CN114062286B - 气体分析系统及气体分析方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种气体分析系统，该气体分析系统包括：光发射元件，该光发射元件发射由预定的调制频率调制的激光；光接收元件，该光接收元件：接收已经穿过测量目标气体的激光；在接收激光后，输出具有N阶频率的接收信号，该N阶频率为预定的调制频率的n倍，其中n为不小于2的整数；以及信号处理设备，该信号处理设备：通过从具有N阶频率的第一分量中去除第二分量来计算第三分量，其中第二分量是在激光从光发射元件到光接收元件的光路上产生的光学干涉噪声的分量并且具有与第一分量相同的频率；并且基于第三分量的大小计算测量目标气体的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体分析系统和一种气体分析方法。
背景技术
在用于分析测量目标气体的气体分析系统中，存在一种基于照射到测量目标气体的光的吸光度来测量测量目标气体的浓度的气体分析系统。在这种气体分析系统中，为了提高测量精度(灵敏度)，有时使用波长调制光谱法。波长调制光谱法是一种向测量目标气体照射由调制频率f调制的激光并且基于通过检测透射通过测量目标气体后的激光而获得的二阶谐波分量(2f分量)来测量测量目标气体的浓度的技术。
在波长调制光谱法中，通常通过计算2f分量与检测到的调制频率f的分量(1f分量)的比率并使光接收量标准化来测量测量目标气体的浓度。这是为了减少由测量目标气体以外的因素导致的激光的光接收量波动的影响。注意，波长调制光谱法有时也被称为2f检测。以下的专利文献1公开了使用波长调制光谱法来测量气体浓度的传统气体分析系统的一个示例。
专利文献
专利文献1：WO 2017/014097 A1
目前，在上述气体分析系统中，当激光穿过透镜或其它光学元件、窗口、薄膜等时，可能产生光学干涉噪声。该光学干涉噪声是由于例如激光在光学元件等内部进行多次反射而引起的干涉而产生的，该光学干涉噪声的大小取决于激光波长而周期性地变化。例如，正如法布里-珀罗标准具的透射率相对于波长呈周期性一样，光学干涉噪声的大小也相对于波长呈周期性。当存在这种光学干涉噪声时，存在测量目标气体的浓度的检出限恶化的问题。
发明内容
本发明的一个或多个实施例提供了一种气体分析系统和一种气体分析方法，其可以改进测量目标气体的浓度的检出限。
根据一个或多个实施例，一种气体分析系统包括：光发射元件，该光发射元件发射由预定的调制频率调制的激光；光接收元件，该光接收元件在所述激光穿过测量目标气体后接收所述激光；以及信号处理设备，该信号处理设备基于第三分量的大小计算所述测量目标气体的浓度，所述第三分量是从第一分量中去除第二分量而获得，所述第一分量为具有N阶频率(指包含在从所述光接收元件输出的接收信号中的调制频率的n倍的频率，n为不小于2的整数)的分量，所述第二分量是与所述第一分量具有相同的频率、在激光从所述光发射元件到所述光接收元件的光路上产生的光学干涉信号的分量。
此外，根据一个或多个实施例的气体分析系统设置有检测器，该检测器检测包含在所述接收信号中的第一分量的振幅和相位，并且所述信号处理设备设置有存储器和处理器，所述存储器存储所述第二分量的振幅和相位，所述处理器通过使用所述检测器检测到的第一分量的振幅和相位以及所述存储器中存储的第二分量的振幅和相位来执行从所述第一分量中去除所述第二分量的计算，以计算所述第三分量。
此外，在根据一个或多个实施例的气体分析系统中，所述检测器除了检测所述第一分量之外还检测基波分量，该基波分量为包含在所述接收信号中的、具有与调制频率相同的频率的分量，并且所述处理器基于所述第三分量的振幅与基波分量的振幅的比率计算测量目标气体的浓度。
此外，在根据一个或多个实施例的气体分析系统中，存储在所述存储器中的第二分量的振幅和相位是所述检测器在所述激光的光路上不存在测量目标气体时或所述激光的光路上的测量目标气体的浓度足够低的状态下检测到的所述第一分量的振幅和相位。
或者，在根据一个或多个实施例的气体分析系统中，存储在所述存储器中的第二分量的振幅和相位是通过使用所述检测器在所述测量目标气体以已知的第一浓度存在于所述激光的光路上时检测到的第一分量的振幅和相位和所述检测器在所述测量目标气体以已知的第二浓度存在于所述激光的光路上时检测到的第一分量的振幅和相位进行预定计算而获得的振幅和相位。
