CN114397271A - 一种光谱分析温室气体的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱分析温室气体的检测装置及方法，装置包括：N个激光器；其中，N为大于1的整数；激光器控制电路板，用于产生N路低频三角波信号和N路正弦波调制信号，以分时驱动N个激光器；N路低频三角波信号的频率相同且不同步；激光器控制电路板包括驱动电路及其连接的N个并联的信号波发生器，还包括与N个信号波发生器一一对应连接的N个并联的加法器，加法器与激光器一一对应连接；其中，信号波发生器包括并联的低频三角波发生器和高频正弦波发生器；光纤耦合器分别与N个激光器连接；气体吸收池与光纤耦合器连接；光电检测器接收气体吸收池出射的激光，之后通过信号处理电路得到待测气样中各温室气体的浓度信息。本发明的检测效率高。

Description

一种光谱分析温室气体的检测装置及方法

技术领域

本发明属于光谱技术领域，具体涉及一种光谱分析温室气体的检测装置及方法。

背景技术

温室气体，对地球热量平衡具有重要影响，使地球表面变暖；温室气体主要包括水汽(H₂O)、二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N₂O)、卤代烃化合物(CFCs、HFCs、HCFCs)、全氟碳化物(PFCS)及六氟化硫(SF₆)等。其中，CO₂、CH₄、N₂O对温室效应的贡献最大，据统计，上述三种气体对全球变暖总体贡献约为76％。因此，环境空气中温室气体的高精度在线监测，成为当前研究的热点。

目前，温室气体的常用检测技术有光腔衰荡光谱法、离轴积分腔输出光谱法、气相色谱法、非分散红外光谱吸收法、傅里叶红外光谱吸收法、激光外差光谱技术、卫星遥感监测、走航监测等。但是，上述常用检测技术存在测量系统复杂、测量精度不高或响应速度慢等不足。而且，环境空气中温室气体的含量较低，因此，需要开展高精度、高灵敏度、快速响应和可靠稳定的在线监测技术研究。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术测量气体含量作为一类应用广泛和优势明显的监测技术，受到广泛关注。TDLAS技术按照目标被测气体吸收谱线所在位置，分为近红外测量和中红外测量两种，近红外波段对应气体分子的泛频吸收带，而中红外波段覆盖气体的基频吸收带，其吸收强度一般比近红外波段高2～3个量级，可用于微量气体检测。

现有技术中，关于基于TDLAS技术在线监测环境中温室气体的研究较少，例如，公开号为CN101089609A的专利文献公开的多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统和方法，其利用外腔调谐半导体激光器和非线性差频转换方法实现近红外和中红外谱段宽调谐范围连续激光光源的输出，能够实现多组分、全谱带的气体高分辨激光吸收光谱测量。但是，其未具体公开如何实现激光器波长的分时扫描。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种光谱分析温室气体的检测装置及方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种光谱分析温室气体的检测装置，包括：

N个激光器；其中，N为大于1的整数；

激光器控制电路板，用于产生N路低频三角波信号和N路正弦波调制信号，以分时驱动N个激光器；N路低频三角波信号的频率相同且不同步；激光器控制电路板包括驱动电路及其连接的N个并联的信号波发生器，还包括与N个信号波发生器一一对应连接的N个并联的加法器，加法器与激光器一一对应连接；其中，信号波发生器包括并联的低频三角波发生器和高频正弦波发生器；

光纤耦合器，其输入端分别与N个激光器连接；

气体吸收池，其光路入射口与光纤耦合器的输出端连接；

光电检测器，用于接收从气体吸收池出射的激光并进行光电转换，输出检测信号；

信号处理电路，用于对检测信号依次经过流压转换器、锁相放大器处理得到二次谐波信号，并根据谐波信号峰值与气体浓度的标准函数关系，得到待测气样中各温室气体的浓度信息。

作为优选方案，所述N个激光器中的第i个激光器的驱动电流I_i满足以下条件：

其中，ω为正弦波调制频率；

为第i个激光器对应的锁相相位，取值为0～360°；a_i、b_i、c_i、d_i为第i个激光器对应的三角波调制系数系数，分别对应三角波偏置、三角波上升斜率、三角波峰值、三角波下降斜率；T为一个周期。

作为优选方案，对于N个激光器的驱动，相邻驱动的激光器对应的三角波信号的调制之间具有预设的间隔。

作为优选方案，所述N路正弦波调制信号共用一路，相应地，高频正弦波发生器只有一个。

作为优选方案，所述待测气体包括CH₄、N₂O和CO₂，对于CH₄和N₂O的检测，采用的激光器为带间级联激光器或量子级联激光器，对于CO₂的检测，采用的激光器为垂直腔面发射激光器或分布式反馈激光器。

