基于激光光譜吸收技術(shù)的氣體濃度檢測系統(tǒng)的研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于激光光譜吸收技術(shù)的氣體濃度檢測系統(tǒng)的研究畢業(yè)設(shè)計(jì) 目錄1.緒論11.1課題研究背景11.2 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用21.3 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢21.4 本文研究的主要內(nèi)容42. 調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)52.1 吸收光譜學(xué)理論52.2 譜線強(qiáng)度52.3 吸收線性62.4 本章小結(jié)83. 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)93.1 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)概述93.2 各部分主要器件93.2.1 光源93.2.2 激光驅(qū)動器113.2.3 光電檢測器113.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理過程123.4 本章小結(jié)124. 吸收光譜系統(tǒng)優(yōu)化的研究134.1 諧波

2、次數(shù)的選擇134.2 相敏檢測的參數(shù)優(yōu)化134.2.1 鎖相放大器的帶寬134.2.2 鎖相放大器的相位對諧波信號的影響144.3 激光器調(diào)制參數(shù)的優(yōu)化144.3.1 調(diào)制度對諧波信號的影響144.3.2 調(diào)制頻率對諧波信號的影響154.3.3 掃描信號幅度對諧波信號的影響164.3.4 掃描信號頻率對諧波信號的影響164.4 本章小結(jié)165. 氣體濃度反演的方法研究185.1 系統(tǒng)噪聲來源185.1.1 探測器噪聲185.2.2 激光額外噪聲185.1.3 剩余幅度調(diào)制195.1.4 光學(xué)干涉條紋195.2 背景噪聲對系統(tǒng)的影響195.3 氣體濃度反演的方法研究205.3.1 直接比例反演法

3、用于濃度反演205.3.2 最小二乘法用于濃度反演205.3.3 線性擬合法用于濃度反演215.4 本章小結(jié)226. 總結(jié)與展望236.1 全文總結(jié)236.2 工作展望24參考文獻(xiàn)25致謝291 緒論1.1 課題研究背景環(huán)境是人類賴以生存的基礎(chǔ)。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且逐漸危害著人類的生存環(huán)境,因此環(huán)境保護(hù)已成為很多國家的研究課題之一。全球氣候變化、溫室效應(yīng)、光化學(xué)煙霧的形成、酸雨、平流層中臭氧層的破壞等等,這一切都在影響著人類的生存環(huán)境,它們的形成都與大氣中痕量氣體的濃度有關(guān)。例如:煤炭、石油天然氣的過量燃燒造成空氣中C02濃度上升,引起地球表面變

4、熱造成海平面上升、氣候反常、土地干旱等,同時(shí)也對人體機(jī)能造成影響,引起頭疼、乏力、嘔吐、呼吸困難等中毒癥狀;又如,由于石油化工生產(chǎn)、污水/垃圾處理廠、汽油發(fā)動機(jī)廢氣、冶金工業(yè)等的生產(chǎn)加工過程及各種化工原料加工和使用過程以及木材、煙草等有機(jī)物不完全燃燒過程而產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物由于其具有毒性、刺激性、致癌作用會導(dǎo)致人體呈現(xiàn)種種不適1、2。大氣中的痕量污染氣體主要包括:CO2、CH4、N2O、NH3、SO2、C2H2、C2H4、C2H6等等,它們的濃度主要在ppt-ppm量級范圍內(nèi)3、4。精確測量這些痕量氣體成分對大氣污染監(jiān)測及治理非常重要。 大氣痕量氣體監(jiān)測技術(shù)主要分為化學(xué)法和光譜法。傳統(tǒng)的空氣污

5、染監(jiān)測方法是以濕式化學(xué)技術(shù)和吸氣取樣后的實(shí)驗(yàn)分析為基礎(chǔ)的,但由于其響應(yīng)慢、預(yù)處理過程復(fù)雜,無法滿足大氣污染氣體的實(shí)時(shí)、在線、遙感監(jiān)測的需要。而逐漸發(fā)展起來的光譜學(xué)在這些方面有明顯的優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在:易于實(shí)現(xiàn)完全非接觸在線自動監(jiān)測、儀器的靈敏度高、測量范圍廣、可反映一個(gè)區(qū)域的平均污染程度、系統(tǒng)易于維護(hù)等等。光譜法是利用光和大氣污染分子相互作用特性來進(jìn)行監(jiān)測的。近年來在環(huán)境污染監(jiān)測中幾種很有應(yīng)用前景的光學(xué)和光譜技術(shù)有5、6:紫外到可見波段的差分吸收光譜學(xué)技術(shù)、多種污染物監(jiān)測的紅外波段傅里葉變換紅外光譜技術(shù)、可調(diào)諧二極管激光吸收光譜學(xué)技術(shù)、差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)等。在這些技術(shù)中,調(diào)諧

6、二極管激光吸收光譜技術(shù)憑借其高靈敏度、響應(yīng)時(shí)間快,可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的特點(diǎn)而越來越廣泛的應(yīng)用于大氣污染痕量氣體的監(jiān)測。 本課題旨在通過對調(diào)諧激光光譜技術(shù)用于環(huán)境氣體檢測的實(shí)驗(yàn)研究,對氣體在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行模擬,以生產(chǎn)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大氣痕量氣體檢測儀。1.2 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用 上世紀(jì)60年代,出現(xiàn)了通過注入電流來調(diào)制半導(dǎo)體激光二極管的技術(shù)7, 70年代,Hinkley和Reid等人提出了可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)8、9。此后,可調(diào)諧激光二極管吸收光譜學(xué)越來越受到人們的重視,并逐漸應(yīng)用到痕量氣體監(jiān)測上。隨著光通訊和光電子技術(shù)的發(fā)展,二極管激光器也迅速商品化,特別是近紅外二極管

7、激光器具有體積小、壽命長和光電轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),成為了環(huán)境痕量分子監(jiān)測的理想光源。 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的原理是利用分子單一分立吸收線的吸收光譜來獲取氣體的各種屬性如:濃度、溫度等。當(dāng)光通過某種介質(zhì)時(shí),光電磁波會與介質(zhì)的分子、原子相互作用使得光被吸收和散射而產(chǎn)生衰減,由于氣體分子對光的散射很微弱,遠(yuǎn)小于被測量氣體分子的吸收光能,故可以忽略。根據(jù)測定氣體吸收特定波長光的程度,可求出氣體相應(yīng)的各種屬性。 可調(diào)諧二極管激光器與長光程吸收技術(shù)相結(jié)合,在大氣化學(xué)研究和污染氣體監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。其技術(shù)特點(diǎn)是:1探測靈敏度高,一般可達(dá)到ppmppt量級,能夠滿足大氣中痕量氣體監(jiān)測的要求;2由于分

