TDLAS 氣體激光遙測高靈敏光電探測電路設(shè)計

裴梓伊，胡朋兵，潘孫強，戚海洋，劉素梅，劉 東

（1.浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院 極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國重點實驗室,浙江 杭州 310027；2.浙江省計量科學(xué)研究院,浙江 杭州 310018；3.浙江省能源與環(huán)境保護計量檢測重點實驗室,浙江 杭州 310018）

1 引言

近年來，環(huán)境保護受到人們越來越多的關(guān)注，痕量/微量氣體檢測[1]、顆粒物檢測[2]、塵埃氣溶膠檢測[3]、海洋水質(zhì)檢測[4]乃至氣溶膠-水云特性檢測[5-6]等相關(guān)領(lǐng)域均迎來了蓬勃的發(fā)展。目前，痕量氣體檢測主要包括光學(xué)檢測和電化學(xué)片上檢測技術(shù)[7-9]。其中，光學(xué)檢測技術(shù)近年來發(fā)展迅速[10]，推動了相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展[11-14]?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)作為激光遙測技術(shù)之一，憑借其高靈敏度、強抗噪能力和快速響應(yīng)等特性被廣泛應(yīng)用于同位素測量、氣體泄漏檢測、痕量大氣污染物檢測等研究[15]。常見的應(yīng)用TDLAS 技術(shù)進行氣體檢測的方式分為原位檢測和遙測兩種。原位檢測即在氣體漏點處進行檢測，具有穩(wěn)定性強，靈敏度高等優(yōu)勢。2020 年，鐘笠等人[16]采用TDLAS 裝置在氣池中測量了丙烯氣體濃度，測量誤差最大為19.17 ppm；2021 年，張偉健等人[17]基于納米金涂覆微納光纖倏逝場實現(xiàn)了氨氣檢測，長期監(jiān)測時相對誤差為5.38%。這些TDLAS 檢測均屬于原位檢測，適用于工廠等場所氣體濃度的長期監(jiān)測。遙測，即在開放光路下遠距離實現(xiàn)氣體濃度檢測，檢測量通常為氣體柱濃度。2015 年，姚路等人[18]基于TDLAS技術(shù)通過離軸拋物面反射鏡實現(xiàn)了吸收光程為700 m 的痕量CO 氣體濃度測量；2021 年，Xin F 等人[19]采用TDLAS 直接吸收技術(shù)，通過7塊64 mm 直徑的后向散射裝置測量了20 m 和110 m 垂直高度CO2氣體柱濃度。這些TDLAS檢測均屬于氣體遙測，具有檢測范圍大，系統(tǒng)集成性高，操作簡潔等優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有的TDLAS 氣體遙測系統(tǒng)通常需要目標(biāo)反射物配合，且容易受環(huán)境光電信號的干擾，穩(wěn)定性及靈敏度較差。因此，為獲得大檢測范圍和較高的靈敏度及穩(wěn)定性，本文對TDLAS 技術(shù)中的核心部件——光電探測電路進行了研究，用以提升TDLAS 氣體激光遙測系統(tǒng)的靈敏度和信噪比。

目前應(yīng)用于TDLAS 氣體激光遙測領(lǐng)域的光電探測器主要有光電倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)、雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode,APD)以及PIN 光電二極管。其中，PMT主要應(yīng)用于紫外及可見光波段，感光靈敏值高[20]，但氣體吸收光譜通常在近、中紅外波段，因此PMT 在氣體激光遙測領(lǐng)域中幾乎沒有應(yīng)用。APD 雖然有在紅外光波段檢測微弱光信號的能力，但APD 僅能實現(xiàn)兆級跨阻增益，無法滿足氣體激光遙測信號百兆級增益的要求[21]。PIN 光電二極管種類眾多，波長覆蓋范圍寬、易于集成，但其感光靈敏值僅在1 A/W 左右，無法直接用于氣體激光遙測信號測量。因此，需要配合相應(yīng)的跨阻放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)檢測微弱的后向散射信號。