或者，在根据一个或多个实施例的气体分析系统中，存储在所述存储器中的第二分量的振幅和相位是所述检测器在所述激光的光程被设置为预先规定的参考长度时检测到的第一分量的振幅和相位，所述处理器在基于所述检测器在所述激光的光程未被设置为参考长度时检测到的基波分量的相位和所述检测器在所述激光的光程被设置为参考长度时检测到的基波分量的相位之间的差值来校正所述检测器在所述激光的光程未被设置为参考长度时检测到的第一分量的相位后，通过执行从所述第一分量中去除所述第二分量的计算来计算所述第三分量。
根据一个或多个实施例的一种气体分析方法具有：发射由预定的调制频率调制的激光的第一步骤；通过在所述激光穿过测量目标气体后接收所述激光来获得接收信号的第二步骤；通过从第一分量中去除第二分量来获得第三分量的第三步骤，所述第一分量为具有N阶频率(即包含在所述接收信号中的调制频率的n倍，n为不小于2的整数)的分量，所述第二分量是与所述第一分量具有相同的频率、在所述激光的光路上产生的光学干涉信号的分量；以及基于所述第三分量的大小计算所述测量目标气体的浓度的第四步骤。
此外，根据一个或多个实施例的气体分析方法还包括：在测量所述测量目标气体之前预先计算所述第二分量的步骤。
一个或多个实施例可以改进所述测量目标气体的浓度的检出限。
附图说明
图1是示出了根据第一实施例的气体分析系统的主要部件的配置的框图。
图2是用于描述在第一实施例中的处理器中执行的处理的图。
图3是示出了根据第一实施例的气体分析方法的流程图。
图4A和图4B是示出了根据第一实施例的气体分析系统的测量结果的图。
图5是用于描述在第二实施例中计算2f噪声分量的方法的图。
图6是示出了根据第三实施例的气体分析方法的流程图。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述根据本发明的一个或多个实施例的气体分析系统和气体分析方法。以下，首先描述本发明实施例的概述。之后，描述每个实施例的细节。
[概述]
一个或多个实施例能够改进测量目标气体的浓度的检出限。例如，即使在测量目标气体的浓度较低的情况下，一个或多个实施例也能够以高精度测量测量目标气体的浓度。换句话说，即使在理论上求出的检出限附近，一个或多个实施例也能够以高精度测量测量目标气体的浓度。
在波长调制光谱法中，检测到的二阶谐波分量(2f分量)的振幅大小由下面的公式(1)表示。
[数学公式1]
在上述公式(1)中，IS是2f分量的振幅大小(RMS：均方根)此外，s是指示光接收元件的灵敏度的系数，Pdc是激光的接收功率，k2是由激光的调制频率决定的常数。此外，α0是测量目标气体的中心波长的吸光度，CR是测量目标气体的气体浓度。
此外，检测到的2f分量的噪声IN由下面的公式(2)表示。
[数学公式2]
在上述公式(2)中，RIN是激光源的相对强度噪声，Idark是光接收元件的暗电流。此外，e是基本电荷，kB是玻尔兹曼常数，T是光接收元件的温度，Rsh是光接收元件的分流电阻，Δt是用于检测2f分量的锁相放大器的时间常数。
当信噪比(SN比：信噪比)为“1”时，测量目标气体的浓度的检出限CR limit由以下公式(3)指示。
[数学公式3]
这里，在指示2f分量的噪声IN的上述公式(2)和指示测量目标气体的浓度的检出限CR limit的上述公式(3)中，不考虑光学干涉噪声。光学干涉噪声是当激光穿过透镜或其它光学元件、窗口、薄膜等时产生的。例如，光学干涉噪声由于例如激光在光学元件等内部进行多次反射而引起的干涉而产生，光学干涉噪声的大小取决于激光的波长或光学元件的厚度等而周期性地变化。这样，例如，当由于光学元件的厚度等而使光学干涉噪声的半峰全宽和测量目标气体的吸收光谱的半峰全宽处于相同水平时，难以分离光学干涉噪声和测量目标气体的吸收光谱。
这种光学干涉噪声可以通过例如应用以下措施(光学措施)来去除(或降低)。
·在作为原因的光学元件等的入射面和出射面上形成抗反射膜(AR膜)
·使作为原因的光学元件等的入射面和出射面相对于激光的光路倾斜
·将吸收光谱的FWHM(半峰全宽)和光学干涉周期设计为不相同的水平
然而，应用这些措施存在缺点，例如成本增加、配置复杂、设计自由度降低和调节繁琐。
在一个或多个实施例中，首先，发射由预定的调制频率调制的激光，并且通过在激光穿过测量目标气体后接收激光来获得接收信号。接下来，从第一分量去除第二分量来获得第三分量，第一分量为具有N阶频率(即包含在所述接收信号中的调制频率的n倍，n为不小于2的整数)的分量，第二分量为与第一分量具有相同的频率、在激光的光路上产生的光学干涉信号的分量。然后，基于第三分量的大小求出测量目标气体的浓度。这使得能够改进测量目标气体的浓度的检出限，而不会引起例如成本增加、配置复杂、设计自由度降低和调节繁琐等缺点。
