从而有效提升N2O气体浓度的检测结果准确度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，包括：
包括依次连接的信号板、激光驱动器、激光器和指示光光源，信号板将调制信号与扫描信号叠加发送给激光驱动器，调制激光器发射的激光波长，激光器发出的激光和指示光光源发出的指示光经同轴准直系统准直为同轴光源；
还具有离轴抛物面镜和角反射镜，同轴光源穿过离轴抛物面镜，经过被测大气到达角反射镜；
还具有光电探测器和数据处理模块，角反射镜反射后的光束再次经过被测大气，经离轴抛物面镜反射后，发送给光电探测器，光电探测器将接收到的光束信号发送给数据处理模块处理实现N2O检测。
信号板将高频调制信号叠加在低频扫描信号上发送给激光器的驱动系统。
离轴抛物面镜具有孔，用于准直后的同轴光源穿过。
离轴抛物面镜和角反射镜同轴布置且两者表面均镀金膜。
离轴抛物面镜和角反射镜之间的空间为待检测大气。
数据处理模块包括连接在一起的锁相放大器，信号采集卡和计算机。
锁相放大器接收光束信号解调出一次谐波信号与二次谐波信号。锁相放大器滤除多余的谐波信号。
本发明的第二个方面提供基于上述一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统的系统，包括以下步骤：
光束信号经光电探测器发送到锁相放大器，经低通滤波器滤除，将多余的谐波信号滤除，解调出对应的一次谐波信号与二次谐波信号；
二次谐波信号与一次谐波信号作比值，对获取的N2O进行浓度反演，信号采集卡获取并记录N2O气体浓度、两组谐波信号及其比值，在计算机上显示。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果
在对光学路径进行简化的同时，有效消除了光强抖动，提高探测精度及系统检测稳定性，并达到较低的系统检测限，满足对大气中N2O浓度进行检测的条件。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；
图中：1、信号板，2、激光器驱动器，3、激光器，4、指示光光源，5、同轴准直系统，6、离轴抛物面镜，7、角反射镜，8、光电探测器，9、锁相放大器，10、信号采集卡，11、计算机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorpt ionSpectroscopy,TDLAS)是常用的气体分析方法，主要是利用半导体激光器的可调谐性和窄线宽性，通过选择待测气体的某条特定的吸收光谱线进行测量，可排除其他气体的光谱的干扰，实现待测气体浓度的快速在线检测。其中的波长调制技术(Wavelength ModulationSpectroscopy，WMS)，是将一个高频正弦调制波叠加到低频锯齿扫描波上，以实现对激光器发射波长的调制作用。
波长调制技术是在驱动激光器的扫描信号上叠加了高频的正弦信号作为调制信号。由于在低频的扫描信号上叠加了高频正弦信号，那么在对N2O的浓度检测时，需要先对采集得到的信号进行解调，以通过提取吸收信号的二次谐波信号来表征气体浓度。正如背景技术中所描述的，在中心频率处，二次谐波信号的幅值会受到激光光强的影响，在实际测量过程中，窗片抖动、散射等因素都会影响光强，从而使得最终检测得到的N2O气体浓度值误差过大。
而为了获取与光强无关的吸收信号，提高系统的稳定性，以下实施例给出了一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统及方法，给出了一套基于量子级联激光器的N2O开放光路检测系统，其光学路径是由一个镀金膜的离轴抛物面镜和角反射镜构成的简单回路，简化了光路，避免了使用多个反射镜的复杂光路和信号能量的消耗；采用了一次谐波信号归一化波长调制检测(WMS-2f/1f)的谐波比率方法，运用中心频率处的二次谐波信号值与一次谐波信号值的比值，来消除激光器的影响，从而有效消除激光强度的波动，提升N2O气体浓度的检测结果准确度。
以下实施例运用中心频率处的二次谐波信号值与一次谐波信号值的比值，来消除激光器和前置放大器的影响，原理公式如下所示：
式中i0和i2分别为线性和非线性的激光强度调制幅度。
和
分别为相移的频率调制对激光强度的线性调制之比与非线性调制比。Hn为吸光系数的n阶傅里叶系数，S1f和S2f分别表示一次谐波信号和二次谐波信号计算公式，信号的幅值取决于探测增益G和平均激光强度
由公式(3)可知，以二次谐波信号幅度值与一次谐波信号幅度值作比值，可以发现，探测增益G和平均激光强度
被抵消，可以有效消除激光器光强抖动的影响。
实施例一：
如图1所示，一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，包括：
依次连接的信号板1、激光器驱动器2、激光器3和指示光光源4，激光器3发出的激光和指示光光源4发出的指示光经同轴准直系统5准直为同轴光源，同轴光源穿过离轴抛物面镜6，经过被测大气到达角反射镜7；角反射镜7反射后的光束再次经过被测大气，经离轴抛物面镜6反射后，发送给光电探测器8，光电探测器8将接收到的光束信号发送给数据处理模块实现N2O检测。
信号板1将高频调制信号叠加在低频扫描信号上发送给激光器驱动器2。
数据处理模块包括连接在一起的锁相放大器，信号采集卡和计算机。
本实施例中，激光器3为量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)。
系统分为三大部分：光源及控制模块，光电探测模块和数据处理模块，如图1所示。