目前，TIA 商用產(chǎn)品較多，但普遍存在增益不足、響應(yīng)速度慢、體積偏大和價格昂貴等問題。例如：索雷博光電公司提供的跨阻放大器的增益達到108V/A，但其截止頻率僅為1 kHz，當(dāng)截止頻率增加至100 kHz 時，增益迅速衰減為104V/A ；愛特蒙特公司生產(chǎn)的高增益跨阻放大器在低噪聲模式下，增益可達到108V/A，然而截止頻率同樣僅有1.2 kHz，且成本較高；而國內(nèi)同類產(chǎn)品增益通常為100 V/A，遠低于國外產(chǎn)品。

本文依據(jù)線性響應(yīng)原理選型PIN 光電二極管，通過級聯(lián)放大電路設(shè)計實現(xiàn)了高靈敏度、高增益、高截止頻率的光電探測電路。其檢測下限為0.11 nW，衰減僅為0.79 dB(f=10 kHz)。實驗結(jié)果顯示：調(diào)制頻率為3 kHz 時，激光遙測系統(tǒng)獲得了良好的檢測性能，檢測靈敏度達到88.66 mV/ppm；檢測限優(yōu)于0.565 ppm；線性擬合度R2為0.999 6。研究表明，設(shè)計的光電探測電路突破了TDLAS氣體激光遙測關(guān)鍵核心技術(shù)，推進了激光遙測技術(shù)的健康發(fā)展，在氣體激光遙測領(lǐng)域具有重要意義。

2 設(shè)計理論

2.1 TDLAS 波長調(diào)制技術(shù)及噪聲分析

用于氣體激光遙測的TDLAS 技術(shù)主要有直接吸收光譜技術(shù)和波長調(diào)制光譜技術(shù)[22-23]。其中，直接吸收光譜技術(shù)是通過對半導(dǎo)體激光器的電流進行低頻調(diào)制，使激光波長掃描覆蓋氣體的完整吸收峰，再通過計算光強曲線在頻域上的積分，反演得到氣體濃度的方法。波長調(diào)制光譜技術(shù)在低頻掃描信號的基礎(chǔ)上疊加高頻調(diào)制信號，使光信號頻率高于低頻噪聲，再通過濾波去除噪聲信號，提升信噪比，因此，波長調(diào)制技術(shù)的檢測系統(tǒng)性能通常優(yōu)于直接吸收光譜技術(shù)[24]。

根據(jù)Beer-Lambert 定律，激光經(jīng)過氣體后探測電路得到的激光光強可表示為：

其中：v為激光空間頻率；S(v)為分子吸收光譜；C為氣體濃度；L為吸收光程。激光經(jīng)過波長調(diào)制后，波長隨時間變化，即

對于理想半導(dǎo)體激光器，其光強不隨空間頻率的變化而變化。對于氣體激光遙測領(lǐng)域，有以下關(guān)系：S[v(t)]CL?1，因此，

令θ=2πft，對透射光強I[v(t)]做傅立葉級數(shù)展開

其中：Hn(vc)為各次諧波分量，可通過鎖相放大器提取。對S(v)做泰勒展開可得

將公式(7)代入公式(6)可得

常溫常壓下，分子碰撞展寬遠大于多普勒展寬，分子吸收光譜為

其中α為洛倫茲線型(碰撞展寬)譜線半寬度。根據(jù)式(8)、式(9)可得出透射光強的一到六次諧波信號圖，如圖1（彩圖見期刊電子版）所示。顯然，奇次諧波在譜線中心的相對強度為零，偶次諧波在譜線中心的相對強度為極值，且諧波次數(shù)越高，相對強度越小，因此選用二次諧波進行氣體吸收濃度反演。

圖1 各次諧波信號。(a)奇次諧波信號；(b)偶次諧波信號Fig.1 Each harmonic signal.(a) Odd harmonic signal;(b)even harmonic signals

波長調(diào)制技術(shù)中，調(diào)制信號頻率通常為1～20 kHz，此時，信號噪聲主要為光電探測器和半導(dǎo)體激光器的1/f噪聲[25]。半導(dǎo)體元件1/f噪聲功率譜密度可表示為

其中：I為半導(dǎo)體元件中的電流；f代表噪聲頻率；A和β均為與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)；γ為頻率指數(shù)。顯然，調(diào)制信號頻率越高，1/f噪聲越小，而現(xiàn)有TIA 商用產(chǎn)品增益在108V/A 量級時，截止頻率為1 kHz 左右，僅滿足波長調(diào)制技術(shù)的頻率下限，不利于抑制1/f噪聲，提升信噪比。因此，設(shè)計具有高截止頻率的高靈敏度光電探測電路，對于提升TDLAS 氣體激光遙測系統(tǒng)靈敏度和信噪比具有重要意義。