[第一实施例]
＜气体分析系统＞
图1是示出了根据第一实施例的气体分析系统的主要部件的配置的框图。如图1所示，本发明实施例的气体分析系统1设置有气体分析设备10以及被称为处理单元的信号处理设备20，并且使用波长调制光谱法来测量测量目标气体GS的浓度。例如，本实施例的气体分析系统1向测量目标气体GS照射由调制频率f调制的激光，并且基于检测到的二阶谐波分量(2f分量)测量测量目标气体GS的浓度。
气体分析设备10设置有信号发生器11、驱动电路12、半导体激光器13(光发射元件)、光学放大器14、透镜15、透镜16、光检测器17(光接收元件)、放大器18以及锁相放大器19(检测器)。这种气体分析设备10执行照射到测量目标气体GS的激光的发射、经过测量目标气体GS的激光的接收、包含在接收信号中的调制频率f的分量(1f分量)和2f分量的检测等。
在信号处理设备20的控制下，信号发生器11输出用于控制驱动电路12的控制信号CS以及在锁相放大器19中使用的参考信号RS。从信号发生器11输出的参考信号RS与从信号发生器11输出的控制信号CS同步。例如，可以使用任意波形发生器或函数生成器作为该信号发生器11。
根据从信号发生器11输出的控制信号CS，驱动电路12输出用于驱动半导体激光器13的驱动信号。从驱动电路12输出的驱动信号例如是其中调制频率f的交流电流叠加在具有一定大小(振幅)的直流电流上的信号。注意，调制频率f的交流电流可以是例如正弦或非正弦的。
半导体激光器13由输出自驱动电路12的驱动信号驱动，并且发射照射到测量目标气体GS的激光。从半导体激光器13发射的激光例如是其中调制的中心波长为测量目标气体GS的吸收光谱的中心波长并且波长调制宽度(调制频率f)为测量目标气体GS的吸收光谱的FWHM的2.2倍的激光。从半导体激光器13发射的激光的波长调制宽度(调制频率f)可以不小于测量目标气体GS的吸收光谱的FWHM的1倍、2倍或10倍。注意，例如可以使用QCL(量子级联激光器)或ICL(带间级联激光器)作为半导体激光器13。
光学放大器14对从半导体激光器13发射的激光进行放大。例如，可以使用光纤放大器或半导体光学放大器作为该光学放大器14。透镜15将穿过光学放大器14的激光转换为平行光。可以使用准直透镜作为这样的透镜15。注意，也可以使用另一光学元件(例如，抛物面镜)来代替透镜15，只要该光学元件能够将穿过光学放大器14的激光转换为平行光即可。
经透镜15准直的激光照射到测量目标气体GS。在照射到测量目标气体GS的激光中，透射通过测量目标气体GS的一部分被散射体SM(例如壁)反射。然后，该部分再次透射通过测量目标气体GS并入射到透镜16上。注意，气体分析设备10和散射体SM之间的距离可以是任何距离，但是被设置为例如不大于约100m。
透镜16将穿过测量目标气体GS的激光聚集在光检测器17上。可以使用聚光透镜作为这样的透镜16。注意，也可以使用另一光学元件(例如，抛物面镜)来代替透镜16，只要该光学元件能够将穿过测量目标气体GS的激光聚集在光检测器17上即可。光检测器17将由透镜16聚集的激光转换成电信号，并将该电信号作为接收信号输出。例如，可以使用PD(光电二极管)作为该光检测器17。
放大器18对从光检测器17输出的接收信号进行放大。放大器18的放大率例如响应于入射到光检测器17上的激光强度而被设置为适当的放大率。当光检测器17是PD时，可以使用将作为接收信号从光检测器17输出的光电流转换为电压的IV转换电路作为放大器18。
锁相放大器19使用从信号发生器11输出的参考信号RS，从由放大器18放大的接收信号中检测特定频率分量。例如，锁相放大器19使用从信号发生器11输出的参考信号RS来执行相敏检测，并从由放大器18放大的接收信号中检测1f分量(基波分量)和2f分量(第一分量)。
信号处理设备20设置有存储器21、处理器22以及输出单元23。信号处理设备20控制气体分析设备10的运行，并使用气体分析设备10的检测结果(锁相放大器19的检测结果)来测量测量目标气体GS的浓度。信号处理设备20例如由计算机(例如个人计算机)来实现。