8、子光譜的“指紋”特性,它們的選擇性很強(qiáng),利用二極管激光可調(diào)諧和高光譜分辨率的特點(diǎn),可以對特定分子在特定光譜范圍內(nèi)的光譜吸收進(jìn)行測量進(jìn)而反演得到氣體的濃度;3探測范圍廣,響應(yīng)時(shí)間快,非常適合大范圍現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測。高分辨率、高靈敏度、良好的選擇性、實(shí)時(shí)、動態(tài),這些特點(diǎn)使得調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)成為痕量氣體快速、在線分析的有效方法之一。1.3 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 隨著可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜的廣泛應(yīng)用,越來越多的專家、學(xué)者投入到對系統(tǒng)的深入研究,在系統(tǒng)檢測理論方面做出突出的貢獻(xiàn)10、11。經(jīng)過近30年的發(fā)展,調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)成功的應(yīng)用于大氣化學(xué)研究和污染氣體監(jiān)

9、測中12、13。上世紀(jì)80年代,國外就開始有基于二極管光譜技術(shù)測量氣體濃度的相關(guān)文獻(xiàn)14、15,90年代則出現(xiàn)了大量相關(guān)文章,報(bào)道了許多污染氣體濃度的二極管激光光譜技術(shù)的測量方法16。當(dāng)時(shí),德國、美國、日本、俄國、意大利和瑞典等國在激光光譜技術(shù)用于大氣污染氣體監(jiān)測方面做了大量研究工作,取得了重大突破17。例如:1995年,德國海德爾堡大學(xué)的P.Werle垂直外腔面發(fā)射激光器在760nm處探測O2濃度18;1996美國的D.M.Sonnernfor提出了用二極管激光器探測NO2濃度19;2000年,瑞典的U.Gustafsson等人利用二極管激光器和差頻等非線性光學(xué)技術(shù)同時(shí)監(jiān)測CH4、O2和H2

10、O20、21。 在環(huán)境保護(hù)重視程度和環(huán)境監(jiān)測技術(shù)水平上,我國與國外發(fā)達(dá)國家還是存在一定的差距,但經(jīng)過20多年的發(fā)展,我國環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)水平和能力都有了較大的提高。以中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所為代表的一些科研院所,逐步展開了環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究以及監(jiān)測儀器的開發(fā)22。1985年安光所采用分立調(diào)諧的CO2激光器成功研制監(jiān)測大氣污染的第一個(gè)紅外差分吸收激光雷達(dá)23;1993年有研制成功我國第一臺差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng),并應(yīng)用于工廠乙烯現(xiàn)場實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測、空氣中NO2氣體濃度的在線監(jiān)測;2000年,安光所完成了“紫外差分吸收光譜法煙道SO2在線監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)”的開發(fā)24;2002年,安光所初步研制出基

11、于二極管激光光譜的CO2的檢測技術(shù),并取得初步應(yīng)用,但儀器測量精度不高,體積龐大,價(jià)格昂貴,不適宜普及。隨后安光所應(yīng)用調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)對機(jī)動車尾氣CO和CO2展開遙測研究,并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)測分析;還研制了可調(diào)諧激光光譜甲烷監(jiān)測儀25、26,為工業(yè)中甲烷氣體的濃度監(jiān)測提供了一種新的檢測方法。除了部分科研院所,一批新興的優(yōu)秀企業(yè)也在氣體監(jiān)測方面逐漸壯大起來。杭州聚光科技有限公司運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù),結(jié)合中國各行業(yè)的實(shí)際需求,開發(fā)了LGA系列激光在線氣體分析儀,在鋼鐵、石化、環(huán)保、航天等行業(yè)取得了良好的應(yīng)用。 盡管調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)在理論探索和各行業(yè)的應(yīng)用上都取得了很大的成功,但在巨大的

12、社會需求方面仍未充分發(fā)揮其作用,仍然有許多問題需要解決。除了在理論方面繼續(xù)探討影響調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)靈敏度、檢測極限的調(diào)制參數(shù)外,影響調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要因素是二極管激光器。激光器的調(diào)諧范圍限制了調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)可檢測氣體的種類。目前的調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)多采用單模激光器,這種激光器單色性好,一般的調(diào)諧范圍在1nm-2nm,一種激光器只針對一種氣體進(jìn)行檢測。為了能實(shí)現(xiàn)多種氣體同時(shí)在線監(jiān)測,許多學(xué)者、研究單位嘗試同時(shí)使用多個(gè)激光器,并取得了初步的進(jìn)展。但多路激光器系統(tǒng)的缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、測量相應(yīng)時(shí)間長。還有些學(xué)者把眼光放在尋找新型的具有寬調(diào)諧

13、范圍的激光光源。1.4 本文研究的主要內(nèi)容 我本文主要研究內(nèi)容如下: 第一章為緒論。首先闡述了本文的研究背景和意義,并分析了大氣監(jiān)測領(lǐng)域的幾種方法;介紹了調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的發(fā)展歷程和技術(shù)特點(diǎn),對國內(nèi)外調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了探討;提出調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)的選擇;最后概括出論文的主要工作及各章節(jié)主要內(nèi)容。第二章以氣體吸收光譜學(xué)理論為基礎(chǔ),分析了不同吸收線型和氣體參數(shù)的關(guān)系。闡述了這種諧波被吸收的原理,為后面吸收譜系統(tǒng)研究奠定了理論基礎(chǔ)。 第三章在吸收光譜學(xué)理論的基礎(chǔ)上,提出了可調(diào)諧激光二極管吸收光譜用于氣體檢測的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),根據(jù)調(diào)諧二極管激光吸收光譜

14、技術(shù)對半導(dǎo)體激光器的要求選擇了激光光源并對其調(diào)諧性能進(jìn)行測試,闡述了激光控制單元、長光程氣體池、光電接收器的選擇及其性能分析。根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)預(yù)處理流程。 第四章對吸收光譜系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行了研究。對奇次諧波和偶次諧波的變化規(guī)律進(jìn)行分析;在一定的理論基礎(chǔ)上分析了調(diào)制度、調(diào)制頻率、掃描信號幅度、掃描信號頻率對諧波信號幅值、信噪比、峰型對稱性及峰寬的具體影響,總結(jié)出各參數(shù)影響檢測信號的一般規(guī)律,并指出在明確系統(tǒng)功能及需求后如何選取參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng),對此類系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。 第五章討論了調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)中存在的幾種噪聲的來源以及相應(yīng)的削弱噪聲的方法,并深入探討

