CN118225729A - 一种基于数字调制解调tdlas的多气体浓度同步测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体检测测量领域，尤其为一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置，包括：激光器驱动、DFB激光器、合束器、光纤准直器、气体吸收池、配气系统、光电探测器、模数转换器、FPGA、数模转换器；所述数模转换器与所述激光器驱动和FPGA连接，输入端连接所述FPGA，用于接收FPGA中调制信号发生器产生的低频扫描信号和高频调制信号，输出端连接所述激光器驱动，用于将转换后的模拟信号输出到激光器驱动。本发明使用多光源单探测器的方式，多个信号仅需要调节一组光路，提升系统集成度，同时从软件方面入手，避免传统数字锁相放大电路电子元器件的噪声干扰，提高TDLAS技术气体检测精确度，减小体积与功耗，更有利于后期维护和优化。
Description
技术领域
本发明属于气体检测测量领域，尤其涉及一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱技术本质上是一种以激光作为光源的高分辨吸收光谱技术，当激光穿过气体时，通过调节锯齿波信号就可以使激光器输出波长覆盖目标气体的吸收谱线，从而检测被测物质的浓度。
在TDLAS气体检测技术中，往往是通过锁相放大器解调出的二次谐波峰值与气体浓度进行反演得到气体浓度信息。锁相放大器的性能直接影响对背景噪声抑制的强弱和气体检测系统的精度，因此锁相放大器在气体检测技术中扮演着重要的角色。
在现有技术中一般采用传统的模拟锁相放大器，这种锁相放大器成本较高，容易产生电子噪声，并且滤波器的频率需要人为设置，滤波器过高或者过低的频率设置使得获得的信息噪声过大或者严重失真。目前TDLAS气体检测系统大多是测量单一气体，且多气体检测技术集成度较低，设计出精度高、体积小、功耗低并且能同时测量多种气体的浓度检测系统是未来发展的趋势。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有气体检测技术中存在的多为单一气体检测以及多气体检测系统集成度较低，并且大多使用模拟锁相放大器进行待测气体解调的不足，本发明提供了一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置，解决了上述背景技术中所提出的问题。
(二)技术方案
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置，包括：激光器驱动、DFB激光器、合束器、光纤准直器、气体吸收池、配气系统、光电探测器、模数转换器、FPGA、数模转换器；
所述数模转换器与所述激光器驱动和FPGA连接，输入端连接所述FPGA，用于接收FPGA中调制信号发生器产生的低频扫描信号和高频调制信号，输出端连接所述激光器驱动，用于将转换后的模拟信号输出到激光器驱动；
所述激光器驱动输入端连接所述数模转换器的输出端，用于驱动DFB激光器发射激光；
所述DFB激光器激光输出端连接所述合束器，安装于所述激光器驱动的安装座上，用于发射待测气体吸收峰频率的近红外可见光；
所述合束器输出端连接光纤准直器接口，用于将多路激光合束到一根光纤中输出；
所述气体吸收池输入端连接光纤准直器，输出端连接所述光电探测器，接通配气系统进行气体环境配置，用于待测气体吸收发射到所述气体吸收池的红外光；
所述光电探测器输出端与所述模数转换器输入端连接，用于将接收到的激光进行光电转换；
所述模数转换器输出端连接所述FPGA的输入端，用于将光电探测器输出的信号转化为数字信号传输给所述FPGA；
所述FPGA板载数据采集驱动，将接收到的含有待测气体浓度信息的信号通过算法进行解调，提取出含有待测气体浓度信息的谐波信号，最后进行气体浓度的反演计算，得到待测气体浓度。
进一步地，所述激光器驱动采用是亢特科技的蝶形封装温控电流集成驱动安装座，控温稳定度为.℃，驱动电流范围为～mA，模拟调制带宽kHz，支持外部模拟调制；所述激光器为DFB激光器，中心波长覆盖目标气体吸收峰，连续输出光功率为mW，单模尾纤输出；所述光电探测器是低噪声前置放大铟镓砷光电探测器，探测波长范围.～.um，放大并测量气体反射出的激光强度，并将所述激光强度转换为电压信号，所述光电探测器输出端先连接示波器输入端，待调试完成再连接与所述模数转换器输入端连接。
进一步地，所述FPGA通过数字方式产生低频扫描信号和高频调制信号，两路电压信号叠加后转换为电流信号，对DFB激光器的工作电流进行控制。
一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置的同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用所述FPGA产生调制波形，驱动所述数模转换器将数字信号转变为模拟信号输出到所述激光器驱动；使用波长调制光谱技术，对DFB激光器使用低频三角波电流调制的基础上，增加高频正弦波的电流调制，调谐DFB激光器的输出波长；
