基于激光吸收光譜的多用途氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計

常岐海

（西藏民族學(xué)院，陜西 威陽 712082）

0 引 言

基于調(diào)制半導(dǎo)體激光吸收光譜 （tunable diode laser absorption spectrum，TDLAS）方法的氣體檢測技術(shù)，相對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體、化學(xué)等傳感器，具有選擇性好、響應(yīng)迅速和靈敏度高等特點(diǎn)，成為氣體檢測技術(shù)的主要研究發(fā)展方向之一。TDLAS技術(shù)不同于傳統(tǒng)傳感器之處在于可利用激光遙感形成非置入現(xiàn)場的自然目標(biāo)短程遙感傳感器，避免高危氣體現(xiàn)場檢測人員的人身傷害[1]。

TDLAS方法利用發(fā)射波長調(diào)制激光穿越氣體，經(jīng)光電探測器接收，分析接收光電信號變化測算激光照射路徑內(nèi)的氣體含量。其中波長調(diào)制是實現(xiàn)高靈敏度檢測的重要環(huán)節(jié)。TDLAS波長調(diào)制檢測方法通過對激光進(jìn)行波長掃描和光強(qiáng)調(diào)制，對接收光信號進(jìn)行相敏檢測。通過提取光吸收信號的高次諧波幅度或線形作為反映氣體含量的特征。TDLAS技術(shù)利用氣體指紋吸收譜線進(jìn)行氣體存在判定及測量，可使復(fù)雜背景氣體組份的干擾大大降低。該技術(shù)在使用前需要對檢測系統(tǒng)定標(biāo)，即形成檢測譜線及相應(yīng)的氣體含量數(shù)據(jù)，以便系統(tǒng)定量檢測[2-3]。

本文詳細(xì)介紹了TDALS方法的各種處理算法，并利用LabWindows/CVI開發(fā)了一套基于TDLAS方法的氣體檢測定標(biāo)和測量的測試實驗系統(tǒng)。

1 TDLAS處理算法

圖 1（a）、（b）、（c）分別給出了 TDLAS 方法的氣體吸收光譜原始、一次諧波和二次諧波信號。由于TDLAS方法中對光譜信號的高次諧波信號的提取近似于對原始信號的求導(dǎo)。從原始調(diào)制吸收信號提取一次諧波信號就去除了線性本底，二次諧波信號的提取則不僅去除了線性本底噪聲，并去除了二次非線性本底噪聲。高次諧波信號隨階數(shù)的增加，信號幅度顯著下降[4]。根據(jù)探測靈敏度和信噪比，實際多選用二次諧波信號作為判定和測量氣體含量的特征信號。TDLAS處理算法可分為諧波信號最小二乘法和諧波比值法。

1.1 諧波信號最小二乘法

TDLAS方法中，可以將光電探測器接收的信號分為定標(biāo)信號（Cal）、本底背景信號（Bgr）和現(xiàn)場檢測信號（Amb）。根據(jù)最小二乘法[5]，可以定義為

其中 Sn=f （Bgrn，Caln），N 為數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)。 函數(shù) f一般認(rèn)為是定標(biāo)信號和本底背景信號的線性組合，如Sn=Bgr+c·Cal，其中c為待定系數(shù)。

現(xiàn)場檢測信號減去本底背景信號，然后參考定標(biāo)信號，并使ξ最小化，求取的待定系數(shù)c即為現(xiàn)場檢測氣體的含量。根據(jù)基于最小二乘法的線性回歸使 ξ最小化，由式（1）可得

為了確定c，對式（2）求取ξ對于c的微分

1.2 諧波比值法

根據(jù)Beer-Lambert定律，調(diào)制激光輸出光強(qiáng)Ⅰ0與輸入光強(qiáng)Ⅰ和氣體濃度之間的關(guān)系[6]可表示為

式中：η——強(qiáng)度調(diào)制因子；

α（f）——?dú)怏w吸收系數(shù)；

f0——中心激光頻率；

fm——掃描頻率的幅度；

ω——電流調(diào)制的角頻率；

C——?dú)怏w濃度；

L——吸收路徑的長度。

在 α（f）CL＜＜1 和 η<<1 條件下，α（f）使用洛倫茨譜線線形，式（6）可簡化為

其中 x=fm/δf， δf為吸收譜線的半高半寬。 式（7）做傅里葉級數(shù)展開，可得一次諧波和二次諧波的表達(dá)式為 Ⅰ1=Ⅰ0η 和 Ⅰ2=-2kα0CLⅠ0，其中 k 為 x 的函數(shù)。一般選擇x=2.2，這樣可以使二次諧波的中心幅值最大，提高信噪比。二次諧波與一次諧波的比值為

圖1 TDLAS方法的氣體吸收光譜原始、一次諧波和二次諧波信號

該比值與吸收氣體含量成正比。式（8）比值消除了Ⅰ0，即消除本底噪聲的影響，提高了定量精度。此外，還有一種比值算法[7]，直接對氣體吸收信號做快速傅里葉變換，取二次諧波頻率對應(yīng)的譜強(qiáng)度與一次諧波頻率對應(yīng)的譜強(qiáng)度做比值，該比值在弱吸收條件下也與吸收氣體含量成正比。該算法是建立在吸收信號的諧波線形在任意頻率處的幅值都與氣體含量成正比基礎(chǔ)上。實際這也說明不需要一定選擇偶次諧波的中心頻率處幅值作為定標(biāo)，選擇高階奇或偶次諧波非譜線頻率中心的其他給定頻率幅值一樣可以進(jìn)行氣體定標(biāo)和檢測。

