CN114544547A - 一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统 - Google Patents
一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114544547A CN114544547A CN202210164726.3A CN202210164726A CN114544547A CN 114544547 A CN114544547 A CN 114544547A CN 202210164726 A CN202210164726 A CN 202210164726A CN 114544547 A CN114544547 A CN 114544547A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- module
- modulation
- laser
- demodulation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 84
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims abstract description 49
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 48
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 10
- 108010076504 Protein Sorting Signals Proteins 0.000 claims description 9
- 238000012886 linear function Methods 0.000 claims description 7
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 3
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 claims description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 4
- 238000000041 tunable diode laser absorption spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 3
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000010259 detection of temperature stimulus Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000001285 laser absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001307 laser spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
- G01N2021/396—Type of laser source
- G01N2021/399—Diode laser
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统。系统主要包括激光器调制模块、可调谐激光器、光谱数据探测采集模块、可配置数字解调器、在线递推解调模块以及核心控制模块。使用激光器调制模块调制可调谐激光器发出可以自适应校准的波长调制激光，经过待测区域产生光谱吸收后，根据调制信号配置数字递推器，并基于FPGA设计在线递推解调方法，获取解调后的吸收光谱信号数据。本发明针对波长调制信号设计了自校准的调制波形，设计了可配置的数字解调器，结合FPGA并行数据处理的优势使用了在线递推解调的方法，实现了波长调制吸收光谱数据的实时在线解调，简单有效的实现了吸收光谱信号的快速高精度求解，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种波长调制吸收光谱参数求解方法，尤其涉及一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统，属于激光光谱及气体参数测量技术领域。
背景技术
随着激光器相关器件制备技术的快速发展，激光诊断技术在火焰监测方面得到了广泛的应用。可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy,TDLAS)一种高分辨率红外激光吸收光谱技术，为物质的温度和分子浓度的定量检测提供了一种无创、快速、高灵敏度的方法，近十多年来在燃烧诊断领域的应用愈加广泛和多样，发展极其迅猛。