S2、所述DFB激光器出射激光到所述合束器将多路激光合束到一根光纤中输出，再通过所述气体吸收池到所述光电探测器，由所述光电探测器接收并转化为电信号，携带气体信息的电信号由所述模数转换器转换为数字信号并传输至FPGA，通过双路数字锁相放大算法并行同步解调接收到的信号，并使用多组分气体二次谐波分离算法抑制多组分气体谱线交叉干扰，提取出含有待测气体浓度信息的二次谐波信号；
S3、对处理后的二次谐波信号幅值进行提取，对提取后的数据点进行拟合，通过拟合得到的最小二乘法拟合方程形如Y＝aX+b反演待测气体浓度，最终得到待测气体的浓度信息。
一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量方法的同步测量系统，包括：
激光器驱动，用于对所述激光器频率进行粗调；
DFB激光器，用于发射激光；
合束器，用于多路激光合束到一根光纤中输出；
气体吸收池，用于待测气体充分吸收红外光；
配气系统，用于配置气体吸收池内气体环境；
光电探测器，安装光电探测器于气体吸收池输出端，用于将接收到的光信号转换为电信号；
模数转换器，输入端连接光电探测器，用于将模拟信号转换为数字信号；
FPGA，用于产生调制信号以及解调模数转换器输出的信号，并进行气体浓度反演；
数模转换器，用于将FPGA产生的调制信号转换为模拟信号，并输出到激光器驱动。
一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量系统，包括如下步骤：
步骤1：FPGA输出接口与数模转换器连接，将FPGA产生的调制信号转换为模拟信号输出至激光器驱动；
步骤2：激光器驱动连接激光器，激光器输出光功率后经过气体吸收池，再由光电探测器接收；
步骤3：光电探测器输出端后接示波器，光电探测器接收到目标气体后等待示波器波形显示充分吸收；
步骤4：将光电探测器输出端接到模数转换器输入端，进行模数转换，模数转换器的输出端与FPGA的输入端连接，在FPGA通过算法进行并行同步解调，并进行气体浓度反演。
进一步地，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1：使用双路数字锁相放大算法并行同步解调待测信号；
步骤4.2：使用多组分气体二次谐波分离算法抑制谱线重叠，提取二次谐波信号；
步骤4.3：通过Lambert-Beer定律反演相关气体浓度。
进一步地，所述步骤4.1具体包括如下步骤：
双路数字锁相放大算法原理为相敏检波技术，包含了待测信号S(t)、两路参考信号R1(t)和R2(t)，两个乘法器以及两个低通滤波器，所述两路参考信号为FPGA(9)上调制信号发生器生成的两路原始调制信号；
步骤4.1.1：待测信号通过ADC，进入FPGA(9)分别与两路参考信号做乘法，得到两路乘积信号U1(t)和U2(t)；
令含有背景噪声N(t)的待测信号S(t)为：
参考信号R1(t)和参考信号R2(t)幅值相等、频率相等，但是相位差为90度，即互相正交：
待测信号S(t)分别和参考信号R1(t)和R2(t)进入乘法器做乘法：
当待测信号S(t)的频率与参考信号R1(t)以及参考信号R2(t)的频率相等时，差频信号变为直流信号，上式可化为：
步骤4.1.2：两路乘积信号U1(t)和U2(t)分别通过低通滤波器将高频的和频信号以及噪声信号过滤，得到两路输出U1out和U2out：
联立可得：
步骤4.1.3：待测信号S(t)的幅值A可以由两路乘积信号U1(t)和U2(t)计算得出。
进一步地，所述步骤4.2具体包括如下步骤：
经过双路数字锁相放大算法提取出的谐波信号包含两种待测气体的浓度信息，两种气体的吸收谱线会因谱线展宽机制而发生交叉干扰而影响系统的检测精度，再通过基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法，提取和重构待测气体的二次谐波信号抑制谱线重叠，将两种气体的二次谐波信号完全分离；
步骤4.2.1：所述基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法的实质是分解待测气体的2f信号，使二次谐波信号展开为一组子信号。为了将待处理的信号分解为一系列子信号，首先需要构建子信号库，一个完整的子信号库可由一个窗口函数g(t)∈L2(R)的线性运算实现。其中L2(R)为Hilber空间，g(t)为实函数且连续可微。定义子函数的变换尺度为γ＝(s,ξ,u)，则子函数可表示为：
其中，s为扩张尺度，ξ为调制频率，u为平移距离；
对于任意函数f(x)，可由子函数的线性集合表示，即：
其中，Sn为分离系数，只有确定合适的子函数库，才能快速地表示f(t)；
步骤4.2.2：本系统中待分解的信号为2f信号，因此，所用的时频子函数库与每种待检测气体的2f信号有关。设待测气体的种类为N，则子函数库中的函数数目为N。考虑到子函数在时间范围和频域范围都是确定的，因此γ＝(1,0,u)；