2.2 線性響應(yīng)分析

在光電檢測領(lǐng)域，要獲得較好的檢測效果，需要光電轉(zhuǎn)換器件具有良好的線性輸出響應(yīng)。理論上，PIN 光電二極管可等效為恒流源和等效電容電阻的串并聯(lián)形式。圖2 為PIN 光電二極管的等效模型。圖中，I為理想恒流源，D為理想二極管，Rd和Cd分別為光電二極管的分流電阻和結(jié)電容，Rs為等效串聯(lián)電阻，RL和CL分別為等效負載的電阻和電容。其中，Rs、Rd和Cd與光電二極管自身結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)，通常Rs取值在幾歐到幾百歐之間，Rd則在千歐到兆歐量級。

圖2 PIN 光電二極管等效模型Fig.2 Equivalent model of PIN photodiode

對光電二極管而言，輸出電流通常在納安和微安量級，因此Cd和CL對電流的分流可以忽略不計。Id，Ird，IL分別為結(jié)電流、分流電阻電流和負載電流，分別表示為[26]

其中，Ud為二極管兩端電壓；I0為光電二極管的暗電流；光電二極管PN 結(jié)越小，I0越小，A為一常數(shù)，取值取決于制成光電二極管的材料，取值通常在1～10 之間，q為電子電荷量(q=1.6 ×10-19C)，T為溫度，k 為玻爾茲曼常數(shù)(k=1.38×10-23J/K)。

取銦鎵砷光電二極管典型值，即Rs=50 Ω、A=2、T=298.15 K、I0=1 nA。研究發(fā)現(xiàn)RL在100 Ω～1 MΩ 范圍內(nèi)、Rd取值在10 kΩ～1 MΩ 內(nèi)時I-IL響應(yīng)曲線如圖3（彩圖見期刊電子版）所示。

圖3 不同Rd 時I-IL 響應(yīng)關(guān)系。(a) Rd=10 kΩ；(b) Rd=100 kΩ；(c) Rd=1 MΩFig.3 I-IL response relationship with different Rd values.(a) Rd=10 kΩ;(b) Rd=100 kΩ;(c) Rd=1 MΩ

其中，圖3（a）～圖3（c）分別為Rd=10 kΩ，Rd=100 kΩ 和Rd=1 MΩ 時的I-IL響應(yīng)關(guān)系曲線。由圖3 可知，當(dāng)RL為100 Ω 時，I-IL的比例系數(shù)為0.99，當(dāng)RL增加到1 MΩ 時，比例系數(shù)降低為0.09，比例系數(shù)隨RL的增大而減小。此時電路對外接負載要求嚴苛。當(dāng)Rd增大至100 kΩ 時，RL由100 Ω 變化至1 MΩ 的過程中對比例系數(shù)的影響從0.99 降低到0.55 左右，負載對比例系數(shù)的影響仍不可忽略。當(dāng)Rd為1 MΩ 時，RL由100 Ω變化至100 kΩ，比例系數(shù)均被限定在0.99 以上，I與IL展現(xiàn)出良好線性響應(yīng)關(guān)系，有利于電路光電信號的線性輸出。綜上所述，要保證IL與I滿足1∶1 線性相關(guān)，設(shè)計光電探測電路時需滿足以下兩個條件：

(1)Rs、RL均不大于1 kΩ，使q/AkT?IL(Rs+RL)；

(2)Rd≥100 kΩ，使Rs+RL?Rd。

本文依據(jù)氨氣及干擾氣體的吸收曲線，選用1 512 nm 作為檢測波長，選擇Rs和Rd分別為幾十歐和兆歐量級的銦鎵砷光電二極管作為光電探測器，光譜范圍約為900～1 700 nm，峰值響應(yīng)波長為1 550 nm，暗電流小于1.1 nA，以滿足線性響應(yīng)條件和低噪聲要求。

