[發(fā)明專利]一種基于吸收光譜技術(shù)的雙頻率波長調(diào)制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710377115.6
• 申請日: 2017-05-24
• 公開（公告）號: CN107247034B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周賓;王浩;程禾堯
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;H01S5/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李倩

本發(fā)明公開了一種基于吸收光譜技術(shù)的雙頻率波長調(diào)制方法，該方法在傳統(tǒng)波長調(diào)制信號的基礎(chǔ)上疊加了另一高頻正弦信號，針對該種激光激勵方式建立了雙頻率波長調(diào)制的傅里葉分析模型，理論推導(dǎo)了各次諧波表達(dá)式，研究了不同調(diào)制參數(shù)對諧波信號的影響并通過全局尋優(yōu)算法確定了最佳調(diào)制參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，確定了雙頻率波長調(diào)制頻率響應(yīng)關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式。相比于傳統(tǒng)單頻率波長調(diào)制方法，本發(fā)明提出的測量方法具有更高的信噪比，測量結(jié)果的穩(wěn)定性更強(qiáng)，并且在弱吸收情況下的諧波峰值位置更易于判斷，具有更大的應(yīng)用潛力，本發(fā)明方法僅改變了激光器的注入電流激勵方式，對硬件成本要求低，并可應(yīng)用于多次反射池等系統(tǒng)進(jìn)一步降低氣體濃度的檢測下限。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于吸收光譜技術(shù)的雙頻率波長調(diào)制方法，用于氣體濃度測量，屬于激光吸收光譜技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)充分利用了分布反饋式激光器的窄線寬和可調(diào)諧特性，實現(xiàn)了氣體分子單根吸收譜線的快速掃描和測量，具有檢測下限低、靈敏度高、響應(yīng)速度快、非侵入等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于近紅外波段的痕量氣體探測、環(huán)境保護(hù)與污染排放監(jiān)測、燃煤鍋爐的燃燒診斷和航空航天發(fā)動機(jī)檢測等方面。然而由于大多數(shù)分子的振轉(zhuǎn)帶位于紅外頻譜區(qū)，而該波段內(nèi)分子的吸收強(qiáng)度較弱，探測靈敏度低，因而改善目標(biāo)氣體檢測系統(tǒng)的信噪比，提高系統(tǒng)的檢測靈敏度已成為TDLAS技術(shù)的重要研究方向之一。

國內(nèi)外學(xué)者對提高TDLAS技術(shù)探測靈敏度進(jìn)行了一系列研究，如使用多次反射池增加吸收光程、對采集信號使用特殊的運算法則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等常規(guī)方式。目前高靈敏度的光譜調(diào)制技術(shù)在提高痕量氣體檢測信噪比方面得到了廣泛應(yīng)用，該方法利用了透射光強(qiáng)在高頻調(diào)制頻率分量上的強(qiáng)度信息，可以抑制低頻背景噪聲對微弱吸收信號影響，從而顯著提高探測靈敏度。如波長調(diào)制光譜技術(shù)(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)和頻率調(diào)制光譜技術(shù)(Frequency Modulation Spectroscopy，F(xiàn)MS)。兩者的主要差別在于調(diào)制頻率與調(diào)制幅度上，F(xiàn)MS對光電探測器的響應(yīng)速度、信號發(fā)生及采集系統(tǒng)采樣率等硬件要求較高。FMS和WMS多應(yīng)用于氣體的標(biāo)定檢測，需要在已知的體系中校準(zhǔn)，這在大多數(shù)環(huán)境中是難以實現(xiàn)的。此外，氣體溫度、壓力及標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)(平行平面產(chǎn)生的干涉條紋)發(fā)生變化時給所測氣體參數(shù)帶來極大的不確定性，不適合現(xiàn)場惡劣的測量環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于吸收光譜技術(shù)的雙頻率波長調(diào)制方法，該方法具有高的信噪比和檢測靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的測量穩(wěn)定性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)手段為：

一種基于吸收光譜技術(shù)的雙頻率波長調(diào)制方法，該方法包括如下步驟：

步驟1，對雙頻率波長調(diào)制的激光激勵方式進(jìn)行傅里葉分析，理論推導(dǎo)出n次諧波的X和Y方向分量，對應(yīng)的表達(dá)式為：

式(1)和式(2)中，為未加調(diào)制時的激光器光強(qiáng)，H_k、J_k為k次傅里葉系數(shù)，i_1，k、i_2，k分別為k次光強(qiáng)調(diào)制頻率f₁、f₂對應(yīng)的傅里葉系數(shù)，為分別對應(yīng)的k次光強(qiáng)調(diào)制的初始相角；其中，R＝f₂/f₁，δ_nk為符號函數(shù)，當(dāng)n＝k時，其值為1，否則為0，sgn(x)為符號函數(shù)，表示當(dāng)x＞0時，其值為1，當(dāng)x＜0，其值為-1，x＝0時，其值為0；

當(dāng)吸收為零，即滿足τ(t)＝0時，H_k＝δ_k0，J_k＝0，代入式(1)、(2)，得到無吸收時的X分量和Y分量的表達(dá)式為：