步骤4.2.3：定义gγ(t)为浓度为α的标准气体吸收信号的二次谐波，则：
gγ(t)＝αg(t-u)
则混合气体的二次谐波可表示为：
其中，m为迭代的次数，Ci为第i种待测气体的浓度，Rm(t)为迭代m次后分解的余项，其物理意义为信号噪声。当余项的模小于规定的阈值后，即可停止迭代；
步骤4.2.4：有N种待测气体，即子函数库内只有N个子函数。因此直接使用N次拟合分离算法计算N种气体的浓度。
进一步地，所述步骤4.3具体包括如下步骤：
步骤4.3.1：TDLAS气体浓度检测技术中的核心原理就是Lambert-Beer定律：
I(λ)＝I0(λ)exp[-α(v)CL]
I(λ)代表红外光被待测气体吸收之后的出射光强，I0(λ)代表红外光从可调谐半导体激光器入射的初始光强，α(v)表示的是待测气体在入射光频率V处的吸收系数，在特定的频率v下是一个常数，C代表待测气体的浓度，即所需检测的值，L是红外光在被待测气体吸收过程中所经过的光程；
步骤4.3.2：气体吸收系数α(v)可以表示成一个以谱线中心频率v0为中心的归一化线型函数：
α(v)＝K(T)f(v-v0)
K(T)代表的是吸收谱线的线强度，吸收谱线的线强度和偶极矩变化程度与能级跃迁的概率有关，所以吸收谱线的线强度是温度T的函数，一般K(T)这个值可以根据HITRAN在线数据库得到。式中的f(v-v0)代表的就是谱线的线型函数，由于线型函数是归一化函数，因此即线型函数对频率积分值为1，这条定律对任意一种线型都适用；
步骤4.3.3：对半导体激光器使用低频三角波电流调制的基础上，增加高频正弦波的电流调制，调制后的激光器输出的红外光频率为：
v(t)＝v0+δvsin(wt)
其中，v0表示调制信号的中心频率，δ表示高频正弦波的调制幅度。Lambent-Beer定律中的α(v)CL<<1，因为近红外波段吸收系数α(v)一般很小，并且我们测量的气体浓度都是ppm级别，光程长度一般也就几米，故Lambent-Beer定律可以改写为I(λ)＝I0(λ)[1-α(v)CL]；
步骤4.3.4：在所述步骤4.3的基础上，将吸收系数α(v)进行傅里叶级数分解，得到：
其中，An代表的就是吸收系数α(v)的n阶傅里叶系数，同时也表示吸收系数α(v)的n次谐波的幅度；
步骤4.3.5：得到吸收系数α(v)的各次谐波之后，利用数字锁相放大算法提取出被待测气体充分吸收后探测器接收到的吸收信号的各次谐波的幅度：
Sn(λ)＝KI0(λ)AnCL
其中，K为吸收信号经过数字锁相放大算法放大之后的增益倍数。在所述步骤4.1.3的基础上，吸收信号各次谐波分量的幅度大小只与待测气体的浓度C有关，而且是成线性关系，因此我们可以不必计算出上式中的K，I0(λ)以及An，直接通过两点标定的方式得出谐波幅度Sn与待测气体浓度C之间的正比例系数即可准确的测量出气体的浓度。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置，具备以下有益效果：
本发明，通过多光源单探测器的方式即多个信号光组合在一起，仅用一个探测器进行信号接收，较之于传统多气体检测中每个发生组件和探测组件独立，探测多个目标需要独立调节多组装置，本发明多个信号仅需要调节一组光路，提升集成度。同时提出一种双路数字锁相放大算法，基于FPGA对进行多通道并行同步数字解调，提升效率，避免传统锁相放大电路电子元器件的噪声干扰，降低功耗，使得此系统具备较高的抗噪能力，并且提出一种基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法，通过提取和重构待测气体的二次谐波信号抑制谱线重叠，提高气体检测的精确度和环境适应性，降低成本，更加利于日后的维护和优化。
附图说明
图1为本发明实例提供的基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置结构示意图；
图2为本发明实例提供的基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量系统结构示意图；
图3为本发明实例提供的双路数字锁相放大算法流程示意图；
图4为本发明实例提供的基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法流程示意图。
图中，1、激光器驱动；2、DFB激光器；3、合束器；4、光纤准直器；5、气体吸收池；6、配气系统；7、光电探测器；8、模数转换器；9、FPGA；10、数模转换器。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提出的一种基于数字调制解调TDLAS的多气体同步测量装置包括：
激光器驱动1、DFB激光器2、合束器3、光纤准直器4、气体吸收池5、配气系统6、光电探测器7、模数转换器8、FPGA9、数模转换器10；