目前，TDLAS的主要方法有直接吸收法(Direct absorption Spectroscopy，DAS)与波长调制法(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)。DAS通过给激光器以线性增加的扫描电流驱动激光器发出扫谱激光，进而将透射光强与入射光强的比值直接拟合得到气体的吸收率线型函数，进而根据吸收率函数获取待测气体参数。WMS方法一般是在线性增加的扫描电流的基础上，叠加高频正弦调制信号驱动激光器发出波长调制的扫谱激光信号，进而根据谐波分量进行相应吸收谱参数的求解。由于WMS方法对信号进行了调制，其获取信号的抗噪声能力要比DAS信号更强，但是WMS方法无法准确获取吸收谱线型。
近年来，围绕波长调制吸收光谱的吸收谱参数求解也多有研究与报道。与DAS方法相比，WMS方法没有办法直接获取DAS的基线，因此，如何恢复WMS信号所获取的吸收是WMS方法恢复吸收谱参数的首先要面临的问题。Masataka Nakazawa等在1986年发表在《应用物理学报》(Journal of Applied Physics)第7期第59卷第2297页的论文《洛伦兹线型的相敏检测方法及其在激光器稳频中的应用》用傅里叶展开法和残差法描述了洛伦兹线型的相敏检测，利用调制展宽和模量之间的关系，能够得到洛伦兹剖面的半高宽，该方法依赖准确的鉴相器且对噪声很敏感。Keith C.Ruxton等在2010年发表在《传感器和执行器B:化学》(Sensors and Actuators B:Chemical)第150卷第367页上的论文《波长调制的可调谐二极管激光光谱学:用相量分解方法消除残余振幅调制》(Tunable diode laser spectroscopywith wavelength modulation:Elimination of residual amplitude modulation in aphasor decomposition approach)介绍了一种基于向量分解的剩余幅度调制信号的吸收谱参数求解方法，该方法利用激光器调制过程中波长调制与幅值之间存在的相位差，确定了分解方式，进而进行了吸收谱的重建，该方法也因此受限于激光器的具体调制频率与调制幅度。这些通过傅里叶分析或者向量分解等数学方法消除WMS的谐波信号的背景吸收问题，往往需要试验者通过大量的激光器的标定实验确定调制方案，使得激光器的输出特性满足数学关系中相关条件，因此对使用操作的要求很高。
在此基础上，为了避免背景信号的干扰，对信号的差分探测也有被研究。ThiloKraetschme等在2010年发表在《应用物理B》(Applied Physics B)第98卷第249页的论文《使用延迟平衡检测的无背景吸收光谱》(Background-free absorption spectroscopyusing delayed balanced detection)在探测光路中加入一段光纤延时，使得参考光与探测信号产生相位差，进而形成差分探测，实现了背景信号的自动校准，但是该方法需要准确控制光纤的相位差，对光纤的工作环境与品质要求高。Vladimir Liger等在2019年发表在《传感器》(Sensors)第98卷第249页的论文《基于免标定的1f-WMS测定吸收线强度先进的光纤耦合二极管激光传感器》(Advanced Fiber-Coupled Diode Laser Sensor forCalibration-Free 1f-WMS Determination of an Absorption Line Intensity)设计了一种差分探测电路对探测信号进行差分运算的方式进行吸收光谱信号的测量，有效的提高了针对背景干扰强的情况下的测量结果的精度，但是提高了系统的复杂，并且所需的标准的差分控制难以适应于复杂环境。综上，以上通过光纤延时或者平衡探测的方法对背景信号进行实时消除的手段往往会因为差分过程难以保持而受到限制。
结合数据库直接针对WMS信号的谐波信号进行线型拟合的方法也有很多。HongDuan等在2009年发表在《应用光学》(Applied Optics)第48卷第401页上的论文《针对可调谐二极管激光吸收光谱谐波信号的小波分析》(Harmonic wavelet analysis ofmodulated tunable diode laser absorption spectroscopy signals)对可调谐半导体激光吸收光谱信号进行了小波分析，发现谐波小波可以同时从直接吸收的数据中提取1f、2f和高次谐波，用于实现时变的小波分析。Ronald K Hanson等在2009年发表在《应用光学》(Applied Optics)第48卷第5546页的论文《免校准波长调制光谱方法用于在恶劣环境中测量气体温度和浓度》(Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy formeasurements of gas temperature and concentration in harsh environments)介绍了一种2f/1f信号的免标定方法，该方法用一次谐波信号修正了二次谐波信号，消除了激光光强波动、光电增益等因素的影响，推导出了绝对气体的浓度表达式。Sun.Kai等人在2013年发表在《测量科学与技术》(Measurement science&technology)第24卷125203页的文章《使用可调谐二极管激光器对实际气体进行免校准波长扫描波长调制光谱分析》(Analysisof calibration-free wavelength-scanned wavelength modulation spectroscopy forpractical gas sensing using tunable diode lasers)提出了基于傅里叶模型分析的各次谐波信息的方法。