15、了以背景信號方式存在的噪聲對檢測信號產(chǎn)生的影響,以及如何通過扣除背景信號抑制剩余幅度調(diào)制和光學(xué)干涉條紋及其他一些干擾信號的影響以提高系統(tǒng)的檢測靈敏度。給出了三種濃度反演的方法:通過比例關(guān)系直接反演法、最小二乘擬合反演法和線性關(guān)系反演法,分析了三種方法的原理從而選擇本系統(tǒng)濃度反演的方法。 第六章為總結(jié)與展望。對全文工作內(nèi)容進(jìn)行總結(jié),并提出了下一步的研究方向。2 調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)2.1 吸收光譜學(xué)理論 調(diào)諧激光器吸收光譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是吸收光譜學(xué)理論。一種氣體的激光二極管吸收光譜測量主要決定于氣體分子的譜線中心波長、譜線強(qiáng)度和譜線線型函數(shù)。要精確測量氣體的動態(tài)參數(shù),我們必須清楚譜線

16、位置、譜線強(qiáng)度和譜線線型函數(shù)等吸收特征跟環(huán)境參數(shù)溫度、壓強(qiáng)等的關(guān)系。 所有的原子或分子均能吸收電磁波,且對吸收的波長有選擇性,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于分子的能量具有量子化的特征。在正常狀態(tài)下原子或分子處于一定能級,經(jīng)光激發(fā)后分子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。但分子不能任意吸收各種能量只能吸收相當(dāng)于兩個(gè)或幾個(gè)能級之差的能量,即只能吸收一定能量的光子或其倍數(shù)。當(dāng)以某一范圍的光波連續(xù)照射分子或原子時(shí),有某些波長的光被吸收,于是產(chǎn)生了由吸收譜線所組成的吸收光譜。 原子或分子吸收光子后能量由基態(tài)的e1,提高到激發(fā)態(tài)的ef,其能量的改變E與所吸收的光子的能量e相等。該能量與被吸收光的頻率f成正比,其關(guān)系由下式表示:

17、 2-1式中h是普朗克常量。光頻率f和波長、波數(shù)、光速c的關(guān)系: 2-2 由于氣體分子的結(jié)構(gòu)千差萬別,其內(nèi)部運(yùn)動形式以及原子間的相互作用相當(dāng)復(fù)雜。分子中的電偶極躍遷形式包括:電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變的能級躍遷;分子振動或轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的躍遷;分子的振動和轉(zhuǎn)動狀態(tài)同時(shí)改變而引起的躍遷。外層電子運(yùn)動狀態(tài)改變的能級躍遷所產(chǎn)生的吸收、發(fā)射光譜代表了分子的電子光譜,處于紫外及可見光區(qū),這種躍遷的能量大;而雙原子分子及部分多原子分子的振動、轉(zhuǎn)動能級躍遷能量相對來說要小一些,一般為0.05ev1ev,因此振動和轉(zhuǎn)動光譜主要集中在近紅外譜區(qū);純轉(zhuǎn)動光譜在微波譜區(qū)和遠(yuǎn)紅外譜區(qū)27。2.2 譜線強(qiáng)度 譜線強(qiáng)度是指單位時(shí)

18、間、單位體積原子吸收輻射的總能量,描述的是吸收峰中對光子的吸收程度。強(qiáng)度為,頻率為的單色激光,通過長度為L的吸收介質(zhì)后,在接收端測得的強(qiáng)度為I,設(shè)Ti為透射率,則有: 2-3式中是吸收系數(shù)。在穿越單一吸收氣體單一吸收譜線時(shí)。是一定溫度下的譜線強(qiáng)度;gcm是吸收譜線線型函數(shù),并且;Pabsatm是總體壓強(qiáng):N是吸收氣體單位體積內(nèi)的分子數(shù),代表吸收氣體的濃度。其中線強(qiáng)是溫度的函數(shù),線型與壓力有關(guān)。 分子能級躍遷的線強(qiáng),反映了吸收和受激發(fā)射的綜合效果,它依賴于躍遷概率和處于低能態(tài)和高能態(tài)的分子數(shù)目。光學(xué)躍遷概率與溫度無關(guān),而低能態(tài)和高能態(tài)的分子數(shù)是溫度的函數(shù)。吸收譜線的譜線強(qiáng)度ST是吸收氣體分子的一

19、個(gè)基本屬性。各種氣體分子的譜線強(qiáng)度都可以在幾個(gè)公開數(shù)據(jù)庫中查表得到,其中被廣泛應(yīng)用的就是HITRAN數(shù)據(jù)庫27。一定溫度下的譜線強(qiáng)度ST可由下述公式計(jì)算得出:2-4 式中,Q是摩爾分子量函數(shù),E是分子躍遷的底層能量,h是普朗克常量,k是玻爾茲曼常量,c是光速,ST0是在參考溫度T0下的光譜線強(qiáng)度。2.3 吸收線性 分子的紅外光譜包括純轉(zhuǎn)動光譜和轉(zhuǎn)動-振動光譜。分子的轉(zhuǎn)動-振動光譜由一系列轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)線組成,即所謂轉(zhuǎn)動-振動光譜帶。在理想化的描述中,每一條光譜線對應(yīng)一個(gè)確定的頻率,其光譜輪廓只用一條沒有寬度的幾何線表示。但采用大色散、高分辨率光譜儀觀察譜線時(shí),可以看到不管是發(fā)射譜線還是吸收譜線,都不

20、是幾何線,而是具有一定的輪廓與寬度,稱為譜線的線型和寬度。它與原子結(jié)構(gòu)及光源的溫度、場強(qiáng)有關(guān),而與光譜儀無關(guān)。以頻率為橫坐標(biāo),輻射強(qiáng)度的相對值為縱坐標(biāo),光譜線都可以由圖2-1所示的曲線表示。在強(qiáng)度下降到一半時(shí),所對應(yīng)的頻率間隔,稱為譜線的全半值寬度,簡稱譜線線寬或譜線半寬。線寬是線型函數(shù)中一個(gè)很重要的參數(shù)。圖2-1 吸收線譜的線寬 根據(jù)光譜線展寬形成的主要原因,把光譜展寬分為三種類型28:自然展寬、碰撞展寬和多普勒展寬。 自然展寬: 在沒有任何外界因素影響的情況下,自發(fā)輻射是不穩(wěn)定的,會具有一定的壽命。如果粒子在能級E1和E2之間躍遷,由于E1和E2分別具有自然寬度E1和E2,所以躍遷產(chǎn)生的譜