使用所述FPGA9产生调制波形，驱动所述数模转换器10将数字信号转变为模拟信号输出到所述激光器驱动1调谐所述DFB激光器2的输出波长，所述DFB激光器2出射激光到所述合束器3将多路激光合束到一根光纤中输出，再通过所述气体吸收池5到所述光电探测器7，由所述光电探测器7接收并转化为电信号，携带气体信息的电信号由所述模数转换器8转换为数字信号并传输至FPGA9通过算法进行解调，对解调后的二次谐波信号反演待测气体浓度，最终得到待测气体的浓度信息。
所述数模转换器10与所述激光器驱动1和FPGA9连接，输入端连接所述FPGA9，用于接收FPGA9中调制信号发生器产生的低频扫描信号和高频调制信号，输出端连接所述激光器驱动1，用于将转换后的模拟信号输出到激光器驱动1；
所述激光器驱动1输入端连接所述数模转换器10的输出端，用于驱动DFB激光器2发射激光；
所述DFB激光器2激光输出端连接所述合束器3，安装于所述激光器驱动1的安装座上，用于发射待测气体吸收峰频率的近红外可见光；
所述合束器3输出端连接光纤准直器4接口，用于将多路激光合束到一根光纤中输出；
所述气体吸收池5输入端连接光纤准直器4，输出端连接所述光电探测器7，接通配气系统6进行气体环境配置，用于待测气体吸收发射到所述气体吸收池5的红外光；
所述光电探测器7输出端与所述模数转换器8输入端连接，用于将接收到的激光进行光电转换；
所述模数转换器8输出端连接所述FPGA9的输入端，用于将光电探测器输出的信号转化为数字信号传输给所述FPGA9；
所述FPGA9板载数据采集驱动，将接收到的含有待测气体浓度信息的信号通过算法进行解调，提取出含有待测气体浓度信息的谐波信号，最后进行气体浓度的反演计算，得到待测气体浓度。
进一步地，所述激光器驱动1采用是亢特科技的蝶形封装温控电流集成驱动安装座，控温稳定度为0.01℃，驱动电流范围为0～250mA，模拟调制带宽100kHz，支持外部模拟调制。
进一步地，所述激光器为DFB半导体激光器2，中心波长覆盖目标气体吸收峰，连续输出光功率为10mW，单模尾纤输出。
进一步地，所述光电探测器7是低噪声前置放大铟镓砷光电探测器，探测波长范围0.8～2.1um，放大并测量气体反射出的激光强度，并将所述激光强度转换为电压信号。所述光电探测器7输出端先连接示波器输入端，待调试完成再连接与所述模数转换器8输入端连接。
进一步地，所述FPGA9通过数字方式产生低频扫描信号和高频调制信号，两路电压信号叠加后转换为电流信号，对DFB激光器2的工作电流进行控制。
本发明实施例还提出了一种基于数字调制解调TDLAS的多气体同步测量方法，包括如下步骤：
S1、使用所述FPGA9产生调制波形，驱动所述数模转换器10将数字信号转变为模拟信号输出到所述激光器驱动1；使用波长调制光谱技术，对DFB激光器2使用低频三角波电流调制的基础上，增加高频正弦波的电流调制，调谐DFB激光器2的输出波长；
S2、所述DFB激光器2出射激光到所述合束器3将多路激光合束到一根光纤中输出，再通过所述气体吸收池5到所述光电探测器7，由所述光电探测器7接收并转化为电信号，携带气体信息的电信号由所述模数转换器8转换为数字信号并传输至FPGA9，通过双路数字锁相放大算法并行同步解调接收到的信号，并使用多组分气体二次谐波分离算法抑制多组分气体谱线交叉干扰，提取出含有待测气体浓度信息的二次谐波信号；
S3、对处理后的二次谐波信号幅值进行提取，对提取后的数据点进行拟合，通过拟合得到的最小二乘法拟合方程形如Y＝aX+b反演待测气体浓度，最终得到待测气体的浓度信息。
如图2所示，本发明实施例还提出了一种基于数字调制解调TDLAS的多气体同步测量系统，包括：
激光器驱动1，用于对所述激光器频率进行粗调；
DFB激光器2，用于发射激光；
合束器3，用于多路激光合束到一根光纤中输出；
气体吸收池5，用于待测气体充分吸收红外光；
配气系统6，用于配置气体吸收池内气体环境；
光电探测器7，安装光电探测器于气体吸收池输出端，用于将接收到的光信号转换为电信号；
模数转换器8，输入端连接光电探测器，用于将模拟信号转换为数字信号；
FPGA9，用于产生调制信号以及解调模数转换器输出的信号，并进行气体浓度反演；
数模转换器10，用于将FPGA产生的调制信号转换为模拟信号，并输出到激光器驱动。
进一步地，所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体同步测量系统的检测过程，包括如下步骤：
步骤1：FPGA9输出接口与数模转换器10连接，将FPGA9产生的调制信号转换为模拟信号输出至激光器驱动1；
步骤2：激光器驱动1连接激光器2，激光器2输出光功率后经过气体吸收池5，再由光电探测器7接收；
步骤3：光电探测器7输出端后接示波器，光电探测器7接收到目标气体后等待示波器波形显示充分吸收；
步骤4：将光电探测器7输出端接到模数转换器8输入端，进行模数转换，模数转换器8的输出端与FPGA9的输入端连接，在FPGA9通过算法进行并行同步解调，并进行气体浓度反演。
进一步地，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1：如图3所示，使用双路数字锁相放大算法并行同步解调待测信号；