上述兩種算法有其適用的范圍。對于最小二乘法，一般用于氣體吸收池或封閉空間檢測環(huán)境下的高精度痕量檢測。對于開放環(huán)境條件下，由于采用的線性回歸方法，其對背景噪聲的影響極其敏感，特別是在背景光多變的環(huán)境下，檢測量值會隨背景光的起伏而變化。為了在開放環(huán)境下使用最小二乘法，需要使用平衡探測接收消除背景光的起伏對該算法的影響。比值法相對于最小二乘法檢測精度低，其處理速度快，適用于快速現(xiàn)場檢測或高速移動檢測。比值法需對信號進(jìn)行相關(guān)檢測，以判別是否是氣體的吸收信號。特別是利用比值法進(jìn)行微弱氣體含量檢測，必須進(jìn)行信號的相關(guān)性判別[8]。

2 多用途測試實驗系統(tǒng)

圖2給出了測試系統(tǒng)的原理框圖。該測試系統(tǒng)封裝在一個工控電腦機(jī)箱中，對外預(yù)留激光輸出接口和光電信號輸入接口。外接的氣體吸收池或短程遙測氣體檢測單元僅需通過這兩個接口即可互聯(lián)，方便地實現(xiàn)氣體檢測實驗系統(tǒng)。

圖2 測試系統(tǒng)原理框圖

圖3給出了測試系統(tǒng)的軟件原理框圖。系統(tǒng)定標(biāo)流程與該原理框圖一致。系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)接口參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行不同光譜信號處理算法的選擇。

軟件測試系統(tǒng)采用LabWindows開發(fā)，采用多線程實現(xiàn)。多線程分為采集線程、處理線程、顯示線程和數(shù)據(jù)存儲線程。線程之間使用線程安全隊列TSQ實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。LabWindows提供了兩種在次線程中運(yùn)行代碼的高級機(jī)制，分別是線程池和異步定時器。本測試系統(tǒng)采用線程池方式運(yùn)行次線程，使用指針的指針進(jìn)行TSQ的數(shù)據(jù)讀寫。

圖3 測試系統(tǒng)軟件流程圖

2.1 多線程的實現(xiàn)

實驗系統(tǒng)的多線程實現(xiàn)通過調(diào)用Utility Lib庫函數(shù)CmtScheduleThreadPoolFunctionAdv，把想要運(yùn)行的次線程的函數(shù)名傳遞給上述函數(shù)，線程池調(diào)用這個函數(shù)在它的其中一個線程中運(yùn)行。

Visual C的多線程設(shè)計線程只是在線程內(nèi)運(yùn)行，而LabWindows的多線程設(shè)計線程分為兩部分，一部分維護(hù)線程運(yùn)行，另一部分使用回調(diào)函數(shù)執(zhí)行線程處理[9]。具體在LabWindows中的實現(xiàn)，通過處理線程實例說明如下：

上述處理線程函數(shù)中，首先放置一個線程間傳遞數(shù)據(jù)的隊列，CmtInstallTSQCallback函數(shù)用于在線程中安裝線程安全隊列（TSQ）。While語句判定線程是否運(yùn)行，ProcessSystemEvents函數(shù)進(jìn)行運(yùn)行線程消息抓取。線程結(jié)束后順序使用CmtUninstallTSQCallback和CmtFlushTSQ函數(shù)完成TSQ的釋放。ProcessSystemEvents函數(shù)實現(xiàn)事件的響應(yīng)，防止線程陷入線程死循環(huán)和造成用戶界面無法響應(yīng)操作。否則程序盡管編譯通過，但運(yùn)行會出錯。

2.2 TSQ指針的指針數(shù)據(jù)傳遞

LabWindows平臺給出的TSQ多設(shè)計成FIFO，每次采集的數(shù)據(jù)都放置在TSQ中[10]。對于大數(shù)據(jù)量的采集工作，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)安排是不符合結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)管理。本實驗測試系統(tǒng)利用指針的指針，每次采集的數(shù)據(jù)通過在堆上分配空間，然后將指針傳遞給TSQ實現(xiàn)大量分批次的數(shù)據(jù)傳遞。這樣不僅可以保證程序設(shè)計的明晰，而且保證數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性。以處理線程回調(diào)函數(shù)為例：

要實現(xiàn)指針的指針數(shù)據(jù)傳遞，TSQ函數(shù)指針必須設(shè)置成指針的指針。采集的數(shù)據(jù)必須掛在預(yù)先定義的指針數(shù)組中，才可有效實現(xiàn)。ProcessArrayPtr為指針數(shù)組，readPtr和writePtr分別為讀寫不同的TSQ指針。調(diào)試結(jié)果顯示，指針數(shù)組的存儲地址一致，有效地實現(xiàn)了線程間指針數(shù)據(jù)的傳遞。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)地論述了基于調(diào)制半導(dǎo)體激光吸收光譜方法的氣體檢測原理和不同應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境下處理算法。對不同算法進(jìn)行詳細(xì)比較和應(yīng)用過程分析，給出了不同算法處理過程的適用性結(jié)論。面對多種檢測形式，設(shè)計了一種接口單一的調(diào)制半導(dǎo)體激光吸收光譜多用途氣體實驗測試系統(tǒng)。在該測試系統(tǒng)軟件中，基于LabWindows開發(fā)環(huán)境，提出使用指針的指針在線程安全隊列中進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳遞方法，并詳細(xì)地給出了一種多線程采集處理的線程執(zhí)行結(jié)構(gòu)。該調(diào)制半導(dǎo)體激光吸收光譜多用途氣體實驗測試系統(tǒng)完成后，已用于科研項目中的氣體標(biāo)定和測試。

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