21、線不是單一頻率的譜線,而是寬度為的譜線, (2-5)這時(shí)的譜線展寬為自然展寬,它取決于原子結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)。 2碰撞展寬: 因輻射分子與干擾分子相互碰撞而引起的譜線展寬叫做碰撞展寬29。其基本原理是:氣體分子的碰撞縮短了激發(fā)態(tài)原子的平均壽命,進(jìn)而導(dǎo)致能級寬度增加,即碰撞展寬的作用可等效為激發(fā)態(tài)能級壽命的縮短,而激發(fā)態(tài)壽命縮短的程度,取決于原子發(fā)生碰撞的激烈程度30。可以由原子平均碰撞時(shí)間L來表征,也就是由碰撞引起的原子激發(fā)態(tài)壽命L,其引起的光譜加寬為: 2-6實(shí)驗(yàn)證明,這種碰撞加寬和氣體的壓力成正比,因此又把這種加寬稱為壓力加寬31。 3多普勒展寬: 光譜線的多普勒展寬是由光波的多普勒效應(yīng)造成的

22、,氣體分子總是在高速運(yùn)動的,運(yùn)動原子發(fā)光的頻率有多普勒頻移,因而引起光譜加寬,稱之為多普勒加寬32。由于氣體分子的運(yùn)動情況符合麥克斯韋-高斯分布,因此對應(yīng)的氣體多普勒加寬的線型函數(shù)一般為高斯型33。 洛倫茲線型是由于粒子之間的互相碰撞引起的,不僅依賴于壓強(qiáng)P,還依賴于分子的碰撞截面,而高斯線型只依賴于溫度T34。由于譜線線型和環(huán)境壓強(qiáng)P和溫度T有關(guān),基于氣體吸收線型的識別,可用來測量氣體的壓力或者溫度。2.4 本章小結(jié) 本章首先介紹了氣體吸收光譜學(xué)理論,分析了不同吸收線型和氣體參數(shù)的關(guān)系。為后面調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。3 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)3.1 調(diào)諧二極管激光吸收光譜

23、技術(shù)系統(tǒng)概述 圖3.1為調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)的示意圖。LD0為可調(diào)諧激光二極管光源,在本文的研究中只考慮使用一支激光器,將來還可根據(jù)實(shí)際需求對激光光源進(jìn)行擴(kuò)展。樣品池里面便是我們實(shí)驗(yàn)所要測量的待測氣體,激光經(jīng)過待測氣體后由光譜儀來接受激光的信號,然后通過光/電轉(zhuǎn)換器將光譜儀接受的激光信號轉(zhuǎn)換為我們可以直接測量的電信號,后面經(jīng)過數(shù)據(jù)處理就可以通過數(shù)據(jù)反演從而得到樣品池的氣體參數(shù)。 圖3-1試驗(yàn)總體框圖 3.2 各部分主要器件3.2.1 光源 半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、省電等特點(diǎn),可調(diào)諧二極管激光器作為半導(dǎo)體激光器的一種,除了具備這些優(yōu)點(diǎn)外,最重要的特點(diǎn)是可以通過注入電

24、流和溫度的變化調(diào)制其光的頻率,所以可調(diào)諧二極管激光器作為波長調(diào)制光譜技術(shù)的光源非常方便。 從結(jié)構(gòu)上來說,半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器主要包括:法布里-珀羅型激光二極管、可調(diào)諧分布反饋激光器、分布布拉格反射鏡激光器、垂直腔面發(fā)射激光器和外腔半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器種類繁多,選擇合適的激光器也是影響波長調(diào)制技術(shù)探測靈敏度的重要因素。 用于調(diào)諧激光吸收光譜檢測技術(shù)的半導(dǎo)體激光器應(yīng)該具備的特點(diǎn)是35:較窄的譜線寬度;較高的功率密度。分析不同激光器具備的特點(diǎn):外腔式的法布里-珀羅型二極管半導(dǎo)體激光器雖然擴(kuò)展了可調(diào)諧范圍,但這種激光器易跳模,輸出光功率的線性度較差;可調(diào)諧分布反饋激光器具有無跳模、長期穩(wěn)定性的特點(diǎn)

25、,且調(diào)諧精度較高;分布布拉格反射鏡激光器調(diào)諧范圍較寬,其突出優(yōu)點(diǎn)是調(diào)諧速度快,但因其也存在跳模的問題,對激光器工作時(shí)的穩(wěn)定性有著嚴(yán)重影響;可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器容易實(shí)現(xiàn)二維平面陣列是它的一大特點(diǎn),雖然造價(jià)不高但可調(diào)諧精度沒有可調(diào)諧分布反饋激光器高;可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器可在很寬的波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大功率輸出,但其大功率輸出容易使氣體吸收達(dá)到飽和,且其造價(jià)較高。相比而言,可調(diào)諧分布反饋激光器不僅具有優(yōu)良的動態(tài)單模輸出特性和穩(wěn)定性,同時(shí)還具有不受電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕性、工作可靠等許多優(yōu)點(diǎn)。 目前商業(yè)可調(diào)諧分布反饋二極管激光器的主要波長范圍在0.6um-1.8um,基本上覆蓋了近紅外區(qū)的大部分區(qū)域

26、,因此可調(diào)諧分布反饋二極管激光器是可調(diào)諧二極管激光吸收光譜很好的光源。 本系統(tǒng)目前使用的是蝶形封裝的InGaAsP分布反饋式二級管激光器FOLl5DDBA-A3l,如圖3-2所示。其中心發(fā)射波長為1582nm,邊模抑制比45dB。閾值工作電流為10mA,最大工作電流130mA,工作溫度范圍為-570。C?？烧{(diào)諧激光器的輸出渡長隨電流和溫度變化的特點(diǎn)是波長調(diào)制的基礎(chǔ),因此有必要對其光譜特性進(jìn)行測試。 圖3-2試驗(yàn)用FOLl5DDBA可調(diào)諧二極管激光器1、電流調(diào)諧特性 由于激光器的閾值電流典型值為10mA,因此我們選擇激光二極管的起始注入電流為15mA,以保證激光器正常工作。測量儀器為Perkin

27、 Elmer公司的傅里葉變換紅外光譜儀Spectrum GX。調(diào)節(jié)激光控制器來改變激光二極管的注人電流,使電流從15mA到l30mA變化,測量0、10、20、30、35時(shí)激光二級管的輸出波長隨電流的變化情況,激光管的輸出波長隨電流基本上呈線性變化,且各個(gè)溫度下的變化趨勢基本一致36。2、激光發(fā)射功率與激光控制電流之間的關(guān)系 二極管激光器的發(fā)射功率同發(fā)射波長一樣,也隨著激光控制電流的變化而變化;仍然使激光二極管的注入電流在15mA至130mA之間變化,用光譜儀測量了不同溫度下激光器的輸出能量,分析得激光器的發(fā)射功率隨電流也近似呈線性變化。3.2.2 激光驅(qū)動器 可調(diào)諧二極管激光器的輸出波長是通過