步骤4.2：如图4所示，使用多组分气体二次谐波分离算法抑制谱线重叠，提取二次谐波信号；
步骤4.3：通过Lambert-Beer定律反演相关气体浓度。
进一步地，所述步骤4.1具体包括如下步骤：
双路数字锁相放大算法原理为相敏检波技术，包含待测信号S(t)、两路参考信号R1(t)和R2(t)，两个乘法器以及两个低通滤波器，所述两路参考信号为FPGA上调制信号发生器生成的两路原始调制信号；
步骤4.1.1：待测信号通过ADC，进入FPGA分别与两路参考信号做乘法，得到两路乘积信号U1(t)和U2(t)；
令含有背景噪声N(t)的待测信号S(t)为：
参考信号R1(t)和参考信号R2(t)幅值相等、频率相等，但是相位差为90度，即互相正交：
待测信号S(t)分别和参考信号R1(t)和R2(t)进入乘法器做乘法：
当待测信号S(t)的频率与参考信号R1(t)以及参考信号R2(t)的频率相等时，差频信号变为直流信号，上式可化为：
步骤4.1.2：两路乘积信号U1(t)和U2(t)分别通过低通滤波器将高频的和频信号以及噪声信号过滤，得到两路输出U1out和U2out：
联立可得：
步骤4.1.3：待测信号S(t)的幅值A可以由两路乘积信号U1(t)和U2(t)计算得出。
进一步地，所述步骤4.2具体包括如下步骤：
经过双路数字锁相放大算法提取出的谐波信号包含两种待测气体的浓度信息，两种气体的吸收谱线会因谱线展宽机制而发生交叉干扰而影响系统的检测精度，通过基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法，提取和重构待测气体的二次谐波信号抑制谱线重叠，将两种气体的二次谐波信号完全分离；
步骤4.2.1：所述基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法的实质是分解待测气体的2f信号，使二次谐波信号展开为一组子信号。为了将待处理的信号分解为一系列子信号，首先需要构建子信号库，一个完整的子信号库可由一个窗口函数g(t)∈L2(R)的线性运算实现。其中L2(R)为Hilber空间，g(t)为实函数且连续可微。定义子函数的变换尺度为γ＝(s,ξ,u)，则子函数可表示为：
/>
其中，s为扩张尺度，ξ为调制频率，u为平移距离；
对于任意函数f(x)，可由子函数的线性集合表示，即：
其中，Sn为分离系数，只有确定合适的子函数库，才能快速地表示f(t)；
步骤4.2.2：本系统中待分解的信号为2f信号，因此，所用的时频子函数库与每种待检测气体的2f信号有关。设待测气体的种类为N，则子函数库中的函数数目为N。考虑到子函数在时间范围和频域范围都是确定的，因此γ＝(1,0,u)；
步骤4.2.3：定义gγ(t)为浓度为α的标准气体吸收信号的二次谐波，则：
gγ(t)＝αg(t-u)
则混合气体的二次谐波可表示为：
其中，m为迭代的次数，Ci为第i种待测气体的浓度，Rm(t)为迭代m次后分解的余项，其物理意义为信号噪声。当余项的模小于规定的阈值后，即可停止迭代；
步骤4.2.4：有N种待测气体，即子函数库内只有N个子函数。因此直接使用N次拟合分离算法计算N种气体的浓度。
进一步地，所述步骤4.3具体包括如下步骤：
步骤4.3.1：TDLAS气体浓度检测技术中的核心原理就是Lambert-Beer定律：
I(λ)＝I0(λ)exp[-α(v)CL]
I(λ)代表红外光被待测气体吸收之后的出射光强，I0(λ)代表红外光从可调谐半导体激光器入射的初始光强，α(v)表示的是待测气体在入射光频率v处的吸收系数，在特定的频率v下是一个常数，C代表待测气体的浓度，即所需检测的值，L是红外光在被待测气体吸收过程中所经过的光程；
步骤4.3.2：气体吸收系数α(v)可以表示成一个以谱线中心频率v0为中心的归一化线型函数：
α(v)＝K(T)f(v-v0)
K(T)代表的是吸收谱线的线强度，吸收谱线的线强度和偶极矩变化程度与能级跃迁的概率有关，所以吸收谱线的线强度是温度T的函数，一般K(T)这个值可以根据HITRAN在线数据库得到。式中的f(v-v0)代表的就是谱线的线型函数，由于线型函数是归一化函数，因此即线型函数对频率积分值为1，这条定律对任意一种线型都适用；
步骤4.3.3：对半导体激光器使用低频三角波电流调制的基础上，增加高频正弦波的电流调制，调制后的激光器输出的红外光频率为：
v(t)＝v0+δvsin(wt)
其中，v0表示调制信号的中心频率，δv表示高频正弦波的调制幅度。Lambent-Beer定律中的α(v)CL<<1，因为近红外波段吸收系数α(v)一般很小，并且我们测量的气体浓度都是ppm级别，光程长度一般也就几米，故Lambent-Beer定律可以改写为I(λ)＝I0(λ)[1-α(v)CL]；
步骤4.3.4：在所述步骤4.3的基础上，将吸收系数α(v)进行傅里叶级数分解，得到：
其中，An代表的就是吸收系数α(v)的n阶傅里叶系数，同时也表示吸收系数α(v)的n次谐波的幅度；