Christopher S.Goldenstein等人在2014年发表《应用光学》(AppliedOptics)第53卷第356页的文章《拟合免标定扫描波长调制光谱测定气体性质和吸收线型》(Fitting of calibration-free scanned-wavelength modulation spectroscopyspectra for determination of gas properties and absorption line shapes)介绍了一种基于nf/1f的相对谐波比值信号的拟合方法，通过结合仿真信号的拟合实现对吸收谱参数的求解，该方法能够提高吸收谱拟合精度，但是该方法计算量大且过分依赖光谱数据库的精度。Zhechao Qu等在2015年发表在《光学快报》(Optics Express)第23卷第164929页的论文《免校准扫描波长调制光谱—在火焰中水浓度和温度传感中的应用》(Calibration-free scanned wavelength modulation spectroscopy–application to H2O andtemperature sensing in flames)提出了一种要求最小激光特性的无标定扫描波长调制光谱方案，在一次激光扫描中获得的一组2f/1f-WMS线型的单次拟合中，同时获得物质的浓度和温度。李宁等在2018年发表在《物理学报》第67卷第057801号的论文《基于光强与吸收率非线性同步拟合的吸收光谱测量方法》提出利用非线性拟合方法对激光吸收光谱测量中激光强度与吸收光谱进行耦合求解。建立激光强度非线性变化与多谱线吸收拟合函数关系，解决了特殊环境下无法获取光谱基线的难题,实现了波分复用光谱信号的分离与诊断。通过仿真验证该方法的可行性，分析计算了激光器特性和特征谱线位置等因素对拟合结果的影响。杜艳君等在2019年发表在《定量光谱学与辐射传导杂志》(Journal ofQuantitative Spectroscopy&Radiative Transfer)第224卷第197页的论文《用WM-DAS方法测量了1.43μm附近Voigt、Rautian、galatry和速度依赖Voigt谱的CO2跃迁光谱参数》(Measurements of spectroscopic parameters of CO 2transitions for Voigt,Rautian,galatry and speed-dependent voigt profiles near 1.43μm using the WM-DAS method)介绍了一种基于直接吸收波长调制方法的吸收谱测量方法，使用了低频正弦信号进行激光器驱动调制，实现了对吸收谱参数的调制解调，解算后拟合吸收谱参数，是一种低速正弦扫描形式的直接吸收方法，适用于实验室环境中精确的吸收谱线型标定。此外，为了避免背景信号的干扰，对信号的差分探测也有被研究，Thilo Kraetschme等在2010年发表在《应用物理B》(Applied Physics B)第98卷第249页的论文《使用延迟平衡检测的无背景吸收光谱》(Background-free absorption spectroscopy using delayed balanceddetection)在探测光路中加入一段光纤延时，使得参考光与探测信号产生相位差，进而形成差分探测，实现了背景信号的自动消除，但是该方法需要准确控制光纤的相位差，对光纤的工作环境与品质要求高。Vladimir Liger等在2019年发表在《传感器》(Sensors)第98卷第249页的论文《基于免标定的1f-WMS测定吸收线强度先进的光纤耦合二极管激光传感器》(Advanced Fiber-Coupled Diode Laser Sensor for Calibration-Free 1f-WMSDetermination of an Absorption Line Intensity)设计了一种差分探测电路对探测信号进行差分运算的方式进行吸收光谱信号的测量，有效的提高了针对背景干扰强的情况下的测量结果的精度，但提高了系统的复杂，并且其所需要的标准差分控制条件难以适应于复杂环境。以上拟合方法继承了DAS中拟合吸收谱的思路，但是基于谐波信号的拟合过程中，由于激光吸收光谱的耦合关系，在建立吸收谱的仿真拟合中需要针对整个滤波解调系统进行仿真拟合，不仅引入了很多不确定性，同时也使得整个过程更加复杂。