光源及控制模块，包括量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)3，驱动器2，信号板1。信号板1将高频调制信号(10kHz正弦波)叠加在低频扫描信号(10Hz锯齿波)上，并将其发送到激光驱动器，以使QCL发射的激光在扫描过程中持续工作状态。QCL作为检测光源，对N2O进行探测，选择其发射的激光中心波长为2203.73cm-1。QCL的温度由驱动器控制，输出波长由驱动电流控制，使得激光器的波长调制到对应的N2O吸收线位置处。
光学探测模块，包括指示光，同轴准直系统5，离轴抛物面镜(镀金膜)6，角反射镜(镀金膜)7，光电探测器8。由于选择的QCL发射波长属于中红外光，为不可见光，因此，需要在系统中增加可见光进行辅助调节。在本系统中选择的指示光，是以发射波长为650nm的红光激光器，在光路中起到辅助调节作用。同轴准直系统由增透膜、全反膜和同轴系统直角调整架组成，适合搭建紧凑型系统。QCL发射的激光光束透过增透膜，指示光的激光光束由全反膜反射，两光束经准直后，以同轴的方式发射，并穿过带有孔的离轴抛物面镜6。通过被测大气N2O，被镀金的角反射镜7反射，反射的探测光束再次通过大气目标后，由离轴抛物面镜6进行准直。最后，传输的激光光束被HgCdTe光电探测器8(内置前置放大器)接收。
数据处理模块包括锁相放大器9，信号采集卡10和计算机11。经光电探测器8探测的信号被传送到一个信号板结构的数字锁相放大器，经低通滤波滤除作用，将多余的谐波信号滤除，从而解调出对应的一次谐波信号与二次谐波信号。根据公式(1)、(2)可知，一次谐波信号与二次谐波信号的幅度值均与激光器的探测增益G以及激光强度
有关，将二次谐波信号与一次谐波信号作比值，可以发现，激光器的探测增益G以及激光强度
两个量被抵消，因此可以达到消除激光器光强抖动对探测信号的影响。随后，由最小二乘法拟合的方式对探测的N2O进行浓度反演。由信号采集卡10记录(16位分辨率)两谐波信号及其比值、气体浓度等数据，并在计算机上由基于Labview的界面展示出来。
上述系统是基于量子级联激光器结合WMS-2f/1f技术的开放式光学路径传感器系统。在对光学路径进行简化的同时，通过WMS-2f/1f技术来有效消除光强抖动，提高探测精度及系统检测稳定性，并达到较低的系统检测限，完全满足对大气中N2O浓度进行检测的条件。该系统的设计可以实现实时、在线、持续检测区域内的N2O的浓度变化情况。此外，还可以更新不同波长的发射光源，以测量其他气体。
实施例二：
本实施例提供基于上述系统实现N2O检测的方法，包括以下步骤：
光束信号被光电探测器8发送到一个信号板结构的数字锁相放大器，经低通滤波的滤除作用，滤除多余的谐波信号，解调出对应的一次谐波信号与二次谐波信号；
根据公式(1)、(2)可知，一次谐波信号与二次谐波信号的幅度值均与激光器的探测增益G以及激光强度
有关，将二次谐波信号与一次谐波信号作比值，激光器的探测增益G以及激光强度
两个量被抵消，因此可以达到消除激光器光强抖动对探测信号的影响，再对探测的N2O进行浓度反演，由信号采集卡记录两组谐波信号及其比值、气体浓度等数据，并在计算机上显示。
上述过程在对光学路径进行简化的同时，有效消除了光强抖动，提高探测精度及系统检测稳定性，并达到较低的系统检测限，完全满足对大气中N2O浓度进行检测的条件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：包括依次连接的信号板、激光驱动器、激光器和指示光光源，信号板将调制信号与扫描信号叠加发送给激光驱动器，调制激光器发射的激光波长，激光器发出的激光和指示光光源发出的指示光经同轴准直系统准直为同轴光源；
还具有离轴抛物面镜和角反射镜，同轴光源穿过离轴抛物面镜，经过被测大气到达角反射镜；
还具有光电探测器和数据处理模块，角反射镜反射后的光束再次经过被测大气，经离轴抛物面镜反射后，发送给光电探测器，光电探测器将接收到的光束信号发送给数据处理模块处理实现N2O检测。
2.如权利要求1所述的一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：所述信号板将高频调制信号叠加在低频扫描信号上发送给激光器的驱动系统。
3.如权利要求1所述的一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：所述离轴抛物面镜具有孔，准直后的同轴光源穿过该孔。
4.如权利要求1所述的一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：所述离轴抛物面镜和角反射镜同轴布置。
5.如权利要求1所述的一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：所述离轴抛物面镜和角反射镜表面均镀金膜。
6.如权利要求1所述的一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：所述离轴抛物面镜和角反射镜之间的空间为待检测大气。
7.如权利要求1所述的一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：所述数据处理模块包括连接在一起的锁相放大器，信号采集卡和计算机。
8.如权利要求7所述的一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：所述锁相放大器接收光束信号解调出一次谐波信号与二次谐波信号。
9.如权利要求7所述的一种基于开放光路和波长调制的N2O检测系统，其特征在于：所述锁相放大器滤除多余的谐波信号。
10.基于权利要求1所述系统实现N2O检测的方法，包括以下步骤：
光束信号经光电探测器发送到锁相放大器，解调出对应的一次谐波信号与二次谐波信号；
二次谐波信号与一次谐波信号作比值，对获取的N2O进行浓度反演，信号采集卡获取并记录N2O气体浓度、两组谐波信号及其比值，在计算机上显示。
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