步骤4.3.5：得到吸收系数α(v)的各次谐波之后，利用数字锁相放大算法提取出被待测气体充分吸收后探测器接收到的吸收信号的各次谐波的幅度：
Sn(λ)＝KI0(λ)AnCL
其中，K为吸收信号经过数字锁相放大算法放大之后的增益倍数。在所述步骤4.1.3的基础上，吸收信号各次谐波分量的幅度大小只与待测气体的浓度C有关，而且是成线性关系，因此我们可以不必计算出上式中的K，I0(λ)以及An，直接通过两点标定的方式得出谐波幅度Sn与待测气体浓度C之间的正比例系数即可准确的测量出气体的浓度。
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明，使用多光源单探测器的方式即多个信号光组合在一起，仅用一个探测器进行信号接收，较之于传统多气体检测中每个发生组件和探测组件独立，探测多个目标需要独立调节多组装置，本发明多个信号仅需要调节一组光路，提升集成度。同时提出一种双路数字锁相放大算法，基于FPGA对进行多通道并行同步数字解调，提升效率，避免传统锁相放大电路电子元器件的噪声干扰，降低功耗，使得此系统具备较高的抗噪能力。并且提出一种基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法，通过提取和重构待测气体的二次谐波信号抑制谱线重叠，提高气体检测的精确度和环境适应性，降低成本，更加利于日后的维护和优化。
应当注意，本发明的方法部分的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)
1.一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置，包括：激光器驱动(1)、DFB激光器(2)、合束器(3)、光纤准直器(4)、气体吸收池(5)、配气系统(6)、光电探测器(7)、模数转换器(8)、FPGA(9)、数模转换器(10)；其特征在于：
所述数模转换器(10)与所述激光器驱动(1)和FPGA(9)连接，输入端连接所述FPGA(9)，用于接收FPGA(9)中调制信号发生器产生的低频扫描信号和高频调制信号，输出端连接所述激光器驱动(1)，用于将转换后的模拟信号输出到激光器驱动(1)；
所述激光器驱动(1)输入端连接所述数模转换器(10)的输出端，用于驱动DFB激光器(2)发射激光；
所述DFB激光器(2)激光输出端连接所述合束器(3)，安装于所述激光器驱动(1)的安装座上，用于发射待测气体吸收峰频率的近红外可见光；
所述合束器(3)输出端连接光纤准直器(4)接口，用于将多路激光合束到一根光纤中输出；
所述气体吸收池(5)输入端连接光纤准直器(4)，输出端连接所述光电探测器(7)，接通配气系统(6)进行气体环境配置，用于待测气体吸收发射到所述气体吸收池(5)的红外光；
所述光电探测器(7)输出端与所述模数转换器(8)输入端连接，用于将接收到的激光进行光电转换；
所述模数转换器(8)输出端连接所述FPGA(9)的输入端，用于将光电探测器(7)输出的信号转化为数字信号传输给所述FPGA(9)；
所述FPGA(9)板载数据采集驱动，将接收到的含有待测气体浓度信息的信号通过算法进行解调，提取出含有待测气体浓度信息的谐波信号，最后进行气体浓度的反演计算，得到待测气体浓度。
2.如权利要求1所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置，其特征在于，所述激光器驱动(1)采用是亢特科技的蝶形封装温控电流集成驱动安装座，控温稳定度为0.01℃，驱动电流范围为0～250mA，模拟调制带宽100kHz，支持外部模拟调制；所述激光器为DFB激光器(2)，中心波长覆盖目标气体吸收峰，连续输出光功率为10mW，单模尾纤输出；所述光电探测器(7)是低噪声前置放大铟镓砷光电探测器(7)，探测波长范围0.8～2.1um，放大并测量气体反射出的激光强度，并将所述激光强度转换为电压信号，所述光电探测器(7)输出端先连接示波器输入端，待调试完成再连接与所述模数转换器(8)输入端连接。
3.如权利要求1所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置，其特征在于，所述FPGA(9)通过数字方式产生低频扫描信号和高频调制信号，两路电压信号叠加后转换为电流信号，对DFB激光器(2)的工作电流进行控制。
4.根据权利要求1-3任一项所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量装置的同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用所述FPGA(9)产生调制波形，驱动所述数模转换器(10)将数字信号转变为模拟信号输出到所述激光器驱动(1)；使用波长调制光谱技术，对DFB激光器(2)使用低频三角波电流调制的基础上，增加高频正弦波的电流调制，调谐DFB激光器(2)的输出波长；