存储器21存储了在从半导体激光器13到光检测器17的激光光路上产生的光学干涉噪声的预定分量(第二分量)。例如，存储器21存储了光学干涉噪声的分量中与2f分量具有相同频率的分量(以下称为“2f噪声分量”)的振幅R0和相位θ0。注意，相位θ0是以从信号发生器11输出的参考信号RS的相位为基础的相位。这里，存储在存储器21中的振幅R0和相位θ0是例如锁相放大器19在出射自气体分析设备10的激光的光路上不存在测量目标气体GS时(或激光光路上的测量目标气体GS的浓度足够低时)检测到的2f分量的振幅和相位。这里，“测量目标气体GS的浓度足够低”是指激光光路上的测量目标气体GS的浓度足够低于在浓度测量时激光光路上的测量目标气体GS的浓度；该浓度可以低于气体分析系统1的检出限。
处理器22使用气体分析设备10的检测结果(锁相放大器19的检测结果)以及存储在存储器21中的2f噪声分量的振幅R0和相位θ0来计算测量目标气体GS的浓度。例如，处理器22执行从由锁相放大器19检测到的2f分量的振幅R2f和相位θ2f中去除存储在存储器21中的2f噪声分量的振幅R0和相位θ0的计算。处理器22由此计算从2f分量中去除了2f噪声分量的分量(以下称为“去除噪声的2f分量”；第三分量)的振幅R′2f。
例如，处理器22执行以下公式(4)所示的计算以计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f。
[数学公式4]
图2是用于描述在第一实施例中的处理器中执行的处理的图。图2所示的图是其中横轴是锁相放大器19的X输出而纵轴是其Y输出的图。注意，图2所示的图也可以看作是复平面的图，其中横轴是实轴，纵轴是虚轴。在图2中，将2f分量表示为矢量V2f，将2f噪声分量表示为矢量V0。此外，将去除噪声的2f分量表示为矢量V′2f。
注意，矢量V2f的长度指示2f分量的振幅R，并且矢量V2f相对于正实轴的逆时针旋转角指示2f分量的相位θ。此外，矢量V0的长度指示2f噪声分量的振幅R0，并且矢量V0相对于正实轴的逆时针旋转角指示2f分量的相位θ0。同样，矢量V′2f的长度指示去除噪声的2f分量的振幅R′2f，并且矢量V′2f相对于正实轴的逆时针旋转角指示去除噪声的2f分量的相位。
如图2所示，将锁相放大器19检测到的2f分量(图2中的矢量V2f)表示为去除噪声的2f分量(图2中的矢量V′2f)和2f噪声分量(矢量V0)的和。注意，去除噪声的2f分量(图2中的矢量V′2f)是不受2f噪声分量影响的原始2f分量。处理器22使用上述公式(4)，从由锁相放大器19检测到的2f分量(图2中的矢量V2f)减去矢量V0来计算原始2f分量(图2中的矢量V′2f)的长度(去除噪声的2f分量的振幅R′2f)。
此外，处理器22基于由锁相放大器19检测到的去除噪声的2f分量的振幅R′2f相对于1f分量的振幅R1f的比率R′2f/R1f来测量测量目标气体GS的浓度。这里，基于上述比率测量测量目标气体GS的浓度，以减小由测量目标气体以外的因素导致的激光的光接收量波动的影响。
输出单元23将处理器22的计算结果输出至外部。例如，输出单元23输出指示由处理器22测量的测量目标气体GS的浓度的信息。注意，除了指示测量目标气体GS的浓度的信息以外，输出单元23还可以输出指示2f分量的信息、指示1f分量的信息、指示2f噪声分量的信息等各种信息。输出单元23可以向外部输出指示上述信息的信号，或者通过显示上述信息来执行向外部的输出。
＜气体分析方法＞
图3是示出了根据第一实施例的气体分析方法的流程图。首先，在测量测量目标气体GS之前，执行获取2f噪声分量的振幅R0和相位θ0的处理。
例如，在不存在测量目标气体GS时，在气体分析设备10中执行发射由调制频率f调制的激光、由光检测器17检测由散射体SM反射的激光以及由锁相放大器19检测从光检测器17输出的接收信号的处理。然后，在信号处理设备20中执行获取由锁相放大器19检测到的2f分量的振幅和相位(步骤S11)以及将所获取的2f分量的振幅和相位作为振幅R0和相位θ0存储在存储器21中的处理(步骤S12)。
接下来，测量测量目标气体GS。例如，在存在测量目标气体GS的状态下，在气体分析设备10种执行发射由调制频率f调制的激光(第一步骤)、通过光检测器17检测穿过测量目标气体GS的激光来获得接收信号(第二步骤)以及通过锁相放大器19检测接收信号(第三步骤)的处理。然后，在信号处理设备20中执行获取由锁相放大器19检测到的测量目标气体的1f分量的振幅R1f以及2f分量的振幅R2f和相位θ2f的处理(步骤S13)。