3 電路設(shè)計及仿真

3.1 光電探測電路設(shè)計

根據(jù)上一節(jié)對1/f噪聲特性的分析，運放芯片應(yīng)有足夠高的增益帶寬積(Gain-Bandwidth Product,GBP)，以抑制噪聲并提高增益，因此選擇OPA656 和LM324 運放芯片。OPA656 具有230 MHz 的GBP，2 pA 的輸入偏置電流，開環(huán)增益典型值為65 dB，可得到該芯片等效輸入阻抗為56.2 Ω[26]，用于信號放大。四通道放大器LM324具有單位增益內(nèi)部頻率補償功能，輸入電流偏置僅為45 nA，雙通道供電時，供電電壓范圍為±1.5 V 到±15 V，用于信號反相和構(gòu)建三階巴特沃茲(ButterWorth，BW)濾波器?；诩壜?lián)放大原理設(shè)計光電探測電路，第一級為跨阻放大電路，將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，增益為-105V/A；第二、三級為負反饋放大電路，增益分別為-10 和-100 V/V。光電信號經(jīng)過級聯(lián)放大后由LM324運放芯片反相并濾波輸出，總增益為+108V/A，響應(yīng)帶寬約為10 kHz。

光電探測電路原理示意圖如圖4 所示。其中，圖4 (a) 為跨阻放大電路，圖4 (b)為負反饋放大電路，圖4 (c)為BW 濾波電路。圖4 (a)、圖4(b)的增益分別如式(14)～式(15)所示。

圖4 光電探測電路原理示意圖。(a) 跨阻放大電路；(b) 負反饋放大電路；(c) BW 濾波電路Fig.4 Schematic diagram of photoelectric detection circuit.(a) Cross resistance amplification circuit;(b) negative feedback amplification circuit;(c) BW filtering circuit

采用一級跨阻放大電路、兩級負反饋放大電路和一級反相電路(增益-1)級聯(lián)，構(gòu)成光電探測電路信號放大部分，再串聯(lián)BW 濾波電路形成光電探測電路。

3.2 電路仿真

使用電路仿真軟件Multisim 對圖4 設(shè)計的電路進行仿真。根據(jù)光功率檢測結(jié)果，遙測距離為0～100 m 時，氣體激光遙測裝置接收到的漫反射物體散射光功率約為1～20 nW，即PIN 管輸入電流范圍約為1.05～21 nA。因此，設(shè)置輸入電流峰值為10 nA，偏移量為10 nA，交流頻率為5 kHz，熱噪聲源溫度為27 °C，噪聲頻率為10 MHz，電阻為1 kΩ。

光電探測電路仿真結(jié)果如圖5（彩圖見期刊電子版）所示，其中，圖5 (a)為各級放大電路輸出信號，圖5 (b)為頻率及相位響應(yīng)。圖5 (a)中4 條曲線分別為第一級、第二級、第三級放大信號和最終輸出信號，對應(yīng)縱坐標(biāo)刻度為1 mV/Div，10 mV/Div，1 V/Div 和1 V/Div。

圖5 光電探測電路仿真結(jié)果。(a) 各級放大電路輸出信號；(b) 增益及相位頻率響應(yīng)特性Fig.5 Photoelectric detection circuit simulation results.(a)Output signals of each stage of amplification circuit;(b) frequency response characteristic of gain and phase

仿真結(jié)果表明，經(jīng)放大濾波后的正弦波信號與初始電流源信號符號一致，放大了108V/A 且攜帶的高頻噪聲被抑制，電路截止頻率約為10 kHz。輸出信號雖然存在一定相移，但信號波形沒有發(fā)生畸變，不影響信號的有效性和準(zhǔn)確性。

4 實驗裝置與結(jié)果分析

4.1 實驗裝置

為驗證HSPDC 的檢測性能，分別基于HSPDC 和商用跨阻放大器(Thorlabs Photoelectric Detection Circuit,TLB PDC)構(gòu)建了TDLAS 氣體激光遙測系統(tǒng)（圖6），并進行對比實驗。

圖6 氨氣激光遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of ammonia laser telemetry system