28、調(diào)制注入電流和控制其溫度來實(shí)現(xiàn)的,因此調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)需要具有能夠調(diào)制激光注入電流,控制激光器工作溫度的設(shè)備。我們采用了美國ILX Lightwaves公司的多通道激光驅(qū)動器LD3908,它有八個(gè)通道,每個(gè)通道均有一個(gè)電流驅(qū)動模塊和一個(gè)溫度驅(qū)動模塊,可同時(shí)對八個(gè)二極管激光器進(jìn)行精確的溫度和電流控制。它還可以將外部輸入的任意波形電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號提供給激光器,同時(shí)提供電流過載保護(hù)。可根據(jù)激光器本身的性能,通過激光驅(qū)動器來設(shè)定其閾值電流、閾值溫度、工作電流、工作溫度等參數(shù)。其控制面板如圖3-3所示。 圖3-3 激光驅(qū)動器前控制面板3.2.3 光電檢測器 光電探測器是調(diào)諧二極管激光

29、吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)中的重要部件,它的作用是將探測到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并輸入給后續(xù)放大電路.其性能也會影響整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。我們選用帶熱電制冷器的InGaAsSb光電二極管檢測器PD25.如圖3-4所示,其響應(yīng)被長范圍為1100nm2500nm,能夠適應(yīng)較寬的長波近紅外光譜感光面直徑為0.5mm,能夠有效探測較大光斑。它還具有快速響應(yīng)時(shí)間,能夠適應(yīng)高頻率的調(diào)制信號的特點(diǎn)。 圖3-4 試驗(yàn)用光電二極管PD25-053.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理過程 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)采集到的信號以被測樣品的特征光譜為主導(dǎo),包含了噪聲、各種外界干擾因素。噪聲主要來自高頻隨機(jī)噪聲、基線漂移、信號本底、樣品不均勻、光散

30、射等37。為了消除儀器掃描過程中不可避免的噪聲,減少種種外界因素帶入的影響以得到氣體的有效信息,應(yīng)對儀器檢測所得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行以下預(yù)處理。 由調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)采集到的光譜信號中既含有有用信息,同時(shí)也疊加著隨機(jī)誤差噪聲。信號平均是消除噪聲最常用的一種方法,其基本假設(shè)是光譜含有的噪聲為零均隨機(jī)白噪聲,多次測量取平均值可降低噪聲提高信噪比。系統(tǒng)在采集氣體吸收信號的同時(shí)還采集一路參考信號。測量一次可采集n個(gè)周期的氣體吸收信號,以參考信號最低點(diǎn)為基準(zhǔn)與氣體吸收信號對齊,截取n-1個(gè)完整的周期信號并做平均,多次平均可有效降低檢測信號中的白噪聲。3.4 本章小結(jié) 第三章在第二章吸收光譜學(xué)理論

31、的基礎(chǔ)上,提出了可調(diào)諧激光二極管吸收光譜用于氣體檢測的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),根據(jù)調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)對半導(dǎo)體激光器的要求選擇了激光光源。介紹了激光控制單元、光電接收器的性能。根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)預(yù)處理流程,對系統(tǒng)控制軟件的主要功能模塊進(jìn)行了介紹。 4 吸收光譜系統(tǒng)優(yōu)化的研究 4.1 諧波次數(shù)的選擇 從前面章節(jié)我們知道,鎖相放大器能夠輸出各階諧波信號,且各階調(diào)諧波信號的強(qiáng)度都正比于待測氣體的濃度,因此從原則上說,調(diào)制譜的各階諧波都可用來檢測氣體濃度。我們分別分析C02的一次至八次諧波信號,無論是奇次諧波還是偶次諧波,諧波信號的幅度都隨著諧波次數(shù)的增加而減小,且一次諧波和二次諧波信號的幅度明顯大于

32、其他諧波信號。在吸收峰位置,奇次諧波信號的大小為0,而偶次諧波信號的最大值正好是吸收峰的諧振位置,因此在波長調(diào)制吸收光譜氣體檢測中多用偶次諧波中的二次諧波信號進(jìn)行檢測。也有文獻(xiàn)報(bào)道四次、六次或八次諧波檢測會得到比二次諧波更好的靈敏度。在本系統(tǒng)中,二次諧波信號同時(shí)具備最大的幅度和信噪比,因此選擇二次諧波信號作為檢測目標(biāo)。4.2 相敏檢測的參數(shù)優(yōu)化 在調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)中,光電探測器的作用是將攜帶有氣體信息的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,之后這個(gè)電信號要送入到鎖相放大器進(jìn)行相敏檢測,最后輸出諧波信號?？梢?鎖相放大器的參數(shù)也會直接影響諧波信號,進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的精度及靈敏度。本節(jié)就相敏檢測的幾個(gè)

33、重要參數(shù)對系統(tǒng)優(yōu)化的影響進(jìn)行討論。4.2.1 鎖相放大器的帶寬 前面已經(jīng)了解到,一個(gè)典型的鎖相放大器由信號通道、參考通道和相關(guān)器組成,按相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,它需要一個(gè)乘法器和一個(gè)積分器。從理論上講,用一個(gè)模擬乘法器和一個(gè)積分時(shí)間為無限長的積分器,可以從任意大的噪聲中將微弱信號檢測出來。但在實(shí)際使用當(dāng)中,乘法器多采用動態(tài)范圍大、線路簡單的開關(guān)線路來實(shí)現(xiàn),而積分器則采用近似的積分器,即低通濾波器,根據(jù)測量對象的實(shí)際情況來決定積分時(shí)間的長短。 積分器的時(shí)間常數(shù)決定了相關(guān)器的等效噪聲帶寬。系統(tǒng)中分別采集了不同時(shí)間常數(shù)下鎖相放大器輸出的二次諧波信號。時(shí)間常數(shù)較小時(shí)如300us,1ms,3ms,等效噪聲

34、帶寬較寬,信號能得到較大程度的放大。但同時(shí)也引進(jìn)了較大的噪聲,時(shí)間常數(shù)越長,等效噪聲帶寬越窄。抑制噪聲的能力也就越強(qiáng),但時(shí)間常數(shù)過長如300ms,1ms時(shí),容易使得信號強(qiáng)度太小以致失真,故在實(shí)際使用中應(yīng)采取折中處理,既能較好地抑制噪聲,同時(shí)也能得到不失真的、幅度較大的輸出信號。4.2.2 相放大器的相位對諧波信號的影響 在本文的系統(tǒng)中,我們選用了同步信號輸出作為鎖相放大器的輸出,一是系統(tǒng)能夠較好的保證輸入信號和參考信號的同步以得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的同步信號輸出,二是后續(xù)研究中會用到同步信號輸出中所包含的其他信息。4.3 激光器調(diào)制參數(shù)的優(yōu)化 波長調(diào)制技術(shù)和諧波檢測技術(shù)的結(jié)合,目前已被廣泛應(yīng)用于氣體濃