接下来，在处理器22中执行进行由以上公式(4)指示的计算以计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f的处理(步骤S14；第三步骤)。例如，在处理器22中执行通过将在步骤S12存储在存储器21中的振幅R0和相位θ0以及在步骤S13获取的2f分量的振幅R2f和相位θ2f代入上述公式(4)来计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f的处理。
接下来，在处理器22中执行通过计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f相对于在步骤S13获得的1f分量的振幅R1f的比率R′2f/R1f来计算测量目标气体GS的浓度的处理(步骤S15；第四步骤)。然后，从输出单元23输出指示由处理器22测量的测量目标气体GS的浓度的信息。随后，以预先规定的一定时间间隔重复执行步骤S13至S15的处理。
图4是示出了根据第一实施例的气体分析系统的测量结果的图。图4所示的测量结果是测量作为测量目标气体的甲烷(CH4)气体的结果；图4A是示出了本实施例的气体分析系统1的测量结果的图，图4B是示出了传统气体分析系统的测量结果的图。注意，图4A所示的测量结果指示一方面的去除噪声的2f分量和1f分量之间的振幅比R′2f/R1f与另一方面的甲烷气体的浓度之间的关系，图4B所示的测量结果指示一方面的2f分量和1f分量之间的振幅比R2f/R1f与另一方面的甲烷气体浓度之间的关系。
参照图4B所示的测量结果，当浓度不大于100ppmm时，示出了一方面的2f分量和1f分量之间的振幅比R2f/R1f与另一方面的甲烷气体浓度之间的关系的图的线性受到破坏。由此可以理解，传统上，当测量目标气体的浓度不大于100ppmm时，不能精确地测量该浓度。相比之下，参照图4A所示的测量结果，即使浓度不大于100ppmm，示出了一方面的去除噪声的2f分量和1f分量之间的振幅比R′2f/R1f与另一方面的甲烷气体浓度之间的关系的图的线性也得以维持。由此可以理解，在本实施例中，即使在测量目标气体的浓度较低时，也能够精确地测量该测量目标气体的浓度。
如上所述，在本实施例中，首先，发射由预定的调制频率调制的激光，并且通过在激光穿过测量目标气体后接收该激光来获得接收信号。接下来，从包含在接收信号中的2f分量去除在激光的光路上产生的2f噪声分量，以获得去除噪声的2f分量。然后，基于去除噪声的2f分量的大小求出测量目标气体GS的浓度。这使得能够改进测量目标气体GS的浓度的检出限，而不会引起例如成本增加、配置复杂、设计自由度降低和调节繁琐等缺点。
以这种方式，通过不仅使用振幅信息而且使用相位信息，本实施例可以去除具有设定相位的分量，例如光学干涉噪声。这使得能够精确地测量直至由半导体激光器13的RIN(相对强度噪声)和电路(例如放大器18)的白噪声确定的检出限水平的测量目标气体GS的浓度。
[第二实施例]
接下来，描述第二实施例。本实施例中的气体分析系统具有类似于图1所示的气体分析系统1的配置。本实施例与上述第一实施例的不同之处在于2f噪声分量的振幅R0和相位θ0的获取方法。换句话说，本实施例与第一实施例的不同之处在于图3所示的步骤S11、S12的处理。
在上述第一实施例中，在图3所示的步骤S11的处理中，在从气体分析设备10发射的激光的光路上不存在测量目标气体GS时获取由锁相放大器19检测到的2f分量的振幅和相位。然后，在图3所示的步骤S12的处理中，将所获取的2f分量的振幅和相位作为2f噪声分量的振幅R0和相位θ0存储在存储器21中。
相比之下，本实施例获取在测量目标气体GS以已知的第一浓度存在于激光的光路上时由锁相放大器19检测到的2f分量的振幅和相位。本实施例还获取在测量目标气体GS以已知的第二浓度存在于激光的光路上时由锁相放大器19检测到的2f分量的振幅和相位。然后，使用所获取的两个振幅和相位以及测量目标气体GS的浓度(第一浓度、第二浓度)，通过计算求出2f噪声分量的振幅R0和相位θ0。
当计算2f噪声分量的振幅R0和相位θ0时，可以在激光的光路上设置封闭有测量目标气体GS的两种类型的气室。例如，通过在激光的光路上交替地设置封闭有上述第一浓度的测量目标气体GS的气室和封闭有上述第二浓度的测量目标气体GS的气室，获取由锁相放大器19检测到的2f分量的振幅和相位。