S2、所述DFB激光器(2)出射激光到所述合束器(3)将多路激光合束到一根光纤中输出，再通过所述气体吸收池(5)到所述光电探测器(7)，由所述光电探测器(7)接收并转化为电信号，携带气体信息的电信号由所述模数转换器(8)转换为数字信号并传输至FPGA(9)，通过双路数字锁相放大算法并行同步解调接收到的信号，并使用多组分气体二次谐波分离算法抑制多组分气体谱线交叉干扰，提取出含有待测气体浓度信息的二次谐波信号；
S3、对处理后的二次谐波信号幅值进行提取，对提取后的数据点进行拟合，通过拟合得到的最小二乘法拟合方程形如Y＝aX+b反演待测气体浓度，最终得到待测气体的浓度信息。
5.根据权利要求4所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量方法的同步测量系统，其特征在于，包括：
激光器驱动(1)，用于对所述激光器频率进行粗调；
DFB激光器(2)，用于发射激光；
合束器(3)，用于多路激光合束到一根光纤中输出；
气体吸收池(5)，用于待测气体充分吸收红外光；
配气系统(6)，用于配置气体吸收池(5)内气体环境；
光电探测器(7)，安装光电探测器(7)于气体吸收池(5)输出端，用于将接收到的光信号转换为电信号；
模数转换器(8)，输入端连接光电探测器(7)，用于将模拟信号转换为数字信号；
FPGA(9)，用于产生调制信号以及解调模数转换器(8)输出的信号，并进行气体浓度反演；
数模转换器(10)，用于将FPGA(9)产生的调制信号转换为模拟信号，并输出到激光器驱动(1)。
6.如权利要求5所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：FPGA(9)输出接口与数模转换器(10)连接，将FPGA(9)产生的调制信号转换为模拟信号输出至激光器驱动(1)；
步骤2：激光器驱动(1)连接激光器，激光器输出光功率后经过气体吸收池(5)，再由光电探测器(7)接收；
步骤3：光电探测器(7)输出端后接示波器，光电探测器(7)接收到目标气体后等待示波器波形显示充分吸收；
步骤4：将光电探测器(7)输出端接到模数转换器(8)输入端，进行模数转换，模数转换器(8)的输出端与FPGA(9)的输入端连接，在FPGA(9)通过算法进行并行同步解调，并进行气体浓度反演。
7.根据权利要求6所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量系统，其特征在于，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1：使用双路数字锁相放大算法并行同步解调待测信号；
步骤4.2：使用多组分气体二次谐波分离算法抑制谱线重叠，提取二次谐波信号；
步骤4.3：通过Lambert-Beer定律反演相关气体浓度。
8.根据权利要求7所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量系统，其特征在于，所述步骤4.1具体包括如下步骤：
双路数字锁相放大算法原理为相敏检波技术，包含了待测信号S(t)、两路参考信号R1(t)和R2(t)，两个乘法器以及两个低通滤波器，所述两路参考信号为FPGA(9)上调制信号发生器生成的两路原始调制信号；
步骤4.1.1：待测信号通过ADC，进入FPGA(9)分别与两路参考信号做乘法，得到两路乘积信号U1(t)和U2(t)；
令含有背景噪声N(t)的待测信号S(t)为：
参考信号R1(t)和参考信号R2(t)幅值相等、频率相等，但是相位差为90度，即互相正交：
待测信号S(t)分别和参考信号R1(t)和R2(t)进入乘法器做乘法：
当待测信号S(t)的频率与参考信号R1(t)以及参考信号R2(t)的频率相等时，差频信号变为直流信号，上式可化为：
步骤4.1.2：两路乘积信号U1(t)和U2(t)分别通过低通滤波器将高频的和频信号以及噪声信号过滤，得到两路输出U1out和U2out：
联立可得：
步骤4.1.3：待测信号S(t)的幅值A可以由两路乘积信号U1(t)和U2(t)计算得出。
9.根据权利要求7所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量系统，其特征在于，所述步骤4.2具体包括如下步骤：
经过双路数字锁相放大算法提取出的谐波信号包含两种待测气体的浓度信息，两种气体的吸收谱线会因谱线展宽机制而发生交叉干扰而影响系统的检测精度，再通过基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法，提取和重构待测气体的二次谐波信号抑制谱线重叠，将两种气体的二次谐波信号完全分离；
步骤4.2.1：所述基于多项式拟合的多组分气体二次谐波分离算法的实质是分解待测气体的2f信号，使二次谐波信号展开为一组子信号。为了将待处理的信号分解为一系列子信号，首先需要构建子信号库，一个完整的子信号库可由一个窗口函数g(t)∈L2(R)的线性运算实现。其中L2(R)为Hilber空间，g(t)为实函数且连续可微。定义子函数的变换尺度为γ＝(s，ξ，u)，则子函数可表示为：
