TDLAS 調(diào)制和解調(diào)技術(shù)的應用研究

李永剛 ,關(guān)淑翠 ,趙艷梅? ,張 濤 ,樊海春

(1.天津同陽科技發(fā)展有限公司,天津 300384;2.天津市環(huán)境監(jiān)測技術(shù)企業(yè)重點實驗室,天津 300384)

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectrosopy)是可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)的簡稱。該技術(shù)是利用激光能量被氣體分子選頻吸收特性形成吸收光譜的原理來分析氣體成分和測量氣體濃度的一種技術(shù)。半導體激光器發(fā)射出的特定波長的光束穿過待測氣體時,待測氣體對光束進行吸收從而使激光強度產(chǎn)生衰減,激光強度的衰減與被測氣體的濃度成正比,因此,通過測量激光強度衰減信息就可以分析得出待測氣體的濃度。

TDLAS 技術(shù)于20 世紀70 年代由Hinkley 和Reid 等人提出,經(jīng)過近30 年的發(fā)展,在環(huán)境科學、工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。TDLAS 技術(shù)利用激光二極管的波長調(diào)諧特性,進行待測氣體的分析;一般配合長光程氣體池使用,具有選擇性好、靈敏度高、精度高、快速在線非接觸測量、操作簡單、無需預處理樣品等優(yōu)點。它的技術(shù)特點為:激光光源線寬窄、功率密度高,探測靈敏度高于傳統(tǒng)光譜技術(shù),可達ppb～ppt 量級;其次,分子光譜具有“指紋”區(qū),選擇性強,加之激光二極管光譜分辨率高、可調(diào)諧的特性,可實現(xiàn)很窄的光譜范圍內(nèi)對待測分子進行測量,避免了交叉干擾;最后,探測范圍廣、響應速度快、激光器準直性好,適合大氣實時在線檢測。

TDLAS 技術(shù)通用性很強,通過變換不同波長掃描范圍的激光器可以實現(xiàn)從一種目標氣體到另一種氣體的檢測,并可以實現(xiàn)多種目標氣體的同時檢測。TDLAS 技術(shù)最早采用直接吸收方法,吸收譜圖如圖1 所示[3],直接吸收法,比較簡單、無需標定便可測得氣體濃度,但是靈敏度低,受激光器、探測器、電路等低頻噪聲影響,很難滿足低濃度痕量氣體檢測的要求,于是逐漸出現(xiàn)了波長調(diào)制光譜技術(shù)(WMS)及頻率調(diào)制光譜技術(shù)(FMS),WMS 的調(diào)制頻率遠遠小于氣體的吸收線寬,調(diào)制度大于1,而FMS 的調(diào)制頻率大于或等于氣體的吸收線寬調(diào)制度小于1。

如圖2 為波長調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)基本流程圖,它的檢測靈敏度相對于直接接吸收方法提高了100 倍以上,其特點為1)得到的某次諧波信號與待測氣體濃度成比例;2)很多噪聲如1/f 噪聲在高頻段能得到有效抑制,大大提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度;3)可調(diào)諧激光二極管的調(diào)諧特性好,僅需注入所需頻率的高頻電流到半導體激光二極管的驅(qū)動輸入端,就可以方便的實現(xiàn)對激光器波長的高頻調(diào)制。

半導體可調(diào)諧激光二極管的調(diào)制和解調(diào)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,本文對這方面做了響應的研究。

1 基本原理

基本的信號流圖,如圖3 所示[2],基本上分為調(diào)制和解調(diào)兩個部分。

低頻的鋸齒波掃頻信號上疊加高頻的正弦波調(diào)制信號,合成的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)化為相應電流驅(qū)動半導體激光器。經(jīng)過調(diào)制的激光穿過待測氣體后被光電探測器接收后轉(zhuǎn)換成電信號送入鎖相放大器,經(jīng)過鎖相解調(diào)輸出二次諧波,二次諧波的極值反映了待測氣體的濃度。

注入到激光器的信號如下面公式所示[1]:

式中,v0為調(diào)制的中心頻率;va為頻率調(diào)制的幅度,ω為調(diào)制的余弦信號的頻率。光通過吸收池后,光電探測器接收到信號強度可展開為傅里葉級數(shù):

每個諧波分量An可以通過鎖相放大器測得,當va遠小于吸收線寬時,經(jīng)過泰勒級數(shù)展開,得到[1]:

由上式可知,第n次諧波分量正比于α(v) 的n次導數(shù),通常選擇二次諧波作為檢測信號進行處理和運算。

2 試驗系統(tǒng)

2.1 鋸齒波信號

本裝置通過FPGA 產(chǎn)生周期性的鋸齒波信號,可以方便的修改頻率和幅度。產(chǎn)生的數(shù)字信號通過D/A,低通濾波,變?yōu)槟M量的鋸齒波信號,電路如圖4 所示。

2.2 正弦波

通過FPGA 產(chǎn)生周期性的正弦波,通過DDS[4]方式產(chǎn)生正弦波,通過D/A,帶通通濾波,產(chǎn)生模擬量的正弦波信號,電路圖如圖5 所示,DDS 是直接數(shù)字合成,DDS 技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形成的信號通過DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號合成技術(shù)。

兩路信號,疊加后加載到激光器上。

2.3 信號處理

光電接收器接收到的信號處理,信號分為兩路,一路經(jīng)過低通濾波,濾出鋸齒波信號,另外一路通過帶通濾波放大后,送入A/D 采集,變?yōu)閿?shù)字信號,由FPGA 做鎖相放大處理見圖6。

整個系統(tǒng)的示意圖如圖7,開機預熱。等激光器溫度穩(wěn)定后,調(diào)制激光器的方向,使激光器能很好的返回到探測器接收面上,通過一定濃度的氣體標定后,測試不同濃度的氣體的準確性。

3 試驗結(jié)果

通過上位機軟件,調(diào)整參數(shù);使接收到的2F 信號最大。首先調(diào)節(jié)鋸齒波的掃描范圍,使激光器的中心波長位于氣體吸收峰的位置。然后調(diào)節(jié)正弦波的幅度,2F 的解調(diào)相位,使2F 信號最大。從圖8 可以看出,直流信號基本看不出有吸收的凹坑,但是經(jīng)過鎖相放大后,2F 吸收明顯。

位置和參數(shù)調(diào)整好以后,可以通氣做氣體濃度的標定,然后做氣體濃度的反演和穩(wěn)定性等等測試。

表1 為第一天至第三天在同一實驗環(huán)境下一種氣體的測量濃度,通過氣體分割器進行濃度配比,獲得反演濃度與配置濃度之間的誤差。

表1 測量一種氣體的濃度和誤差值

4 結(jié)論

利用TDLAS 技術(shù)分辨率高,響應速度快等優(yōu)點,可以測試不同種類和濃度的氣體。特別是加入了波長調(diào)制和解調(diào)技術(shù),進一步提高了測量氣體濃度的靈敏度和穩(wěn)定性,改變不同的參數(shù),增加了測試的靈活性。