图5是用于描述在第二实施例中计算2f噪声分量的方法的图。注意，在图5中，与图2一样，横轴是锁相放大器19的X输出，纵轴是其Y输出。注意，与图2一样，图5所示的图也可以看作是复平面的图，其中横轴是实轴，纵轴是虚轴。
在图5中，将锁相放大器19在测量目标气体GS以已知的第一浓度存在于激光的光路上时检测到的2f分量表示为矢量V12f。此外，将锁相放大器19在测量目标气体GS以已知的第二浓度存在于激光的光路上时检测到的2f分量表示为矢量V22f。此外，将2f噪声分量表示为矢量V0。
注意，图5中的矢量V1′2f指示在测量目标气体GS以第一浓度存在时未受2f噪声分量影响的原始2f分量。此外，矢量V2′2f指示在测量目标气体GS以第二浓度存在时未受2f噪声分量影响的原始2f分量。矢量V1′2f的长度(振幅)是与测量目标气体GS的第一浓度对应的长度。同样地，矢量V2′2f的长度(振幅)是与测量目标气体GS的第二浓度对应的长度。将测量目标气体GS的第一浓度称为d1，将测量目标气体GS的第二浓度称为d2。
信号处理设备20通过执行以下公式(5)所示的计算来计算2f噪声分量(矢量V0)。
[数学公式5]
注意，矢量V0的长度为2f噪声分量的振幅R0，并且矢量V0相对于正实轴的逆时针旋转角为2f噪声分量的相位θ0。在存储器21中存储以这种方式求出的2f噪声分量的振幅R0和相位θ0。
如上所述，本实施例与上述第一实施例的不同之处仅在于2f噪声分量的振幅R0和相位θ0的获取方法。同样在本实施例中，与第一实施例一样，从包含在接收信号中的2f分量中去除在激光的光路上产生的2f噪声分量以获得去除噪声的2f分量，并且基于去除噪声的2f分量的大小来求出测量目标气体GS的浓度。这使得能够改进测量目标气体GS的浓度的检出限，而不会引起例如成本增加、配置复杂、设计自由度降低和调节繁琐等缺点。
[第三实施例]
接下来，描述第三实施例。本实施例中的气体分析系统具有类似于图1所示的气体分析系统1的配置。本实施例和上述第一实施例的不同之处在于2f噪声分量的振幅R0和相位θ0的获取方法以及由处理器22执行的计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f的处理。本实施例针对调制频率较高并且测量距离(激光的光程)发生各种变化的情况。
当调制频率较高并且测量距离(激光的光程)发生各种变化时，激光(由光检测器17检测的激光)相对于在锁相放大器19中使用的参考信号RS的相位发生变化。本实施例能够通过校正这种相变来改进测量目标气体GS的浓度的检出限。
在本实施例中，存储器21存储当激光的光程被设置为预先规定的参考长度(例如，0m)时获得的1f分量的相位θ01f以及2f噪声分量的振幅R02f和相位θ02f。注意，在本实施例中，将2f噪声分量的振幅和相位写成“振幅R02f”和“相位θ02f”，以与第一和第二实施例中的2f噪声分量的振幅R0和相位θ0进行区分。相位θ01f、θ02f是以从信号发生器11输出的参考信号RS的相位为基础的相位。
在本实施例中，处理器22计算在激光的光程未被设置为参考长度时获得的1f分量的相位θ1f与在激光的光程被设置为参考长度时获得的1f分量的相位θ01f之间的相位差此外，处理器22使用气体分析设备10的检测结果(锁相放大器19的检测结果)以及存储在存储器21中的2f噪声分量的振幅R02f和相位θ02f来计算测量目标气体GS的浓度。
例如，处理器22执行从由锁相放大器19检测到的2f分量的振幅R2f和相位θ2f中去除存储在存储器21中的2f噪声分量的振幅R02f和相位θ02f的计算。此时，考虑到1f分量的上述相位差处理器22对2f分量的相位θ2f进行校正。
例如，处理器22执行以下公式(6)所示的计算以计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f。
[数学公式6]
图6是示出了根据第三实施例的气体分析方法的流程图。首先，在测量测量目标气体GS之前，执行在激光的光程被设置为参考长度的情况下获取1f分量的相位θ01f以及2f噪声分量的振幅R02f和相位θ02f的处理。注意，作为将激光的光程设置为参考长度的方法，例如，可以提及将夹具设置在激光的光路上的方法。