35、度的檢測。調(diào)制光譜技術(shù)檢測的諧波信號特征除了與被測氣體的吸收特征有關(guān)外,還與波長掃描參數(shù)和電流調(diào)制參數(shù)有密切的關(guān)系40。通過研究不同的波長掃描參數(shù)和調(diào)制參數(shù)下的諧波信號,分析它們的波形特征和穩(wěn)定性,以便尋求最佳的波長掃描參數(shù)和電流調(diào)制參數(shù),從而使諧波曲線的穩(wěn)定性和線型狀態(tài)達(dá)到最佳,為氣體濃度反演以及系統(tǒng)其他方面的應(yīng)用提供良好的依據(jù)。4.3.1 調(diào)制度對諧波信號的影響 正弦調(diào)制信號的調(diào)制幅度在理論分析中通常進(jìn)行歸一化換算成調(diào)制度,將信號發(fā)生器輸出的電壓調(diào)制幅度換算為激光器輸出的波長調(diào)制幅度,那么調(diào)制度m/,其中為被測吸收譜線的半高半峰寬。經(jīng)由鎖相放大器解調(diào)得到的n次諧波線型是激光頻率和調(diào)制度的函

36、數(shù),即n次諧波信號各點(diǎn)的幅值與其所在的頻率位置和系統(tǒng)的調(diào)制度有關(guān)。因此調(diào)制度是影響信號幅值和線型的首要因素,其影響主要體現(xiàn)在激光器輸入電流的調(diào)制和檢測信號解調(diào)的過程中。 a)調(diào)制度對諧波信號信噪比的影響 對于一個(gè)完整的二次諧波信號,信號幅值要用于后期的濃度計(jì)算中,因此幅值的大小直接影響濃度計(jì)算的精度。諧波信號的波形具有一定的規(guī)律,各點(diǎn)的幅值均具有相互的關(guān)系,因此可以用信號的最大幅值來衡量信號整體的幅值水平,二次諧波信號的最大值出現(xiàn)在中心吸收頻率上,當(dāng)信號幅值達(dá)到最大值時(shí)對應(yīng)的調(diào)制度稱為最佳調(diào)制度。這與光譜儀分辨率不足而導(dǎo)致測量的電流調(diào)諧系數(shù)不準(zhǔn)確有關(guān),也與系統(tǒng)其他方面的誤差有關(guān)。 諧波信號的信

37、噪比是我們更關(guān)心的指標(biāo),計(jì)算不同調(diào)制度下信號的信噪比時(shí),由于信號在預(yù)處理的時(shí)候已經(jīng)經(jīng)過多次平均以及粗大誤差的剔除,信號的噪聲得到了較好的抑制且其大小基本不隨調(diào)制度變化,因此各調(diào)制度下信噪比分布與幅值分布趨勢相近。在實(shí)際工作中,應(yīng)結(jié)合信噪比來考慮最佳調(diào)制度的選擇,從而達(dá)到提高系統(tǒng)檢測極限的目的。b)調(diào)制度對信號峰寬的影響 雖然調(diào)制度的增加會使氣體吸收光譜信號幅度增大,但同時(shí)也伴隨著譜線展寬越來越大。在這里我們用峰寬來表示譜線展寬的程度,二次諧波的峰寬指一個(gè)諧波信號覆蓋的波長,本文將信號的兩個(gè)谷值之間的距離作為信號的峰寬值。二次諧波信號的峰寬隨著調(diào)制度的增加單調(diào)遞增變寬。最優(yōu)調(diào)制度雖然對應(yīng)著最大強(qiáng)

38、度的檢測信號,但帶來的譜線展寬會對相鄰譜線的測量造成干擾。因此,在考慮調(diào)制度的選擇時(shí),應(yīng)充分考慮吸收光譜信號強(qiáng)度信噪比及峰寬的相互制約關(guān)系,以便選擇最適合系統(tǒng)工作的參數(shù)。 4.3.2 調(diào)制頻率對諧波信號的影響 頻率調(diào)制的基本原理是通過高頻調(diào)制某個(gè)依賴于頻率的信號,使其掃描待測的特征信號,然后在信號處理系統(tǒng)中,以調(diào)制頻率或調(diào)制頻率的倍頻作為參考信號,用鎖相放大器記錄下要得到的特征信息,這一特征信息是由調(diào)制信號產(chǎn)生的一系列諧波信息。諧波檢測的理論計(jì)算表明,相同的調(diào)制振幅下,調(diào)制頻率的不同也會導(dǎo)致其光譜信號發(fā)生改變。 在不同調(diào)制頻率下,除信號的最大幅值外均呈逐漸下降趨勢,而信噪比的分布也呈相同趨勢。

39、理論上,調(diào)制頻率越高,對噪聲的抑制越好,但在實(shí)際工作中,調(diào)制頻率升高到一定程度后對噪聲的影響就不再明顯,這是由于調(diào)制頻率足夠高的時(shí)候,檢測器的l/f噪聲已經(jīng)被抑制到很小的程度,再提高調(diào)制頻率就沒有很大的必要。另一方面,較高的調(diào)制頻率對系統(tǒng)硬件的要求也會增高,高工作頻率范圍的鎖相放大器會增加系統(tǒng)的成本。綜合以上因素,當(dāng)系統(tǒng)以檢測氣體濃度為主要用途時(shí),調(diào)制頻率應(yīng)以幅值和信噪比為依據(jù)進(jìn)行確定。 不同調(diào)制頻率下二次諧波信號的峰高比值沒有呈現(xiàn)出單調(diào)變化的趨勢,信號的峰高比值在諧波信號的峰高時(shí)更接近1,其他位置的值呈無規(guī)律變化趨勢。同時(shí)。信號峰寬值隨著調(diào)制頻率的升高單調(diào)遞減。 4.3.3 掃描信號幅度對諧