由于基于WMS谐波信号的绝对吸收信号提取困难，一些结合WMS信号的各种特征的吸收谱参数求解方法也被提出。周佩丽等在2020年发表在《激光与红外》第50卷第293页上的论文《基于偶次谐波吸收率函数复现方法》提出了一种利用波长调制信号的偶次谐波分量进行的吸收谱线型的恢复方法，该方法基于吸收谱线型的泰勒展开形式构建了吸收谱线型与调制信号的高次谐波之间的关系，也因此受限于泰勒展开的条件，即小调制的情况下的近似。在调制的过程中，激光器的波长与强度之间存在着较强的非线性关系也影响着测量的实现，针对这方面的问题，相关研究工作也广泛开展研究。Chenguang Yang等人2020年发表在《光学快讯》(Optic Express)第28卷第3289页上的文章《利用波长调制光谱中的一谐波相位角法同时测量气体吸收和光程长度》(Simultaneous measurement of gasabsorption and path length by employing the first harmonic phase angle methodin wavelength modulation spectroscopy)利用WMS技术中一阶谐波信号的相位角(1f相位角)反演吸收路径长度和气体吸收信号。尽管该方法不同于往常的谐波信号，但是该方法仍然依赖于对相位信号的拟合。Yun Pan等人2020年在《IEEE信息数据》(IEEE Access)第8卷第227857页上发表的文章《基于波长调制光谱二次谐波信号谷间距的改进浓度反演模型》(Improvement of Concentration Inversion Model Based on Second HarmonicValley Spacing in Wavelength Modulation Spectroscopy)介绍了由于调制深度的变化导致的二次谐波峰值的变化，提出了一种针对调制深度进行标定，并将其作为浓度反演模型的参数的方法，验证了使用谷间距进行调制深度校准的有效性和改进模型的准确性，该方法虽然避免了线型拟合上的诸多误差问题，但是需要针对不同激光器进行不同的标定，给测试过程带来了新的不确定度。以上方法虽然能够将谐波信息与气体参数建立映射关系，通过这些谐波特征点对吸收谱参数进行求解，但需要对测试过程进行事先标定，使得整个过程复杂。
针对基于波长调制方法的激光吸收光谱参数的测量装置与方法，近年来国内的相关专利也有对相关技术的描述。中国专利CN 103868885 A《基于复合多次谐波的气体浓度在线测量方法》(专利号：201410119964.8)在结合了2f/1f的免标定方法的基础上，利用了4f/2f信号的不动点技术进行了谱宽的估计，很好的利用了高频信号携带的信息对参数求解进行了补充，但是该方法对调制信号的要求苛刻同时也需要根据激光器模型做出相应的调整，操作流程相对复杂。中国专利CN 103886199 A《调制光谱信号的谐波小波分析方法》(专利号：201410101814.4)介绍了一种基于可调谐半导体激光吸收谱的波长调制光谱信号的谐波小波分析方法，能够有效获取波长调制信号的高次谐波信号，但是没有明确建立谐波信号与吸收谱线型参数之间的关系。在调制波形的设计上，中国专利CN 110361360 A《用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统》(专利号：201910647145.3)介绍了一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统，当扫描信号处于顶点时，可调谐激光器的输出波长位于待测气体的吸收中心波长处，将调制信号加载到扫描信号上得到叠加信号，作用于可调谐激光器产生激光，其目的是为了获取二次谐波信号，与之前波长调制谐波检测方法类似。在数据的在线解调上，中国专利CN 102680428 A《一种基于一次谐波信号的气体温度和浓度在线测量方法》(专利号：201210152689.0)介绍了一种由锁相放大器提取激光探测器探测到的吸收后的调制激光信号中一次谐波分量的测量方案，并给出了从一次谐波信号恢复气体参数的方法，该方法使用了锁相放大器进行了谐波分量的提取，是一般波长调制方法信号提取的普遍方法。中国专利CN 109270027 A《一种基于正弦调制时域拟合的气体吸收率在线测量方法》(专利号：201811095201.9)介绍了一种利用正弦信号对可调谐半导体激光器电流进行调制，实现激光器波长正弦调制的同时，确保入射光的激光强度具有明确表达式，该方法是一种低速扫描的方式，用低速正弦波代替了锯齿波，利用了类似于DAS单次扫描的结果计算了吸收谱参数，因此该方法的抗噪声能力提升有限。以上系统与装置，都是遵循前面提到的WMS谐波信号提取方法设计的，没有从结构上解决前述的基于波长调制方法的在应用中面临的绝对吸收获取困难，标定系统复杂的问题。
本发明提出了一种在线解调的波长调制吸收光谱参数求解方法与系统用以解决上述针对激光吸收光谱在吸收谱参数方面求解的问题。主要设计了对可调谐激光器的激励方法解决参考信号与吸收信号光强差异探测问题，并结合FPGA(Field Programmable GateArray，场可编程逻辑门阵列)设计了在线吸收波形的解调方法，同时设计了相应的测试处理系统，给出了从方法到硬件系统的具体实现方案，用于提高现有的激光吸收光谱吸收谱参数的求解精度，该方法简单有效，能为基于激光吸收光谱参数测量的温度传感、浓度传感提供新手段。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统，用于解决波长调制吸收光谱信号的在线解调与吸收谱线快速获取问题。
(二)技术方案
本发明,一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统的具体实现过程包括以下步骤：