在气体分析设备10中执行处理：在激光的光程被设置为参考长度的状态下，发射由调制频率f调制的激光；由光检测器17检测例如被夹具反射的激光；并且由锁相放大器19检测从光检测器17输出的接收信号。然后，在信号处理设备20中执行获取由锁相放大器19检测到的1f分量的相位以及2f分量的振幅和相位的处理(步骤S21)。此外，在信号处理设备20中执行在存储器21中存储所获取的1f分量的相位作为θ01f并且在存储器21中存储所获取的2f分量的振幅和相位作为振幅R02f和相位θ02f的处理(步骤S22)。
接下来，测量测量目标气体GS。例如，在上述夹具从激光的光路中移除并且测量目标气体GS存在于激光的光路中的状态下，在气体分析设备10中执行发射由调制频率f调制的激光(第一步骤)、通过光检测器17检测穿过测量目标气体GS的激光来获得接收信号(第二步骤)以及通过锁相放大器19检测接收信号(第三步骤)的处理。然后，在信号处理设备20中执行获取由锁相放大器19检测到的测量目标气体的1f分量的振幅R1f和相位θ1f以及2f分量的振幅R2f和相位θ2f的处理(步骤S23)。
接下来，在处理器22中执行计算在步骤S23获取的1f分量的相位θ1f与存储在存储器21中的1f分量的相位θ01f之间的相位差的处理(步骤S24)。接下来，考虑到1f分量的相位差/>在处理器22中执行进行由以上公式(6)指示的计算，以计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f的处理(步骤S25；第三步骤)。例如，在处理器22中执行通过将在步骤S22存储在存储器21中的振幅R02f和相位θ02f、在步骤S23获取的2f分量的振幅R2f和相位θ2f以及在步骤S24计算出的相位差/>代入上述公式(6)来计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f的处理。
接下来，在处理器22中执行通过计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f相对于在步骤S23获得的1f分量的振幅R1f的比率R′2f/R1f来计算测量目标气体GS的浓度的处理(步骤S26；第四步骤)。然后，从输出单元23输出指示由处理器22测量的测量目标气体GS的浓度的信息。随后，以预先规定的一定时间间隔重复执行步骤S23至S26的处理。
如上所述，本实施例和上述第一实施例的不同之处仅在于2f噪声分量的振幅R02f和相位θ02f的获取方法以及由处理器22执行的计算去除噪声的2f分量的振幅R′2f的处理。同样在本实施例中，与第一实施例一样，从包含在接收信号中的2f分量中去除在激光的光路上产生的2f噪声分量以获得去除噪声的2f分量，并且基于去除噪声的2f分量的大小来求出测量目标气体GS的浓度。这使得能够改进测量目标气体GS的浓度的检出限，而不会引起例如成本增加、配置复杂、设计自由度降低和调节繁琐等缺点。
此外，本实施例计算在激光的光程未被设置为参考长度时获得的1f分量的相位θ1f与在激光的光程被设置为参考长度时获得的1f分量的相位θ01f之间的相位差并校正2f分量的相位θ2f。这使得即使当调制频率较高并且测量距离(激光的光程)发生各种变化时，也能够改进测量目标气体GS的浓度的检出限。
以上描述了根据一个或多个实施例的气体分析系统和气体分析方法。然而，本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明的范围内自由地修改。例如，上述实施例描述了基于激光的调制频率f的二阶谐波分量(2f分量)来测量测量目标气体GS的浓度的情况。然而，测量目标气体GS的浓度可以基于激光的调制频率f的n阶谐波分量(n是不小于3的整数)来测量。
此外，上述实施例描述了通过锁相放大器19检测包含在从光检测器17输出的接收信号中的1f分量和2f分量的示例。然而，可以省略锁相放大器19，并且信号处理设备20可以配备有锁相放大器19的功能，从而使信号处理单元检测包含在接收信号中的1f分量和2f分量。或者，信号处理设备20可以配备有FFT(快速傅立叶变换)功能来代替锁相放大器19的功能，从而使信号处理单元检测包含在接收信号中的1f分量和2f分量。
注意，在上述实施例的气体分析系统中设置的信号处理设备20的功能可以通过在计算机上安装实现这些功能的程序而作为软件来实现。也就是说，信号处理设备20的功能可以通过软件和硬件资源之间的协作来实现。注意，信号处理设备20的功能可以使用例如FPGA(现场可编程门阵列)、LSI(大规模集成)或ASIC(专用集成电路)的硬件来实现。