其中，s为扩张尺度，ξ为调制频率，u为平移距离；
对于任意函数f(x)，可由子函数的线性集合表示，即：
其中，Sn为分离系数，只有确定合适的子函数库，才能快速地表示f(t)；
步骤4.2.2：本系统中待分解的信号为2f信号，因此，所用的时频子函数库与每种待检测气体的2f信号有关。设待测气体的种类为N，则子函数库中的函数数目为N。考虑到子函数在时间范围和频域范围都是确定的，因此γ＝(1，0，u)；
步骤4.2.3：定义gγ(t)为浓度为α的标准气体吸收信号的二次谐波，则：
gγ(t)＝αg(t-u)
则混合气体的二次谐波可表示为：
其中，m为迭代的次数，Ci为第i种待测气体的浓度，Rm(t)为迭代m次后分解的余项，其物理意义为信号噪声。当余项的模小于规定的阈值后，即可停止迭代；
步骤4.2.4：有N种待测气体，即子函数库内只有N个子函数。因此直接使用N次拟合分离算法计算N种气体的浓度。
10.根据权利要求7所述一种基于数字调制解调TDLAS的多气体浓度同步测量系统，其特征在于，所述步骤4.3具体包括如下步骤：
步骤4.3.1：TDLAS气体浓度检测技术中的核心原理就是Lambert-Beer定律：
I(λ)＝I0(λ)exp[-α(v)CL]
I(λ)代表红外光被待测气体吸收之后的出射光强，I0(λ)代表红外光从可调谐半导体激光器入射的初始光强，α(v)表示的是待测气体在入射光频率v处的吸收系数，在特定的频率v下是一个常数，C代表待测气体的浓度，即所需检测的值，L是红外光在被待测气体吸收过程中所经过的光程；
步骤4.3.2：气体吸收系数α(v)可以表示成一个以谱线中心频率v0为中心的归一化线型函数：
α(v)＝K(T)f(v-v0)
K(Y)代表的是吸收谱线的线强度，吸收谱线的线强度和偶极矩变化程度与能级跃迁的概率有关，所以吸收谱线的线强度是温度T的函数，一般K(T)这个值可以根据HITRAN在线数据库得到。式中的f(v-v0)代表的就是谱线的线型函数，由于线型函数是归一化函数，因此即线型函数对频率积分值为1，这条定律对任意一种线型都适用；
步骤4.3.3：对半导体激光器使用低频三角波电流调制的基础上，增加高频正弦波的电流调制，调制后的激光器输出的红外光频率为：
v(t)＝v0+δvsin(wt)
其中，v0表示调制信号的中心频率，δv表示高频正弦波的调制幅度。Lambent-Beer定律中的α(v)CL＜＜1，因为近红外波段吸收系数α(v)一般很小，并且我们测量的气体浓度都是ppm级别，光程长度一般也就几米，故Lambent-Beer定律可以改写为I(λ)＝I0(λ)[1-α(v)CL]；
步骤4.3.4：在所述步骤4.3的基础上，将吸收系数α(v)进行傅里叶级数分解，得到：
其中，An代表的就是吸收系数α(v)的n阶傅里叶系数，同时也表示吸收系数α(v)的n次谐波的幅度；
步骤4.3.5：得到吸收系数α(v)的各次谐波之后，利用数字锁相放大算法提取出被待测气体充分吸收后探测器接收到的吸收信号的各次谐波的幅度：
Sn(λ)＝KI0(λ)AnCL
其中，K为吸收信号经过数字锁相放大算法放大之后的增益倍数。在所述步骤4.1.3的基础上，吸收信号各次谐波分量的幅度大小只与待测气体的浓度C有关，而且是成线性关系，因此我们可以不必计算出上式中的K，I0(λ)以及An，直接通过两点标定的方式得出谐波幅度Sn与待测气体浓度C之间的正比例系数即可准确的测量出气体的浓度。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202410313945.2A CN118225729A (zh) | 2024-03-19 | 2024-03-19 | 一种基于数字调制解调tdlas的多气体浓度同步测量装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| CN118225729A true CN118225729A (zh) | 2024-06-21 |
Family
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Family Applications (1)
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| CN202410313945.2A Pending CN118225729A (zh) | 2024-03-19 | 2024-03-19 | 一种基于数字调制解调tdlas的多气体浓度同步测量装置 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN118225729A (zh) |
-
2024
- 2024-03-19 CN CN202410313945.2A patent/CN118225729A/zh active Pending
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