作为优选方案，光谱分析温室气体的检测装置，还包括显示单元，与信号处理电路信号连接，用于显示各温室气体的浓度信息。

作为优选方案，所述光电检测器对应设有温控模块。

作为优选方案，所述激光器采用蝶形光纤封装。

作为优选方案，所述气体吸收池的测量光程不小于10m。

本发明还提供一种光谱分析温室气体的检测方法，应用如上任一项方案所述的检测装置，所述检测方法包括：

通过激光器控制电路板分时驱动N个激光器，使其工作在各温室气体对应的中心波长附近；

低频三角波信号的扫描频率采用10Hz，高频正弦波调制信号的频率采用40kHz；

将待测气样输入气体吸收池，反射出气体吸收池的激光由光电检测器接收进行光电转换，然后经过流压转换、锁相电路处理得到二次谐波信号，根据谐波信号峰值与气体浓度的标准函数关系得到待测气样中各温室气体的浓度信息。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的光谱分析温室气体的检测装置，通过TDLAS技术与长光程多次反射技术相结合，检测环境空气中温室气体的含量；基于波长调制方法，利用激光器控制电路板分时驱动多个激光器，从而将多种温室气体的检测集成于一体，具有测量准确、检出限低、响应快速和可靠性高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的光谱分析温室气体的检测装置的器件连接示意图；

图2是本发明实施例1的触发采集信号时序图；

图3是Hitran数据库中CO₂的光谱吸收曲线图；

图4是Hitran数据库中CH₄的光谱吸收曲线图；

图5是Hitran数据库中N₂O的光谱吸收曲线图；

图6是本发明实施例1的光谱分析温室气体的检测结果对比图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

本实施例的光谱分析温室气体的检测装置，包括N个激光器、激光器控制电路板、光纤耦合器8、气体吸收池9、光电检测器13、信号处理电路14和人机交互界面15。

其中，本实施例的N取值为3，即激光器有三个：第一激光器5、第二激光器6、第三激光器7，分别用于检测CO₂、CH₄、N₂O三种温室气体。另外，激光器为窄线宽光源，一般单激光器仅能测量1～2个组分；而TDLAS技术通过时分复用方式采用一个气体吸收池实现多气体同时测量，由于环境空气中CH₄和N₂O含量极低，需要采用带间级联激光器(ICL)或量子级联激光器(QCL)检测，CO₂可以采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)或分布式反馈激光器(DFB)。而且，本实施例的激光器采用蝶形光纤封装方式，方便光路耦合，提高耦合效率。

本实施例的激光器控制电路板用于产生三路低频三角波信号和三路正弦波调制信号，以分时驱动上述三个激光器；激光器控制电路板包括驱动电路1及其连接的三个并联的信号波发生器，还包括与三个信号波发生器一一对应连接的三个并联的加法器，加法器与激光器一一对应连接；具体地，第一信号波发生器、第一加法器23、第一激光器5依次连接，第二信号波发生器、第二加法器33、第二激光器6依次连接，第三信号波发生器、第三加法器43、第三激光器7依次连接。

其中，第一信号波发生器包括并联的第一低频三角波发生器21和第一高频正弦波发生器22，第二信号波发生器包括并联的第二低频三角波发生器31和第二高频正弦波发生器32，第三信号波发生器包括并联的第三低频三角波发生器41和第三高频正弦波发生器42，各低频三角波发生器用于产生低频三角波信号，各高频正弦波发生器用于产生正弦波调制信号；其中，三角波信号扫描频率采用10Hz，高频正弦波调制信号频率采用40kHz。

另外，本实施例的激光器控制电路板的驱动电流输出在0～120mA可调，激光器的工作温度在10～50℃度可调，分别驱动、调制三个激光器使其工作在要求的中心波长附近。激光器控制电路板能够产生三路低频三角波信号和正弦波调制信号；另外，三路可以共用一路正弦调制波信号；依靠分时来区分三路信号，分别驱动、调制三个激光器；其中，三角波信号分时扫描激光器，分时时间在[0.1-1]s之间可调节；当三角波扫描第一激光器时，第二激光器和第三激光器处于非发光状态，同理，当第二激光器或第三激光器在扫描工作时，另外两个激光器处于非发光状态。

另外，本实施例的激光器控制电路板还可以搭载三路温度控制和反馈电路，分别控制三个激光器工作温度。

本实施例分时驱动上述三个激光器的方式为：

三个激光器受到三路分时三角波信号的调制和40KHz高频正弦波的调制，三角波信号频率相同为10Hz但不同步的，触发采集信号时序如图2所示，从而实现激光器波长的分时扫描，进而提取三路信号。