40、波信號的影響 鋸齒波信號的幅度決定了掃描的波長范圍,波長范圍過小觀察不到完整的諧波信號,波長范圍過大會出現(xiàn)其他吸收線干擾,并且掃描信號幅度過大會對激光器產(chǎn)生一定的損害。 保持其他調(diào)制參數(shù)不變,在一定范圍內(nèi)選用不同幅度的鋸齒波,隨著掃描信號幅度的增加,電流調(diào)諧范圍增大,檢測吸收譜線的范圍變寬。 除此之外,相比于調(diào)制度和調(diào)制頻率,掃描幅度對信號的最大幅值、信噪比、對稱性、峰寬的影響均在很細(xì)微的范圍內(nèi),在確定掃描幅度的時(shí)候可以不考慮信號的特征,只考慮激光器掃描的波長范圍即可。在線型分析時(shí),為了得到較為完整的二次諧波信號,掃描范圍通常要覆蓋信號兩側(cè)的基線。4.3.4 描信號頻率對諧波信號的影響 鋸齒波

41、掃描信號的頻率主要影響激光器的波長掃描速率和信號的采樣時(shí)間,其最大幅值和信噪比均隨著掃描頻率的增加而單調(diào)遞減,峰高比值及峰寬隨著掃描頻率的增加而單調(diào)遞增。在濃度計(jì)算時(shí)應(yīng)選擇較小的掃描頻率以得到較大信號幅值和信噪比,而在線型分析時(shí)應(yīng)考慮對稱性和峰寬因素進(jìn)行選擇,信號中心波長的偏移表明掃描頻率對激光器的工作狀態(tài)具有一定影響。 掃描頻率增加,使得每個(gè)周期的掃描時(shí)間減少,在信號采樣率固定的情況下,每個(gè)周期的采樣點(diǎn)相應(yīng)減少,采樣點(diǎn)的減少會使信號幅值的精度受到影響,進(jìn)而影響計(jì)算得出的濃度值,另一方面,單周期掃描時(shí)間的減少又為快速檢測提供了條件,在不追求精度的情況下掃描頻率的提高使得快速瞬時(shí)檢測成為可能。由

42、此掃描頻率的選取要根據(jù)系統(tǒng)需求而定,掃描頻率提高,系統(tǒng)的檢測速度提高而檢測精度下降,掃描頻率降低,系統(tǒng)的檢測速度降低而檢測精度提高。4.4 本章小結(jié)本章對吸收光譜系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行了討論。對于諧波次數(shù)的選擇,原則上各階諧波信號都可用于氣體濃度的檢測,分別分析了奇次諧波和偶次諧波的變化規(guī)律,并選擇二次諧波作為本文主要的研究對象。分析了鎖相放大器的積分時(shí)間和相位對輸出諧波信號的影響,并給出了本系統(tǒng)合適的積分時(shí)間選擇和輸出方式。調(diào)制參數(shù)的優(yōu)化是本章的重點(diǎn)內(nèi)容。以往的文獻(xiàn)大多只分析了調(diào)制度對系統(tǒng)工作的影響,本文在一定的理論基礎(chǔ)上分別分析了調(diào)制度、調(diào)制頻率、掃描信號幅度、掃描信號頻率對諧波信號幅值、信噪比、

43、峰型對稱性及峰寬的具體影響,總結(jié)出各調(diào)制參數(shù)影響檢測信號的一般規(guī)律,并指出在明確系統(tǒng)功能及需求后參數(shù)選取的原則。此研究對調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。5 氣體濃度反演的方法研究 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)用于氣體檢測可實(shí)現(xiàn)氣體動態(tài)參數(shù)的快速測量,其中的一個(gè)主要目的是進(jìn)行濃度檢測。通過波長調(diào)制技術(shù)和諧波檢測技術(shù)得到和氣體濃度成正比的諧波信號后,還需要對諧波信號進(jìn)行一定的處理,以反演得到待測氣體的濃度。在氣體檢測過程中,無可避免的會存在各種各樣的噪聲,因此本章首先對系統(tǒng)中存在的噪聲及其來源進(jìn)行分析,研究了背景噪聲對吸收信號的影響,并且給出了反演氣體濃度的方法。5.1

44、系統(tǒng)噪聲來源 在調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)中,主要存在以下幾種噪聲41:1探測器噪聲;2激光額外噪聲;3剩余幅度調(diào)制;4光學(xué)干涉條紋。5.1.1 探測器噪聲 探測器噪聲主要以三種形式存在:熱噪聲,散粒噪聲和1/f噪聲。 探測器的熱噪聲源于電荷本身的隨機(jī)波動,幾乎存在于所有的探測系統(tǒng)中。它依賴于溫度和信號的檢測帶寬,但與頻率和光強(qiáng)無關(guān)。通過制冷或減小頻率帶寬可減小探測器的熱噪聲。 探測器的散粒噪聲與進(jìn)入到探測器上的激光功率的光子噪聲有關(guān)。它與調(diào)制頻率無關(guān),而正比于探測到的激光功率和檢測帶寬的平方根,并且具有白噪聲的頻譜特征。減小散粒噪聲可壓縮系統(tǒng)帶寬以及降低工作電流。 探測器的1/f噪聲被認(rèn)

45、為是半導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間的潛在的連接障礙引起的,也稱為閃爍噪聲,它的特點(diǎn)是隨著頻率的降低而增加。1/f噪聲在很大程度上依賴于探測器的制造過程,在低頻時(shí)lkHz,它是探測器的主要噪聲,當(dāng)頻率變大后,它的影響小于探測器的熱噪聲和散粒噪聲。5.1.2 激光額外噪聲 調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的測量靈敏度經(jīng)常受到激光器的功率波動限制,這種功率上的波動也成為激光的額外噪聲。它可歸根于激光二極管本身固有的噪聲,也可以由外部條件引起,如注入電流噪聲、溫度不穩(wěn)定、機(jī)械振動等。針對不同的情況可采取不同的方法來抑制激光額外噪聲,如可采用高穩(wěn)定性能的恒流源來抑制注入電流的噪聲;可用液態(tài)制冷劑保持溫度恒定;可通過鎖定激

46、光在氣體的吸收特征上來克制機(jī)械振動的影響等。激光額外噪聲也依賴于信號的檢測帶寬,也可通過相應(yīng)的窄帶檢測技術(shù)來對其進(jìn)行抑制。5.1.3 剩余幅度調(diào)制 實(shí)際應(yīng)用中,二極管激光器的發(fā)射波長和發(fā)射功率都隨注入電流的變化而變化。在調(diào)制半導(dǎo)體激光器時(shí),不僅激光波長被調(diào)制而且功率也被調(diào)制,這就是通常所說的振幅調(diào)制或剩余幅度調(diào)制。剩余幅度調(diào)制引起的偏移噪聲,會使調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的靈敏度受到很大影響。這個(gè)偏移是我們不想要的,應(yīng)該想辦法去除。一般可通過扣除零氣信號里包含的同樣的偏移量來去除其對濃度反演的影響。5.1.4 光學(xué)干涉條紋 影響調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)靈敏度的一個(gè)更重要的因素,是加在測量譜上