步骤一、用核心控制模块配置激光器调制模块调制可调谐激光器发出设置信号形式的波长调制激光，其具体实现过程包括，107核心控制模块配置101激光器调制模块控制102可调谐激光器发出波长调制激光信号，调制波形分为两个部分，第一部分是强度校准波形，第二部分是波长调制波形，其中用于进行调制的正弦信号I0形式如下：
其中，IL与IH分别为低频调制与高频调制信号强度，IL与IH为调制幅度，fH为高频调制频率，
为高频调制信号的初始相位，f(t)为低频调制信号的函数，可表示为：
其中，校准信号设计为矩形阶梯信号R(t)：
R(t)＝a1(u(t)-u(t-τ))+a2(u(t-τ)-u(t-2τ))+...+an(u(t-nτ+τ)-u(t-nτ))(3)其中，u(t)为阶跃信号，τ表示单个阶梯宽度，a1，a2，…an表示对应位置的阶梯信号幅值，其满足如下关系：
an＝rn (4)
其中，r表示阶梯递进斜率；
则设计的波形信号I(t)可以表达为：
I(t)＝[u(t)-u(t-nτ)]R(t)+[u(t-nτ)-u(t-T)]I0(t) (5)
其中，T表示一个完整的调制信号的持续时间。
步骤二、核心控制模块根据设计的调制波形配置可配数字解调器，其配置形式可以表示为H(k)：
其中，R(k)为针对f(t)的信号特征的计算算子，可以表示为：
R(k)＝[cos(ω1k)，…，cos(ωpk)，1，k，…kp，sin(ωpk)，…，sin(ω1k)] (7)
107核心控制将配置信息输入108可配置数字解调模块计算H(k)后存储在片上内存芯片，等待后续调用。
步骤三、激光器调制模块发出的激光分别经过103待测对象和104光电探测模块探测为吸收信号，直接被105光电探测模块探测为参考信号，吸收信号与参考信号同时被106光谱数据采集模块采集；
其中，106光谱数据采集模块采集到的吸收信号序列Sabs与参考序列Sref，可以分别表示：
其中，N＝nτfs，fs为数据采集模块的采样速率，则可以根据以下方程对Sref进行校准：
S′ref＝aSref+b (9)
其中，a、b根据以下式子确定：
其中，
和
分别表示Rabs(1)，Rabs(2)，…Rabs(N)与Rref(1)，Rref(2)，…Rref(N)的平均值。
步骤四：结合FPGA实现对吸收信号的在线解调处理，109在线递推解调模块分别调用106光谱数据采集模块中的吸收信号序列与108可配置数字解调器中的解调算子序列，后结合在线递推解调方法求解出吸收谱线型信息，具体如下：在线解调的递推迭代的方式如下：
其中，km＝fs/fH，fs与fH分别为数据采集速率与调制信号频率，其中Yi分别为109在线递推解调模块从106光谱数据采集模块按照时序依次调用的吸收光谱信号与参考信号中校准信号之后的正弦调制信号中第i个正弦信号周期内的数据点集合，可表示为{S′ref((i-1)·km+1)，S′ref((i-1)·km+2)，…S′ref(i·km)}以及{Sabs((i-1)·km+1)，Sabs((i-1)·km+2)，…Sabs(i·km)}，其中H(k)为109在线递推解调模块从108可配置数字解调器模块依次调用的数据解调算子，第i个解调结果被记录为：
A(i)＝Xi(km) (12)
步骤四、操作系统实现数据采集与吸收谱参数求解，具体如下：
使用111计算机通过与107核心控制模块通信控制系统的启停并配置核心控制模块的调制波形，同时由110数据上传模块将谱线数据上传到111计算机。进而吸收率函数α(v)可以表示为：
α(v)＝g(α(i))＝In(Aref(i)-Aabs(i)) (13)
求得吸收率函数后，可在111计算机结合相关线型函数如Voigt线型函数进行具体的参数拟合。
(三)有益效果
本发明的有益效果在于提出了一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统。主要设计了可配置数字解调器，根据可调谐激光器的配置波形设计可配置的数字解调算子用于对波长调制信号进行在线解调，同时基于FPGA设计了在线递推解调算法，结合了FPGA的并行运算能力，实现激光吸收光谱吸收谱信号的高效快速解调。该方法简单且切实有效，能为基于激光吸收光谱参数测量的温度传感、浓度传感提供了新手段。
附图说明
附图1：一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统结构图
附图2：调制信号的波形图
附图3：求解的Aref与Aabs部分参数谱线图
附图4：求解的吸收谱信号
具体实施方式
参考附图1为一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统结构图。结合一个实例进行的操作步骤如下：
步骤一：107核心控制模块配置101激光器调制模块控制102可调谐激光器发出波长调制激光信号，输出中心波长设置在7185cm-1附近，同时产生调制信号，其中IL＝50mA与IH＝50mA，f(t)＝200t与fH＝100kHz，
同时设置r＝5mA，n＝10，τ＝1ms，其调制信号可以为附图2；
步骤二：据步骤一中的调制信号可将解调器配置为：
步骤三：107核心控制模块配置101激光器调制模块控制102可调谐激光器发出的波长调制激光，分别经过103待测对象，成分为摩尔浓度为0.01的水蒸气气体池，被104光电探测模块探测为吸收信号，直接被105光电探测模块探测为参考信号，吸收信号与参考信号同时被106光谱数据采集模块采集后，对采集得到的参考信号序列进行强度校准，可根据公式(6-7)处理为吸收信号序列Sabs与参考序列Sref。