該系統(tǒng)由光學(xué)和電學(xué)兩部分組成，光學(xué)部分主要包括非球面透鏡、分布式反饋半導(dǎo)體激光器(Distributed Feedback -Laser Diode,DFB-LD)、準(zhǔn)直器和光電二極管等。非球面透鏡的響應(yīng)波長范圍為350～2 200 nm，可將距離為100 m、直徑為80 mm 的光斑聚焦成直徑為0.05 mm 的光斑，焦距約為110 mm，有利于系統(tǒng)集成化。DFB-LD 中心波長為1 512 nm，輸出光功率約為20 mW，激光線寬約為3 MHz。激光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直出射，被物體(墻面、管道等)散射后部分散射光原路返回由非球面透鏡接收，會聚到光電二極管上實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換。電學(xué)部分主要由激光控制器、光電探測電路、鎖相放大器、信號發(fā)生器和示波器組成。其中：激光控制器控制DFB-LD 激光器激光輸出，控制溫度和電流分別為25 °C 和60 mA；信號發(fā)生器輸出低頻鋸齒波掃描信號，疊加鎖相放大器內(nèi)置高頻正弦調(diào)制信號，共同調(diào)制激光輸出，實現(xiàn)對氣體吸收譜線的掃描；光電探測電路接收氣體遙測光信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，由鎖相放大器接收處理并輸出二次諧波信號，用于氣體濃度反演。示波器同步接收顯示光電探測電路輸出信號和鎖相放大器輸出二次諧波信號。

4.2 距離影響對比實驗

激光控制器控制電流為60 mA，TEC 控制溫度為25 °C，調(diào)制方式為外部電壓調(diào)制；信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為100 Hz、對稱度為90%且峰峰值為500 mV 的鋸齒波掃描電壓信號，作為激光控制器的外部調(diào)制輸入，并同步輸出TTL 信號觸發(fā)示波器采集。

在無激光輸出時，對兩套激光遙測系統(tǒng)的輸出信號進行連續(xù)測量。通過計算輸出信號的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差來評價系統(tǒng)底噪，如圖7（彩圖見期刊電子版）所示。由圖7 可知，基于TLB PDC 遙測系統(tǒng)的暗電流噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差為32.9 mV，系統(tǒng)底噪為32.9 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)；而基于HSPDC 遙測系統(tǒng)的暗電流噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.85 mV，系統(tǒng)底噪為3.85 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)，優(yōu)于TLB PDC 系統(tǒng)底噪一個數(shù)量級，性能得到了巨大改善，光散射信號探測能力更強。

圖7 暗電流噪聲信號。(a) HSPDC 噪聲；(b) TLB PDC噪聲Fig.7 Dark current noise signal.(a) HSPDC noise;(b)TLB PDC noise

在激光開啟的情況下，在遙測距離分別為10 m、20 m 時、30 m 和60 m 時，依次測量和記錄激光遙測系統(tǒng)的光電探測信號，如圖8（彩圖見期刊電子版）所示。

圖8 遙測距離變化時系統(tǒng)輸出信號。(a) HSPDC 輸出信號；(b) TLB PDC 輸出信號Fig.8 System output signals when telemetry distance changes.(a) HSPDC output signal;(b) TLB PDC output signal

為方便比較不同距離信號波形，通過數(shù)據(jù)處理去除直流偏置成分，取一個周期的鋸齒波信號用于評價兩系統(tǒng)信號的衰減程度和信噪比。由圖8 可知，隨著遙測距離的增加，兩系統(tǒng)探測信號呈現(xiàn)減小趨勢，變化規(guī)律一致且探測信號幅值也接近。但是在10 m 時，TLB PDC 遙測系統(tǒng)光電信號出現(xiàn)飽和狀態(tài)，電壓信號鉗位失真，而HSPDC 沒有出現(xiàn)信號失真，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)特性。

為準(zhǔn)確評估兩系統(tǒng)探測信號隨距離變化的情況，繪制了10～60 m 探測信號峰峰值和標(biāo)準(zhǔn)偏差隨距離變化曲線，如圖9（彩圖見期刊電子版）所示。

圖9 二次諧波峰峰值及標(biāo)準(zhǔn)偏差隨距離變化曲線Fig.9 Curves of the second harmonic peak-to-peak value and standard deviation changing with distance