本实施例的三个激光器的调谐电流I满足以下条件：

其中，ω为正弦波调制频率；

为第i个激光器对应的锁相相位，取值为0～360°；a_i、b_i、c_i、d_i为第i个激光器对应的三角波调制系数系数，分别对应三角波偏置、三角波上升斜率、三角波峰值、三角波下降斜率；i取值为1、2、3；T为一个调制周期。

上述调谐电流的调制能够实现三路激光器同时驱动。

本实施例采用TDLAS技术测量温室气体CO₂、CH₄和N₂O含量的理论依据是Lambert-Beer吸收定律：

假设强度为I₀、频率为v的单色激光穿过体积分数为X，长度为L的气体介质，被待测气样吸收后，其强度衰减为I_v，强度的变化满足：

I_ν＝I₀T(ν)＝I₀exp[-S(T)g(ν-ν₀)PXL]

其中，P表示气体压力，S(T)表示当气体温度等于T时的谱线吸收强度，线型函数g(ν-ν₀)表示该吸收谱线的形状，它与气体压力、温度及待测气样中各成分含量等因素有关。

TDLAS技术根据调制方式不同，分为直接吸收光谱、波长调制光谱和频率调制光谱。其中，直接吸收光谱技术测量精度易受到系统存在的大量低频噪声，特别是激光器1/f噪声的影响。频率调制光谱技术对系统硬件要求高，价格昂贵。因此，本实施例采用波长调制方法，由两个信号发生器产生两束信号：一束为低频三角波信号，主要在几Hz到几十Hz；另一束为高频正弦波信号，主要是几kHz到几十kHz；然后两束信号叠加形成新的信号，对半导体激光器进行驱动，此时经过调制后的激光瞬时频率v(t)为：

ν(t)＝V_c(t)+acos(2πft)

其中，V_c(t)表示激光器工作时的中心频率，a代表高频正弦波信号调制引起激光频率变化的幅值，f为正弦波信号的调制频率。

锁相放大器通过对光电探测器发出的电信号进行分析，提取放大后的谐波信息进行气体浓度的反演；由于锁相放大器可以将不相关的噪声信号有效去除，从而极大地提高了气体测量的精度；在弱吸收情况下，输出二次谐波信号，如下公式所示：

通过上述公式可知，在特定的吸收谱线和一定的压力、温度、光程及激光频率调制幅度下，可以获得气体浓度与二次谐波信号之间的关系式：

式中，V_2f为二次谐波分量，I₀为光强直流分量信号，K为标定系数，通过分析上述参数，即可获取温室气体的浓度信息。

TDLAS技术检测需要选择合适的被测气体吸收谱线，谱线选择从以下几点考虑，吸收强度合适、被测气体附近无背景气体干扰和线型脚宽合适。吸收强度决定了检出限水平，强度越高则能达到的检出限越低。谱线干扰主要考虑不同背景气体吸收谱线对被测气体谱线的重叠性，避免干扰。

根据CO₂、CH₄和N₂O在空气中典型值和空气中常见气体含量，在101.325kPa压力、300.0K温度和12m光程条件下，通过Hitran数据库查找CO₂、CH₄、N₂O、H₂O、CO、O₂谱线数据确定被测气体吸收谱线位置，如图3-5所示，CO₂选取近红外波段吸收光谱区域2004.0nm附近位置，CH₄和N₂O均选取中红外光谱区域，吸收谱线位置分别位于3240.6nm和4541.8nm；可以得出所选温室气体谱线位置能够与空气中背景气体谱线分离，不受测量交叉干扰。

本实施例的光纤耦合器8的具有3路输入和1路输出，将三个激光器输入到光纤耦合器中，输出以光纤方式FC/APC或其他接口方式，连接到气体吸收池的光路入射口。具体地，光纤耦合器8的3路输入分别与三个激光器连接，其输出端连接至气体吸收池9的光路入射口，从而将激光输入至气体吸收池内。其中，气体吸收池包括大反射镜10及其对侧分布的小反射镜11和小反射镜12，内部腔长为0.2m，采用White型多次反射增加信号吸收强度；通过调节激光入射角度和两块小反射镜之间间距可以改变激光反射次数，使测量光程达到10m以上，例如12.0m。

本实施例的光电检测器13用于接收从气体吸收池出射的激光并进行光电转换，输出检测信号。其中，光电检测器的光谱响应区间能够覆盖2～5微米之间，响应CO₂、CH₄、N₂O激光器光谱信号。另外，本实施例的光电检测器13对应设置温控模块16，用于控制光电检测器的工作温度，提升信号稳定性。

然后，信号处理电路14对光电检测器输出的检测信号依次经过流压转换器、锁相放大器处理得到二次谐波信号，并根据谐波信号峰值与气体浓度的标准函数关系，得到待测气样中各温室气体的浓度信息。