步骤四：将采集得到的吸收信号{Sabs((i-1)·km+1)，Sabs((i-1)·km+2)，…Sabs(i·km)}与经过强度校准后的参考信号{S′ref((i-1)·km+1)，S′ref((i-1)·km+2)，…S′ref(i·km)}依次作为Yi代入下面的迭代式求解，其中km＝1000，输入111在线递推解调模块后结合在线递推解调方法求解出吸收谱参数信息，
其中，H(k)为设计的解调算子，为：
可以解算出Aref与Aabs，其各项结果如附图3；
进而后由110成像数据上传模块上传到109计算机，可计算吸收率函数α(v)可以表示为：
α(v)＝g(α(i))＝In(Aref(i)-Aabs(i)) (4)
进而可在计算机上结合相关线型函数如Voigt线型函数进行具体的参数拟合，并恢复吸收谱如附图4。
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)
1.一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统，系统主要包括激光器调制模块、可调谐激光器、光谱数据探测采集模块、可配置数字解调器、在线递推解调模块以及核心控制模块；核心控制模块配置激光器调制模块调制可调谐激光器发出可用于自适应校准的波长调制信号形式的激光，同时可配数字解调器也由核心控制模块根据设计的调制波形配置，激光器调制模块发出的激光经过待测区域产生光谱吸收后，由光谱数据采集模块采集为数字信号序列，根据自适应校准波形调整信号强度，并基于FPGA设计在线递推解调模块同步调用可配置数字解调器中的解调算子与光谱数据采集模块中校准后的数据点进行在线递推解调，将解调后的光谱信号数据上传到计算机。
2.按照权利要求1，一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统，其特征在于，核心控制模块配置激光器调制模块调制可调谐激光器发出可用于自适应校准的波长调制信号形式的激光，并在激光经过吸收区域后，光谱数据采集模块采集为数字信号序列，根据自适应校准波形调整信号强度；其中，107核心控制模块配置101激光器调制模块控制102可调谐激光器发出波长调制激光信号，调制波形分为两个部分，第一部分是强度校准波形，第二部分是波长调制波形，其中用于进行调制的正弦信号I0形式如下：
其中，IL与IH分别为低频调制与高频调制信号强度，fH为高频调制频率，
为高频调制信号的初始相位，f(t)为低频调制信号的函数，可表示为：
其中的校准信号设计为矩形阶梯信号R(t)：
R(t)＝a1(u(t)-u(t-τ))+a2(u(t-τ)-u(t-2τ))+…+an(u(t-nτ+τ)-u(t-nτ)) (3)
其中，u(t)为阶跃信号，τ表示单个阶梯宽度，a1,a2,…an表示对应位置的阶梯信号幅值，其满足如下关系：
an＝rn (4)
其中，r表示阶梯递进斜率；
则设计的波形信号I(t)可以表达为：
I(t)＝[u(t)-u(t-nτ)]R(t)+[u(t-nτ)-u(t-T)]I0(t) (5)
激光器调制模块发出的激光分别经过103待测对象和104光电探测模块探测为吸收信号，直接被105光电探测模块探测为参考信号，吸收信号与参考信号同时被106光谱数据采集模块采集后，输入109在线递推解调模块后结合在线递推解调方法求解出吸收谱线型信息，后由110成像数据上传模块上传到111计算机，111计算机通过与107核心控制模块通信控制系统；
其中，106光谱数据采集模块采集到的吸收信号序列Sabs与参考序列Sref，可以分别表示为，
其中，N＝nτfs，fs为数据采集模块的采样速率，则可以根据以下方程对Sref进行校准：
S′ref＝aSref+b (7)
其中，a、b根据以下式子确定：
其中，
和
分别表示Rabs(1)，Rabs(2)，…Rabs(N)与Rref(1)，Rref(2)，…Rref(N)的平均值。
3.按照权利要求1所述的一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统，其特征在于，激光器调制模块发出的激光经过待测区域产生光谱吸收后，由光谱数据采集模块采集为数字信号序列，基于FPGA设计在线递推解调模块同步调用可配置数字解调器中的解调算子与光谱数据采集模块中校准后的数据点进行在线递推解调，将解调后的光谱信号数据上传到计算机；其中，可配数字解调器由核心控制模块根据设计的调制波形配置形式可以表示为H(k)：
其中，R(k)为针对f(t)的信号特征算子，可以表示为，
R(k)＝[cos(ω1k),…,cos(ωpk)，1，k,…kp,sin(ωpk),…,sin(ω1k)] (10)
107核心控制将配置信息输入108可配置数字解调模块计算H(k)后存储在片上内存芯片，等待后续调用；
在线递推解调模块同步调用可配置数字解调器中的解调算子与光谱数据采集模块中的数据点，进行递推解调的方式如下：