根據(jù)雙向散射分布函數(shù)理論知，接收透鏡接收到的散射光可表示為公式(16)[27]：

其中，Pr為接收透鏡的接收光功率；Pi為出射光功率；ρtot為散射體散射效率；θ為入射光與散射體的夾角；k1為Minnaert 常數(shù)，取決于散射體材質(zhì)；r為透鏡半徑；L為透鏡距散射體的距離。因此，兩系統(tǒng)距離由近到遠變化時，信號衰減程度變化情況為先快速衰減后逐漸緩和。對于HSPDC 遙測系統(tǒng)：當(dāng)遙測距離分別為10 m 和30 m 時，探測信號分別約為1.2 V 和0.3 V，信號衰減率達到45 mV/m；而遙測距離為60 m 時，探測信號下降至0.1 V，信號衰減率僅為6.7 mV/m?？梢娊b測距離時，信號衰減速度快，隨后變化趨勢越發(fā)緩和。在10 m 處，TLB PDC 信號出現(xiàn)鉗位現(xiàn)象。這是由于增益信號超出運放芯片輸出電壓最大值，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象導(dǎo)致的，而HSPDC 遙測系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)探測信號正常，響應(yīng)范圍更大。另外，在遙測距離為10～20 m 范圍內(nèi)，HSPDC 遙測系統(tǒng)探測信號標(biāo)準(zhǔn)偏差低于TLB PDC，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為5.0～1.5mV 和8.5～1.7 mV；而遙測距離超過30 m 后，兩者趨向一致，約為1.0 mV，兩者偏差較小。由此可見，在近距離測量時，HSPDC遙測系統(tǒng)信號穩(wěn)定性優(yōu)于TLB PDC 遙測系統(tǒng)，抗噪聲能力更強，有助于提升氣體激光遙測系統(tǒng)的測量精度。

設(shè)置遙測距離為20 m，激光控制器溫度和電流參數(shù)設(shè)置與距離影響對比實驗一致。信號發(fā)生器輸出高頻正弦信號，幅值為300 mV，記錄不同頻率下的信號峰峰值，其與調(diào)制頻率影響關(guān)系曲線如圖10 所示。HSPDC 遙測系統(tǒng)的信號峰峰值在50 Hz～5 kHz 頻率范圍內(nèi)未出現(xiàn)衰減，在5～10 kHz 范圍內(nèi)衰減0.79 dB，由此可知，頻率對信號峰峰值的影響可忽略不計；而TLB PDC 遙測系統(tǒng)在調(diào)制頻率超過1 kHz 后信號峰峰值迅速衰減至14.2 dB，顯然無法用于高頻率正弦信號調(diào)制。結(jié)果表明，TLB PDC 遙測系統(tǒng)的截止頻率較低，無法滿足調(diào)制信號高頻特性要求，不利于遠距離激光遙測時降低環(huán)境因素干擾[28]；而HSPDC 遙測系統(tǒng)的截止頻率大于10 kHz，呈現(xiàn)出優(yōu)異的幅頻響應(yīng)特性，可用于TDLAS 氣體濃度的高精度測量。

圖10 信號峰峰值隨調(diào)制頻率變化曲線Fig.10 Variation in signal peak-to-peak value with frequency

4.3 氣體濃度響應(yīng)對比實驗

利用標(biāo)準(zhǔn)氣體氣袋模擬氣體泄漏源，分別對兩系統(tǒng)進行氣體濃度響應(yīng)實驗。激光控制器參數(shù)設(shè)置基本不變，鎖相放大器輸出調(diào)制信號頻率分別為1 kHz 和3 kHz，與信號發(fā)生器產(chǎn)生的10 Hz掃描信號疊加作為激光控制器的外部信號輸入。遙測距離為20 m，在散射物前放置濃度值為0.2%的10 cm 厚的標(biāo)準(zhǔn)氨氣氣袋，調(diào)節(jié)鎖相放大器的時間常數(shù)、靈敏度和正弦調(diào)制信號相位使二次諧波峰峰值達到最大。