本实施例的人机交互界面15与信号处理电路14信号连接，用于显示各温室气体的浓度信息。

相应地，本实施例的光谱分析温室气体的检测装置的检测方法，包括：

(1)通过激光器控制电路板分时驱动三个激光器，使其工作在各温室气体对应的中心波长附近；其中，CO₂选取近红外波段吸收光谱区域2004.0nm附近位置，CH₄和N₂O均选取中红外光谱区域，吸收谱线位置分别位于3240.6nm和4541.8nm；低频三角波信号的扫描频率采用10Hz，高频正弦波调制信号的频率采用40kHz；

(3)将待测气样输入气体吸收池，反射出气体吸收池的激光经会聚后由光电检测器接收进行光电转换，然后依次经过信号处理电路的流压转换器、锁相放大器处理得到二次谐波信号，根据谐波信号峰值与气体浓度的标准函数关系，得到待测气样中各温室气体的浓度信息，并通过人机交互界面显示；

如图6所示，本实施例的检测方法测定的温室气体的浓度与单独检测的温室气体的浓度保持一致。因此，本实施例将多种温室气体的检测集成于一体，具有测量准确、检出限低、响应快速和可靠性高等优点。

实施例2：

本实施例的光谱分析温室气体的检测装置与实施例1的不同之处在于：

激光器控制电路板对于三个激光器的驱动，相邻驱动的激光器对应的三角波信号的调制之间可以具有预设的间隔，例如T/50；满足不同应用的需求；

其他元器件以及连接关系同实施例1；

本实施例的检测方法同实施例1。

实施例3：

本实施例的光谱分析温室气体的检测装置与实施例1的不同之处在于：

激光器控制电路板驱动的激光器数量不限于三个，可以根据实际需求进行扩展，满足更多种类的温室气体的检测需求；

其他元器件以及连接关系和工作原理同实施例1；

本实施例的检测方法同实施例1。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，包括：

N个激光器；其中，N为大于1的整数；

激光器控制电路板，用于产生N路低频三角波信号和N路正弦波调制信号，以分时驱动N个激光器；N路低频三角波信号的频率相同且不同步；激光器控制电路板包括驱动电路及其连接的N个并联的信号波发生器，还包括与N个信号波发生器一一对应连接的N个并联的加法器，加法器与激光器一一对应连接；其中，信号波发生器包括并联的低频三角波发生器和高频正弦波发生器；

光纤耦合器，其输入端分别与N个激光器连接；

气体吸收池，其光路入射口与光纤耦合器的输出端连接；

光电检测器，用于接收从气体吸收池出射的激光并进行光电转换，输出检测信号；

信号处理电路，用于对检测信号依次经过流压转换器、锁相放大器处理得到二次谐波信号，并根据谐波信号峰值与气体浓度的标准函数关系，得到待测气样中各温室气体的浓度信息。

2.根据权利要求1所述的一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，所述N个激光器中的第i个激光器的驱动电流I_i满足以下条件：

其中，ω为正弦波调制频率；

为第i个激光器对应的锁相相位，取值为0～360°；a_i、b_i、c_i、d_i为第i个激光器对应的三角波调制系数系数，分别对应三角波偏置、三角波上升斜率、三角波峰值、三角波下降斜率；T为一个周期。

3.根据权利要求2所述的一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，对于N个激光器的驱动，相邻驱动的激光器对应的三角波信号的调制之间具有预设的间隔。

4.根据权利要求1所述的一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，所述N路正弦波调制信号共用一路，相应地，高频正弦波发生器只有一个。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，所述待测气体包括CH₄、N₂O和CO₂，对于CH₄和N₂O的检测，采用的激光器为带间级联激光器或量子级联激光器，对于CO₂的检测，采用的激光器为垂直腔面发射激光器或分布式反馈激光器。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，还包括显示单元，与信号处理电路信号连接，用于显示各温室气体的浓度信息。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，所述光电检测器对应设有温控模块。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，所述激光器采用蝶形光纤封装。

9.根据权利要求1-4任一项所述的一种光谱分析温室气体的检测装置，其特征在于，所述气体吸收池的测量光程不小于10m。

10.一种光谱分析温室气体的检测方法，应用如权利要求1-9任一项所述的检测装置，其特征在于，所述检测方法包括：

通过激光器控制电路板分时驱动N个激光器，使其工作在各温室气体对应的中心波长附近；

低频三角波信号的扫描频率采用10Hz，高频正弦波调制信号的频率采用40kHz；

将待测气样输入气体吸收池，反射出气体吸收池的激光由光电检测器接收进行光电转换，然后经过流压转换、锁相电路处理得到二次谐波信号，根据谐波信号峰值与气体浓度的标准函数关系得到待测气样中各温室气体的浓度信息。

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