其中，km＝fs/fH,fs与fH分别为数据采集速率与调制信号频率，Yi分别为校准信号之后的吸收光谱信号与参考信号，109在线递推解调模块从106光谱数据采集模块按照时序依次调用，第i个正弦信号周期内的数据点集合，可表示为{S'ref((i-1)·km+1),S'ref((i-1)·km+2),…S'ref(i·km)}以及{Sabs((i-1)·km+1),Sabs((i-1)·km+2),…Sabs(i·km)}，H(k)为109在线递推解调模块从108可配置数字解调器模块依次调用的数据解调算子，解算出Aref与Aabs，进而后由110成像数据上传模块上传到109计算机，可计算吸收率函数α(v)可以表示为：
α(v)＝g(α(i))＝exp(Aref(i)-Aabs(i)) (12)
进而可在计算机上结合相关线型函数如Voigt线型函数进行具体的参数拟合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210164726.3A CN114544547A (zh) | 2022-02-23 | 2022-02-23 | 一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210164726.3A CN114544547A (zh) | 2022-02-23 | 2022-02-23 | 一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114544547A true CN114544547A (zh) | 2022-05-27 |
Family
ID=81677929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210164726.3A Pending CN114544547A (zh) | 2022-02-23 | 2022-02-23 | 一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114544547A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115639170A (zh) * | 2022-11-01 | 2023-01-24 | 北京航空航天大学 | 一种基于波分复用的抗光学偏折吸收谱提取方法与系统 |
| CN116400161A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-07-07 | 北京新科以仁科技发展有限公司 | 激光器的设备校准方法、装置、设备及存储介质 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6351309B1 (en) * | 1991-08-06 | 2002-02-26 | Southwest Sciences Incorporated | Dual modulation laser line-locking technique for wavelength modulation spectroscopy |
| CN114548172A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-05-27 | 北京航空航天大学 | 一种波长调制激光气体吸收光谱的参数提取方法与系统 |
-
2022
- 2022-02-23 CN CN202210164726.3A patent/CN114544547A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6351309B1 (en) * | 1991-08-06 | 2002-02-26 | Southwest Sciences Incorporated | Dual modulation laser line-locking technique for wavelength modulation spectroscopy |
| CN114548172A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-05-27 | 北京航空航天大学 | 一种波长调制激光气体吸收光谱的参数提取方法与系统 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| LIJUN XU等: "A flexibly reconfigurable data acquisition system for tunable diode laser absorption spectroscopy", 《2020 IEEE INTERNATIONAL INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT TECHNOLOGY CONFERENCE (I2MTC)》, 30 June 2020 (2020-06-30) * |
| 陈亚婧: "多谱线TDLAS测温中谱线选择的实验研究", 《电子测量与仪器学报》, vol. 31, no. 12, 31 December 2017 (2017-12-31) * |