47、的光學(xué)干涉條紋的存在。它主要來源于光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)具的反射和散射。標(biāo)準(zhǔn)的條紋一般以正弦函數(shù)的形式改變背景信號,其最大間距在波長上大約在10-3-10-2的范圍。一般可通過精心的光學(xué)設(shè)計(jì)和調(diào)制來減少光學(xué)條紋,但想得到更高的靈敏度很困難。常用的技術(shù)有扣除背景和信號的后期處理。5.2 背景噪聲對系統(tǒng)的影響 上文分析了調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)噪聲的主要來源,其中探測器噪聲和激光額外噪聲對系統(tǒng)靈敏度影響較小,主要影響系統(tǒng)靈敏度的是剩余幅度調(diào)制和光學(xué)干涉條紋,它們一般以背景噪聲的形式存在。因此有必要考慮背景噪聲會對信號產(chǎn)生怎樣的影響以及應(yīng)該如何消除它。 采集完氣體的吸收信號后,通入氮?dú)鉀_洗氣體池并持續(xù)一

48、段時(shí)間,直到氣體池內(nèi)沒有待測氣體,待池內(nèi)氮?dú)夥€(wěn)定后采集其諧波信號,作為檢測氣體的背景信號,我們知道背景譜中存在著剩余幅度調(diào)制、光學(xué)干涉條紋和一些其他的干擾噪聲,這些干擾會引起信號的漂移或增加信號噪聲,降低系統(tǒng)檢測的精度。為了消除背景噪聲的影響,將C02的吸收信號扣除背景信號,可以得出,通過扣除背景噪聲,較好地抑制了剩余幅度調(diào)制噪聲和光學(xué)干涉條紋。 當(dāng)檢測較低濃度的C02時(shí),由于有用的吸收信號較微弱而背景噪聲很大,會導(dǎo)致吸收信號無法辨認(rèn),從而影響系統(tǒng)檢測的靈敏度。當(dāng)是很小濃度的C02的吸收信號時(shí),背景信號幾乎將C02的吸收峰淹沒,無法辨認(rèn),而通過扣除背景可有效消除背景噪聲的影響,從而提取出待測氣

49、體分子的吸收光譜?？梢?扣除背景信號是一種降低噪聲,提高系統(tǒng)檢測靈敏度的有效方法。5.3 氣體濃度反演的方法研究5.3.1 直接比例反演法用于濃度反演 根據(jù)第二章介紹的內(nèi)容,我們知道,通過調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)系統(tǒng)測量得到的二次諧波信號幅度是與氣體濃度成正比關(guān)系的,因此可以通過檢測到的二次諧波信號來反演氣體的濃度。一般選擇一個(gè)濃度為C0 較高濃度的同種氣體作為標(biāo)準(zhǔn),測量得到其二次諧波信號的幅度V0,然后對未知濃度為C的氣體進(jìn)行測量,得到其二次諧波信號的幅度V,通過比例關(guān)系CC0V/V0就可求得待測氣體的濃度C。 在5.2節(jié)的分析當(dāng)中,雖然通過扣除背景噪聲能夠有效抑制激光器噪聲、電子學(xué)噪聲以

50、及剩余幅度調(diào)制和光學(xué)干涉條紋的影響,但由于系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及某些噪聲因素會隨時(shí)間而改變,使得背景光譜總是會發(fā)生微小改變,扣除背景并不能完全消除噪聲帶來的干擾。噪聲的存在使得輸出諧波信號的形狀在弱吸收信號時(shí)受到很大的影響,因此待測氣體濃度較低時(shí)測量得到的結(jié)果偏差會更大。5.3.2 最小二乘法用于濃度反演 通過比例關(guān)系直接反演濃度只用到了整個(gè)光譜特征的三個(gè)極值點(diǎn)一個(gè)正峰值,兩個(gè)負(fù)峰值,沒有考慮到全部吸收光譜的信息。為了充分利用諧波信號的光譜信息,可對整個(gè)吸收光譜特征進(jìn)行擬合,以提高反演的精度。具體方法為,利用已知濃度氣體的標(biāo)準(zhǔn)二次諧波光譜對待測氣體的測量光譜進(jìn)行最小二乘擬合,來得到待測氣體的濃度。

51、最小二乘擬合法:設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號譜為xi,測量譜為yi,在一定的范圍內(nèi)測量譜與標(biāo)準(zhǔn)譜為線性關(guān)系: ya+bx5-1 其中a代表基線漂移,與幅值擬合無關(guān);回歸系數(shù)b為幅值比例因子。但由于測量誤差以及其他隨機(jī)因素的干擾,擬合過程中點(diǎn)Aixi,yi往往不會都落在一條直線上,因此我們需要通過觀測數(shù)據(jù)確定一條直線,也就是要確定a和b,使回歸直線與所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都比較接近。為了表示這種“接近”的程度,我們引進(jìn)殘差的概念,用eI表示。一般用殘差平方和來表示所有觀察值與回歸直線的偏離程度: 5-2 最小二乘法,就是選擇a、b使Qa,b最小,這時(shí)得到的回歸直線與所有觀察值最接近。Q是關(guān)于a、b的二次函數(shù),根據(jù)多元函數(shù)求極

52、值的方法,a和b應(yīng)該滿足下列條件: 5-3 通過解方程組5-3,可求的回歸系數(shù)b為: 若已知標(biāo)準(zhǔn)譜對應(yīng)的濃度為C0,則通過標(biāo)準(zhǔn)擬合得到待測氣體的濃度為 CbC05-4 為了反映標(biāo)準(zhǔn)譜與測量譜線之間線性關(guān)系的密切程度,引入了相關(guān)系數(shù)rxy: 5-5 愈接近1,則x和y的相關(guān)性愈大,即反演的濃度值越精確可靠。 最小二乘法擬合反演得出CO2的濃度值比用直接比例關(guān)系反演得到的濃度值更加的接近真實(shí)值,但仍然認(rèn)為誤差較大。5.3.3 線性擬合法用于濃度反演 觀察對比測量的C02的二次諧波信號幅度和濃度的對應(yīng)關(guān)系并進(jìn)行擬合,可以看出二次諧波吸收光譜信號整體趨勢與對應(yīng)濃度值成線性關(guān)系?？梢缘玫酵ㄟ^線性擬合反演的濃度和實(shí)際濃度的相對誤差最小,較之前的直接比例關(guān)系反演方法和最小二乘擬合方法反演得到的濃度值更接近真實(shí)值,而且計(jì)算方法簡單,計(jì)算量小于最小二乘擬合的方法