尽管本公开仅针对有限数量的实施例进行了描述，但是本领域的技术人员在受益于本公开的情况下将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下可以设计各种其他实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限定。
1 气体分析系统
13 半导体激光器
17 光检测器
19 锁相放大器
20 信号处理设备
21 存储器
22 处理器
f 调制频率
GS 测量目标气体
Claims (3)
1.一种气体分析系统，包括：
光发射元件，该光发射元件发射由预定的调制频率调制的激光；
光接收元件，该光接收元件：
接收已经穿过测量目标气体的所述激光；并且
在接收所述激光后，输出具有N阶频率的接收信号，所述N阶频率为所述预定的调制频率的n倍，其中n是不小于2的整数；
检测器，该检测器检测具有所述N阶频率并且包含在所述接收信号中的第一分量的振幅和相位；以及
信号处理设备，该信号处理设备：
通过从所述第一分量中去除第二分量来计算第三分量，其中，所述第二分量是在所述激光从所述光发射元件到所述光接收元件的光路上产生的光学干涉噪声的分量并且具有与所述第一分量相同的频率；并且
基于所述第三分量的大小计算所述测量目标气体的浓度，
其中，所述信号处理设备包括：
存储器，该存储器存储所述第二分量的振幅和相位，以及
处理器，该处理器使用由所述检测器检测到的所述第一分量的振幅和相位以及存储在所述存储器中的所述第二分量的振幅和相位来执行从所述第一分量中去除所述第二分量的计算，以计算所述第三分量，
除了所述第一分量之外，所述检测器还检测基波分量，该基波分量为包含在所述接收信号中的、具有与所述调制频率相同的频率的分量，
所述处理器基于所述第三分量的振幅与所述基波分量的振幅的比率来计算所述测量目标气体的浓度，
存储在所述存储器中的所述第二分量的所述振幅和所述相位是所述检测器在所述激光的光程被设置为预先规定的参考长度时检测到的所述第一分量的振幅和相位，并且
所述处理器在基于所述检测器在所述激光的光程未被设置为所述参考长度时检测到的所述基波分量的相位和所述检测器在所述激光的光程被设置为所述参考长度时检测到的所述基波分量的相位之间的差值来校正所述检测器在所述激光的光程未被设置为所述参考长度时检测到的所述第一分量的相位后，通过执行从所述第一分量中去除所述第二分量的计算来计算所述第三分量。
2.一种气体分析方法，包括：
发射由预定的调制频率调制的激光；
接收已经穿过测量目标气体的所述激光；
在接收所述激光后，获得具有N阶频率的接收信号，所述N阶频率为所述预定的调制频率的n倍，其中n是不小于2的整数；
检测具有所述N阶频率并且包含在所述接收信号中的第一分量的振幅和相位；
通过从所述第一分量中去除第二分量来计算第三分量，其中，所述第二分量是在所述激光的光路上产生的光学干涉噪声的分量并且具有与所述第一分量相同的频率；
基于所述第三分量的大小计算所述测量目标气体的浓度；
存储所述第二分量的振幅和相位；
使用检测到的所述第一分量的振幅和相位以及所存储的所述第二分量的振幅和相位来执行从所述第一分量中去除所述第二分量的计算，以计算所述第三分量；
检测基波分量，该基波分量为包含在所述接收信号中的、具有与所述调制频率相同的频率的分量；
基于所述第三分量的振幅与所述基波分量的振幅的比率来计算所述测量目标气体的浓度；
其中，所存储的所述第二分量的所述振幅和所述相位是在所述激光的光程被设置为预先规定的参考长度时检测到的所述第一分量的振幅和相位，并且
其中，计算所述第三分量包括：在基于在所述激光的光程未被设置为所述参考长度时检测到的所述基波分量的相位和在所述激光的光程被设置为所述参考长度时检测到的所述基波分量的相位之间的差值来校正在所述激光的光程未被设置为所述参考长度时检测到的所述第一分量的相位后，执行从所述第一分量中去除所述第二分量。
3.根据权利要求2所述的气体分析方法，还包括：在测量所述测量目标气体之前计算所述第二分量。
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| 基于STM32和FPGA的激光甲烷检测系统设计;范松涛;周燕;潘教青;张强;曹忆南;;传感器与微系统(10);全文 * |
| 高灵敏度激光吸收光谱中的微弱信号处理;孙义;谈图;高晓明;;应用光学;20080315(02);全文 * |
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