| 鲍伟义;朱永;陈俊;陈俊清;梁波;: "可调谐激光二极管吸收光谱系统信号分析及谱线畸变校正技术研究", 光谱学与光谱分析, no. 04, 15 April 2011 (2011-04-15) * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115639170A (zh) * | 2022-11-01 | 2023-01-24 | 北京航空航天大学 | 一种基于波分复用的抗光学偏折吸收谱提取方法与系统 |
| CN115639170B (zh) * | 2022-11-01 | 2024-04-12 | 北京航空航天大学 | 一种基于波分复用的抗光学偏折吸收谱提取方法与系统 |
| CN116400161A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-07-07 | 北京新科以仁科技发展有限公司 | 激光器的设备校准方法、装置、设备及存储介质 |
| CN116400161B (zh) * | 2023-06-09 | 2023-08-18 | 北京新科以仁科技发展有限公司 | 激光器的设备校准方法、装置、设备及存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108981953B (zh) | 一种基于干涉调制原理的激光吸收光谱测温方法和系统 | |
| CN109100325B (zh) | 一种基于光谱吸收率二次谐波特征提取的气体浓度测量方法 | |
| KR101706640B1 (ko) | 시간 감쇠 신호들을 분석하기 위한, 광 신호 처리 방법 및 장치 | |
| JP4565198B2 (ja) | 高分解・高速テラヘルツ分光計測装置 | |
| CN100590417C (zh) | 一种植物叶片生理指标无损检测方法 | |
| CN114544547A (zh) | 一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统 | |
| CN111077110B (zh) | 一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法 | |
| CN113252204B (zh) | 一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法 | |
| US20220026577A1 (en) | Dispersion gating-based atmospheric composition measurement laser radar | |
| CN107247034B (zh) | 一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法 | |
| NZ331158A (en) | Method and apparatus for multi-spectral analysis in noninvasive nir spectroscopy | |
| CN105372205A (zh) | 基于S2f方法的免定标波长调制光谱气体检测方法 | |
| CN114993987B (zh) | 基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统 | |
| CN113447458A (zh) | 一种基于激光吸收阻抗谱的气体温度与浓度参数测量方法 | |
| CN109270027A (zh) | 一种基于正弦调制时域拟合的气体吸收率在线测量方法 | |
| CN114548172A (zh) | 一种波长调制激光气体吸收光谱的参数提取方法与系统 | |
| Xu et al. | FPGA-based real-time implementation of temperature measurement via tunable diode laser absorption spectroscopy | |
| CN117214134A (zh) | 一种基于单步经验模态分解的波长调制光谱谐波提取方法 | |
| CN107389204A (zh) | 红外焦平面探测器弱光谱信号的测试平台及其方法 | |
| EP1376099B1 (en) | Infrared circular dichroism measuring apparatus and method | |
| CN107255627B (zh) | 一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置 | |
| Youcef-Toumi et al. | Noninvasive blood glucose analysis using near infrared absorption spectroscopy | |
| KR20090049159A (ko) | 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기 및 그 측정방법 | |
| CN202710470U (zh) | 阵列式半导体激光器近红外光谱分析仪 | |
| CN115561202B (zh) | 一种绝缘油中甲醇的快速测量方法及装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |