采用小波分析方法降低可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)測量下限的實驗研究

張立芳，王 飛，俞李斌，嚴(yán)建華，岑可法

浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027

采用小波分析方法降低可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)測量下限的實驗研究

張立芳，王 飛*，俞李斌，嚴(yán)建華，岑可法

浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027

基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)，主要采用數(shù)據(jù)處理的方法如互相關(guān)、小波分析等降低光譜吸收技術(shù)的測量下限。采用可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)中的波長調(diào)制技術(shù)，對較低濃度下的NH3進(jìn)行了降低測量下限的試驗研究。采用近紅外波段2.25 μm附近的一組ν2+ν3NH3吸收譜線，其強度遠(yuǎn)高于1.5 μm處譜線，結(jié)合波長調(diào)制技術(shù)在最優(yōu)信噪比的條件下對常溫常壓下不同濃度的NH3進(jìn)行了測量。為了保證實驗條件下測量得到的二次諧波信號的峰值高度達(dá)到最大且信噪比最優(yōu)，實驗在調(diào)制系數(shù)為2.2左右的情況下，通過加載最優(yōu)的高頻調(diào)制信號來保證信噪比(SNR)。在10 m長的Herriott池中探測到了濃度為0.6×10-6的二次諧波信號，其中信號處理部分主要采用相關(guān)分析、多次平均以及小波變換分析來控制中心波長的移動和降低噪音的干擾。結(jié)果表明，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以后的諧波信號，其檢測下限降低到處理前的約百分之一，且不需要增加任何實驗設(shè)備就可以很好的抑制噪音的影響，將相關(guān)分析和小波分析與波長調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，這種數(shù)據(jù)處理方法對于在線檢測技術(shù)具有很好的實用價值。

波長調(diào)制技術(shù)； 信號處理； 小波變換； 相關(guān)分析

引 言

可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)由于具有高靈敏度、高分辨率以及高選擇性等優(yōu)點，使其成為重要的氣體濃度、溫度、線強等參數(shù)的在線測量方法。近幾年來，TDLAS無論是在工業(yè)中的痕量氣體分析領(lǐng)域還是在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，都引起廣泛的關(guān)注與研究。尤其是測量方法中較為常用的波長調(diào)制技術(shù)(WMS)，結(jié)合一定的信號處理技術(shù)可以有效的降低環(huán)境噪聲的干擾，提高信噪比(SNR)，非常適合低濃度痕量氣體在線檢測與分析[1-2]。

作為一種還原劑NH3常被用來脫除鍋爐尾部煙氣中的NOx，對于電廠脫硝過程中未及時反應(yīng)的低濃度逃逸NH3的在線檢測，其現(xiàn)場環(huán)境惡劣，背景信號干擾嚴(yán)重，使得測量得到的信號受到很大的干擾。目前，電廠對逃逸的NH3量一般控制在3 ppm以下，由于測量環(huán)境非常惡劣，在電廠尾部煙道10 m左右的測量光程內(nèi)，目前的測量下限不能夠滿足電廠的檢測要求?，F(xiàn)有的實驗研究主要是采用差分電路和高次諧波檢測來抑制環(huán)境噪聲的干擾從而提高測量下限，對于TDLAS技術(shù)以傅里葉變換為基礎(chǔ)的小波分析關(guān)注及分析都很少[3-4]。因此，實驗采用波長調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了較低濃度下NH3的在線檢測，通過采用相關(guān)性分析降低中心波長移動造成的影響，再利用基于Matlab的小波分析進(jìn)行濾波，有效降低噪音的干擾，提高信噪比使得二次諧波信號的測量下限顯著降低、測量靈敏度明顯提高。

1 測量原理

在較弱吸收的情況下，準(zhǔn)直后的可調(diào)諧激光經(jīng)過氣體介質(zhì)吸收后其透射光強與原始激光強度滿足Beer-Lambert定律

(1)

其中，I0和It為無氣體吸收時與穿過被測氣體衰減后的激光強度，S為被測氣體特征譜線的線強，P為氣體總壓力，Xi為被測氣體的體積濃度，φν為線型函數(shù)，L為測量光程。

實際測量過程中NH3濃度非常低，且經(jīng)過10 m左右的吸收光程后由探測器探測到的吸收信號十分微弱，很難與環(huán)境中的噪聲信號區(qū)分開來。因此，實驗采用能夠很好的抑制噪聲的波長調(diào)制技術(shù)對低濃度NH3進(jìn)行在線檢測，波長調(diào)制技術(shù)的詳細(xì)推導(dǎo)過程參閱文獻(xiàn)[5]。經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后的激光，穿過氣體吸收介質(zhì)，由探測器接收透射信號，之后輸入到鎖相放大器中進(jìn)行調(diào)制解調(diào)產(chǎn)生二次諧波信號。在中心波長處即吸收線中心x=0時，氣體濃度與從鎖相放大器中得到的二次諧波信號峰值P2f之間的關(guān)系表示為

(2)

探測器接收到的激光透射光強，經(jīng)鎖相放大器調(diào)制解調(diào)后得到的二次諧波信號如圖1所示[6]。

圖1 經(jīng)鎖相放大器調(diào)制解調(diào)后得到的二次諧波信號

2 實驗部分

實驗中采用Nanoplus公司生產(chǎn)的NH3半導(dǎo)體激光器，將信號發(fā)生器(Tektronix AFG3102)產(chǎn)生的鋸齒波加載到激光控制器上，通過調(diào)節(jié)激光控制器(LDC-3900)的溫度和電流值來控制激光器的輸出波長，探測器(InGaAsSb)探測到的原始信號輸入鎖相放大器(SR830)中經(jīng)解調(diào)產(chǎn)生二次諧波信號，通過BNC接頭輸入到數(shù)據(jù)采集卡中，同時將鎖相放大器產(chǎn)生的高頻正弦信號加載到信號發(fā)生器上，用于產(chǎn)生調(diào)制信號。激光器輸出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直后，進(jìn)入到光程為10.13 m的Herriott池中進(jìn)行多次反射，然后由同一側(cè)的探測器接收，實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。Herriott池長約17 cm，體積非常小、激光進(jìn)出口在同一側(cè)且經(jīng)10 m光程后輸出的光斑非常小，方便光路系統(tǒng)中激光的對準(zhǔn)，非常適用于激光點光源[7]。通過控制兩個氣體質(zhì)量流量計，配比了體積分?jǐn)?shù)為0.6×10-6～10×10-6的NH3氣體。由于NH3具有吸附性，實驗過程中對吸收池進(jìn)行長時間的吹掃，從而保證每次測量時NH3氣體濃度的穩(wěn)定性。

圖2 低濃度NH3波長調(diào)制技術(shù)測量系統(tǒng)示意圖

3 信號處理及結(jié)果分析

采用波長調(diào)制技術(shù)對低濃度NH3進(jìn)行測量時，為了保證測量條件下二次諧波信號的峰值高度達(dá)到最大且信噪比最優(yōu)，實驗在調(diào)制系數(shù)為2.2左右的情況下，通過加載最優(yōu)的高頻調(diào)制信號保證信噪比[8]。本文對加載的高頻調(diào)制信號從5～30 kHz進(jìn)行了分析，通過分析不同高頻調(diào)制信號下諧波信號的信噪比，確定實驗中加載最優(yōu)的高頻調(diào)制信號。

圖3為加載不同高頻調(diào)制信號后，諧波信號的信噪比隨高頻調(diào)制信號的變化情況，可以看出： 二次諧波信號的信噪比呈現(xiàn)出先增加，之后趨于平穩(wěn)的趨勢，在高頻信號為15 ～30 kHz時，其諧波信號的信噪比最優(yōu)且保持28不變。為了測得較低濃度的諧波信號，實驗需要在最優(yōu)的信噪比的條件下進(jìn)行，由于加載的高頻調(diào)制信號在15 kHz時，諧波信號的信噪比已經(jīng)達(dá)到最高值，所以實驗中采用近紅外波段2.25 μm(4 433.5 cm-1)附近的一組ν2+ν3NH3吸收譜線，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生200 Hz的掃描頻率與鎖相放大器產(chǎn)生的15 kHz高頻調(diào)制信號相疊加，來控制激光器的掃描范圍和實現(xiàn)對信號的調(diào)制。

圖3 二次諧波信噪比隨高頻調(diào)制信號的變化情況

對采集到的二次諧波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，首先需要扣除測量得到的原始諧波信號中的背景信號，消除一些光學(xué)條紋和背景噪音的影響。由于較長時間的在線測量，致使在采集背景信號和諧波信號的時間內(nèi)，激光器的中心波長發(fā)生移動，造成條紋和背景噪音不能夠被很好的扣除。為了最大限度的扣除條紋和背景信號，數(shù)據(jù)處理過程中采用相關(guān)性分析，得到整個掃描范圍內(nèi)二次諧波信號與背景信號的相關(guān)性分析曲線，如圖4所示。其中，c曲線中的最大值代表此時的二次諧波信號與背景信號的形狀相似度最高，相關(guān)性曲線中最大值的橫坐標(biāo)對應(yīng)著激光器中心波長移動的距離，通過補償程序，將二次諧波信號與背景信號的測量點相對應(yīng)，然后扣除原始二次諧波信號中的背景信號，得到修正后的二次諧波信號，從而提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

圖4 (a)原始二次諧波信號； (b)背景信號； (c)二次諧波信號與背景信號的互相關(guān)分析； (d)扣除背景信號后的二次諧信號

圖5 NH3濃度為0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的原始二次諧波信號; (b) 經(jīng)過50次平均之后的NH3濃度為0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的諧波信號; (c) 經(jīng)過200次平均之后的NH3濃度為0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的諧波信號; (d)經(jīng)小波變換分析降噪后的NH3濃度為0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的諧波信號

Fig.5 (a) The original harmonic signal of 0.6×10-6，4×10-6，10×10-6; (b) The harmonic signal of 0.6×10-6，4×10-6，10×10-6after 50 times average;(c) The harmonic signal of 0.6×10-6，4×10-6，10×10-6after 200 times average; (d) The harmonic signal of 0.6×10-6，4×10-6，10×10-6after wavelet analyzing

從圖4(d)中可以看出，在NH3濃度較低的情況下，噪音會對諧波信號產(chǎn)生一定的影響，即使在扣除背景噪音后還是會有干擾。對扣除背景信號后的二次諧波信號主要采用基于傅里葉變換的小波分析和閾值降噪進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過閾值降噪分析后再對信號進(jìn)行重建。小波分析濾波法是根據(jù)測量信號和噪聲的小波系數(shù)在不同尺度上具有不同的性質(zhì)，通過構(gòu)造出相應(yīng)的處理規(guī)則得到測量過程中真實信號的最優(yōu)估計值，處理規(guī)則的本質(zhì)在于最大限度的剔除由噪聲產(chǎn)生的小波系數(shù)，同時保留測量過程中真實信號的小波系數(shù)，最后由經(jīng)過處理之后的小波系數(shù)重新構(gòu)建并最大限度的還原原始信號[9-11]。

圖5為經(jīng)過扣除背景信號、多次平均及小波變換處理前后的NH3濃度為0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的諧波信號。在數(shù)據(jù)處理的過程中只采用50次平均來減小隨機(jī)誤差的影響，簡單平均處理是指對指定點數(shù)的附近臨近數(shù)據(jù)求平均，因此采用更高次數(shù)據(jù)的平均處理來降低測量誤差的同時諧波信號吸收峰的高度和寬度也被平均掉了，如圖5(c)所示； 從圖5(d)可以看出降噪后的諧波信號附近仍有一定的抖動，是測量過程中不同流量的氣流擾動導(dǎo)致背景信號與諧波信號中未吸收部分的幅值大小不一所造成的，實際測量環(huán)境中氣流擾動的干擾不可避免。圖5可以看出，扣除背景后的諧波信號經(jīng)過多次平均以及小波濾波分析后，噪聲顯著降低，信噪比明顯提高，相應(yīng)的測量下限降低約100倍左右，如果在低壓的條件下還可以檢測到更低濃度的諧波信號。

4 結(jié) 論

針對在Herriott池中測量得到的低濃度NH3的二次諧波信號，本文主要介紹在最優(yōu)信噪比的條件下，通過相關(guān)性分析和小波分析技術(shù)對低濃度下噪音影響嚴(yán)重的諧波信號進(jìn)行降噪處理。從數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，相關(guān)性分析和小波變換處理技術(shù)不僅使諧波信號的信噪比有了很大的改善，也使吸收光譜的探測下限明顯降低，更為重要的是不需要增加復(fù)雜的設(shè)備就可以很好地抑制噪音的影響。因此，將相關(guān)分析和小波分析與波長調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，這種數(shù)據(jù)處理技術(shù)很適合實驗或現(xiàn)場環(huán)境的在線測量，因而可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)在線監(jiān)測系統(tǒng)具有很大的潛力。

[1] WANG Fei, HUANG Qun-xing, LI Ning, et al(王 飛，黃群星，李 寧，等). Acta Physica Sinica(物理學(xué)報), 2007，56(7): 3867.

[2] Sun K, Chao X, Sur R, et al. Measurement Science and Technology, 2013, 24: 1.

[3] SHAO Jie, GAO Xiao-ming, YUAN Yi-qian, et al(邵 杰，高曉明，袁懌謙，等). Acta Physica Sinica(物理學(xué)報), 2005，54(10): 4638.

[4] MAO Yu-wen, TU Ya-qing, XIAO Wei, et al(毛育文，涂亞慶，肖 瑋，等). Journal of Vibration and Shock(振動與沖擊), 2012, 31(21): 112.

[5] Reid J, Labrie D. Applied. Physics. B-Lasers and Optics，1981，26: 203.

[6] WANG Jian, Maiorov M, Jeffries J B, et al. Measurement Science and Technology，2000，11: 1576.

[7] HAO Lü-yuan, WU Guo-rong, SHI Qiang, et al(郝綠原，吳國榮，史 強，等). Chinese Journal of Chenical Physics(化學(xué)物理學(xué)報), 2001，14(2): 147.

[8] Chao Xing, Jeffries J B, Hanson R K. Proceedingsof the Combustion Institute, 2013, 34: 3583.

[9] XIA Hua, DONG Feng-zhong, TU Guo-jie, et al(夏 滑，董鳳忠，涂郭結(jié)，等). Acta Optica Sinica(光學(xué)學(xué)報), 2010，30(9): 2596.

[10] ZHOU Wei(周 偉). MATLAB Wavelet Analysis Advanced Technology(MATLAB小波分析高級技術(shù)). Xi’an: Xidian University Press(西安： 西安電子科技大學(xué)出版社), 2005. 87.

[11] PAN Quan, ZHANG Lei, MENG Jin-li, et al(潘 泉, 張 磊，孟晉麗，等). Wavelet Filtering Method and Application(小波濾波方法及應(yīng)用). Beijing: Tsinghua University Press(北京： 清華大學(xué)出版社), 2005. 63.

(Received Apr. 1, 2015; accepted Aug. 16, 2015)

*Corresponding author

The Experimental Research on Reducing the Minimum Measureable Limit of Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy with Wavelet Analysis

ZHANG Li-fang, WANG Fei*, YU Li-bin, YAN Jian-hua, CEN Ke-fa

State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

To obtain the weaker second harmonic signal of low concentration, reduce the minimum measurable limit and improve the sensitivity and accuracy of absorption measurement, a serious of data processing methods are proposed based on tunable diode laser wavelength modulation spectroscopy. The experiment on lower NH3concentration at 2.25 μm was carried out in a 10.13 m absorption cell with different concentration. The peak height of the second harmonic signal is maximum atm=2.2, which optimizes the signal-to-noise ratio. In order to guarantee the optimal signal-to-noise ratio, the experiment was carried out by loading the optimal high frequency modulation signal. WMS-2f was performed at a repetitive scan rate of 200 Hz and a current-modulation rate of 15 kHz, wavelength modulation spectroscopy with the optimal signal-to-noise ratio was adopted for its better noise immunity to measure different lower NH3concentration in the Herriott cell. This survey is focused on theν2+ν3bands of absorption spectra near 2.25 μm in near-infrared region at ambient temperature and pressure, the line strengths of 2.25 μm are much larger than the absorption lines in the telecommunication bands, using stronger NH3absorption lines can offer the potential of lower detection limits. During the data processing, the background signal of the original harmonic should be deducted at first, the second harmonic signal of 0.6×10-6was obtained in a 10 m long-path Herriott cell after data processing, these signal processing mainly consist of cross-correlation analysis, multiple averages and wavelet transform analysis, the cross-correlation analysis was used to control the shift of center wavelength, the multiple averages and wavelet transform analysis were used to reduce influences of the environment noise, after that we get the revised second harmonic signal and improve the accuracy of the measurement results. The experimental results show that these data processing methods can obviously improve the signal quality and reduce the minimum measurable limit about 100 times lower than before. The experiment doesn’t need to add any laboratory equipment and can well restrain the influence of the environmental noise and other disturbance, so these signal process combined with wavelength modulation technique will be more useful for on-line gas detection technology.

Wavelength modulation technology； Signal process； Wavelet transform analysis； Cross-correlation analysis

2015-04-01，

2015-08-16

國家自然科學(xué)基金項目(51276165)，高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20110101110019)資助

張立芳，1988年生，浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室博士研究生 e-mail: 21227023@zju.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: wangfei@zju.edu.cn

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A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1794-05