依次放置濃度值為0.2%、1%和2%標(biāo)準(zhǔn)氨氣氣袋，測量并記錄1 kHz 和3 kHz 調(diào)制信號頻率下遙測系統(tǒng)的二次諧波波形，實驗結(jié)果如圖11（彩圖見期刊電子版）所示。顯然，在調(diào)制信號頻率為1 kHz 時，HSPDC 和TLB PDC 系統(tǒng)輸出二次諧波峰峰值的變化趨勢相差不大。以1%標(biāo)準(zhǔn)氨氣為例，HSPDC 系統(tǒng)輸出諧波噪聲大小約為61.1 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)，諧波峰峰值約為4.33 V，信噪比為70.88；但當(dāng)調(diào)制信號頻率為3 kHz 時，TLB PDC 系統(tǒng)由于響應(yīng)帶寬較低導(dǎo)致輸出諧波峰峰值幾乎為零，波長調(diào)制技術(shù)失效，而HSPDC 系統(tǒng)輸出噪聲降低為50.1 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)，諧波峰峰值為4.7 V，信噪比為93.81，選擇3 kHz 的正弦調(diào)制頻率可以實現(xiàn)更高信噪比測量。

圖11 系統(tǒng)輸出二次諧波波形。(a) 氣體濃度0.2%；(b) 氣體濃度1%；(c) 氣體濃度2%Fig.11 System output second harmonic waveforms.(a) Gas concentration 0.2%;(b) gas concentration 1%;(c) gas concentration 2%

圖12（彩圖見期刊電子版）為HSPDC 系統(tǒng)在調(diào)制頻率分別1 kHz 和3 kHz，氣體濃度分別為0.2%、1%和2%時氨氣和二次諧波峰峰值關(guān)系曲線。1 kHz 時，HSPDC 系統(tǒng)檢測靈敏度為3.743 V/%，R2=0.999 0；3 kHz 時，HSPDC 系統(tǒng)檢測靈敏度為4.433 V/%，R2=0.999 6，其中R2為線性擬合度。氣袋厚度為10 cm，探測光程為20 m，1%氣體濃度模擬泄漏源可接近等效為50 ppm，因此系統(tǒng)檢測靈敏度應(yīng)為74.86 mV/ppm 和88.66 mV/ppm。結(jié)果顯示，調(diào)制信號為3 kHz 時，HSPDC 系統(tǒng)受外界環(huán)境及內(nèi)部噪聲干擾較弱，諧波信號影響程度小，系統(tǒng)可獲得更高的響應(yīng)靈敏度和線性擬合度。HSPDC 系統(tǒng)輸出噪聲為50.1 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)，實際氨氣檢測限達到0.565 ppm，優(yōu)于其它氨氣激光遙測儀產(chǎn)品性能。由此可見，選擇3 kHz 的正弦信號進行高頻調(diào)制可獲得更高的信噪比、靈敏度和線性度，系統(tǒng)抗干擾能力更強，有利于提升氣體濃度反演的準(zhǔn)確率。

圖12 調(diào)制信號 為 1 kHz 和 3 kHz 時系統(tǒng)濃度響應(yīng)特性曲線Fig.12 System concentration response characteristic curves when modulation signal is 1 kHz and 3 kHz

5 結(jié)論

本文基于波長調(diào)制技術(shù)基本原理分析確定了提高TDLAS 氣體激光遙測系統(tǒng)信噪比的方法；基于光電二極管線性響應(yīng)特性選型InGaAs光電二級管；基于OPA656和LM324設(shè)計并仿真實現(xiàn)了高速高增益寬帶光電探測電路HSPDC。經(jīng)測試增益為108V/A、信號衰減為0.79dB(f=10kHz)。其截止頻率較現(xiàn)有108V/A增益跨阻放大電路高一個數(shù)量級，衰減光功率檢測限達到0.11 nW，暗電流噪聲為3.85 mV。將HSPDC 應(yīng)用于氨氣激光遙測系統(tǒng)，結(jié)合波長調(diào)制技術(shù)，在0～60 m 范圍內(nèi)對10 cm 厚的0.2%、1%和2%的氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣袋進行了測量。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在更高的調(diào)制頻率時獲得了更好的檢測性能，檢測靈敏度達到88.66 mV/ppm，檢測限優(yōu)于0.565 ppm，線性擬合度R2為0.999 6，性能優(yōu)于其它氨氣激光遙測產(chǎn)品，滿足60 m 甚至更遠距離的氣體泄漏監(jiān)測。研制的光電探測電路具有噪聲低、增益高、響應(yīng)帶大等優(yōu)點，可構(gòu)建檢測靈敏度高、線性度好、測量范圍遠的激光遙測裝置，滿足氣體泄漏激光遙測監(jiān)測等需求。