基于激光吸收光谱的多用途气体检测系统设计

常岐海

（西藏民族学院，陕西 威阳 712082）

0 引 言

基于调制半导体激光吸收光谱 （tunable diode laser absorption spectrum，TDLAS）方法的气体检测技术，相对于传统半导体、化学等传感器，具有选择性好、响应迅速和灵敏度高等特点，成为气体检测技术的主要研究发展方向之一。TDLAS技术不同于传统传感器之处在于可利用激光遥感形成非置入现场的自然目标短程遥感传感器，避免高危气体现场检测人员的人身伤害[1]。

TDLAS方法利用发射波长调制激光穿越气体，经光电探测器接收，分析接收光电信号变化测算激光照射路径内的气体含量。其中波长调制是实现高灵敏度检测的重要环节。TDLAS波长调制检测方法通过对激光进行波长扫描和光强调制，对接收光信号进行相敏检测。通过提取光吸收信号的高次谐波幅度或线形作为反映气体含量的特征。TDLAS技术利用气体指纹吸收谱线进行气体存在判定及测量，可使复杂背景气体组份的干扰大大降低。该技术在使用前需要对检测系统定标，即形成检测谱线及相应的气体含量数据，以便系统定量检测[2-3]。

本文详细介绍了TDALS方法的各种处理算法，并利用LabWindows/CVI开发了一套基于TDLAS方法的气体检测定标和测量的测试实验系统。

1 TDLAS处理算法

图 1（a）、（b）、（c）分别给出了 TDLAS 方法的气体吸收光谱原始、一次谐波和二次谐波信号。由于TDLAS方法中对光谱信号的高次谐波信号的提取近似于对原始信号的求导。从原始调制吸收信号提取一次谐波信号就去除了线性本底，二次谐波信号的提取则不仅去除了线性本底噪声，并去除了二次非线性本底噪声。高次谐波信号随阶数的增加，信号幅度显著下降[4]。根据探测灵敏度和信噪比，实际多选用二次谐波信号作为判定和测量气体含量的特征信号。TDLAS处理算法可分为谐波信号最小二乘法和谐波比值法。

1.1 谐波信号最小二乘法

TDLAS方法中，可以将光电探测器接收的信号分为定标信号（Cal）、本底背景信号（Bgr）和现场检测信号（Amb）。根据最小二乘法[5]，可以定义为

其中 Sn=f （Bgrn，Caln），N 为数据点个数。 函数 f一般认为是定标信号和本底背景信号的线性组合，如Sn=Bgr+c·Cal，其中c为待定系数。

现场检测信号减去本底背景信号，然后参考定标信号，并使ξ最小化，求取的待定系数c即为现场检测气体的含量。根据基于最小二乘法的线性回归使 ξ最小化，由式（1）可得

为了确定c，对式（2）求取ξ对于c的微分

1.2 谐波比值法

根据Beer-Lambert定律，调制激光输出光强Ⅰ0与输入光强Ⅰ和气体浓度之间的关系[6]可表示为

式中：η——强度调制因子；

α（f）——气体吸收系数；

f0——中心激光频率；

fm——扫描频率的幅度；

ω——电流调制的角频率；

C——气体浓度；

L——吸收路径的长度。

在 α（f）CL＜＜1 和 η<<1 条件下，α（f）使用洛伦茨谱线线形，式（6）可简化为

其中 x=fm/δf， δf为吸收谱线的半高半宽。 式（7）做傅里叶级数展开，可得一次谐波和二次谐波的表达式为 Ⅰ1=Ⅰ0η 和 Ⅰ2=-2kα0CLⅠ0，其中 k 为 x 的函数。一般选择x=2.2，这样可以使二次谐波的中心幅值最大，提高信噪比。二次谐波与一次谐波的比值为

图1 TDLAS方法的气体吸收光谱原始、一次谐波和二次谐波信号

该比值与吸收气体含量成正比。式（8）比值消除了Ⅰ0，即消除本底噪声的影响，提高了定量精度。此外，还有一种比值算法[7]，直接对气体吸收信号做快速傅里叶变换，取二次谐波频率对应的谱强度与一次谐波频率对应的谱强度做比值，该比值在弱吸收条件下也与吸收气体含量成正比。该算法是建立在吸收信号的谐波线形在任意频率处的幅值都与气体含量成正比基础上。实际这也说明不需要一定选择偶次谐波的中心频率处幅值作为定标，选择高阶奇或偶次谐波非谱线频率中心的其他给定频率幅值一样可以进行气体定标和检测。

上述两种算法有其适用的范围。对于最小二乘法，一般用于气体吸收池或封闭空间检测环境下的高精度痕量检测。对于开放环境条件下，由于采用的线性回归方法，其对背景噪声的影响极其敏感，特别是在背景光多变的环境下，检测量值会随背景光的起伏而变化。为了在开放环境下使用最小二乘法，需要使用平衡探测接收消除背景光的起伏对该算法的影响。比值法相对于最小二乘法检测精度低，其处理速度快，适用于快速现场检测或高速移动检测。比值法需对信号进行相关检测，以判别是否是气体的吸收信号。特别是利用比值法进行微弱气体含量检测，必须进行信号的相关性判别[8]。

2 多用途测试实验系统

图2给出了测试系统的原理框图。该测试系统封装在一个工控电脑机箱中，对外预留激光输出接口和光电信号输入接口。外接的气体吸收池或短程遥测气体检测单元仅需通过这两个接口即可互联，方便地实现气体检测实验系统。

图2 测试系统原理框图

图3给出了测试系统的软件原理框图。系统定标流程与该原理框图一致。系统根据光学接口参数的设置进行不同光谱信号处理算法的选择。

软件测试系统采用LabWindows开发，采用多线程实现。多线程分为采集线程、处理线程、显示线程和数据存储线程。线程之间使用线程安全队列TSQ实现数据传输。LabWindows提供了两种在次线程中运行代码的高级机制，分别是线程池和异步定时器。本测试系统采用线程池方式运行次线程，使用指针的指针进行TSQ的数据读写。

图3 测试系统软件流程图

2.1 多线程的实现

实验系统的多线程实现通过调用Utility Lib库函数CmtScheduleThreadPoolFunctionAdv，把想要运行的次线程的函数名传递给上述函数，线程池调用这个函数在它的其中一个线程中运行。

Visual C的多线程设计线程只是在线程内运行，而LabWindows的多线程设计线程分为两部分，一部分维护线程运行，另一部分使用回调函数执行线程处理[9]。具体在LabWindows中的实现，通过处理线程实例说明如下：

上述处理线程函数中，首先放置一个线程间传递数据的队列，CmtInstallTSQCallback函数用于在线程中安装线程安全队列（TSQ）。While语句判定线程是否运行，ProcessSystemEvents函数进行运行线程消息抓取。线程结束后顺序使用CmtUninstallTSQCallback和CmtFlushTSQ函数完成TSQ的释放。ProcessSystemEvents函数实现事件的响应，防止线程陷入线程死循环和造成用户界面无法响应操作。否则程序尽管编译通过，但运行会出错。

2.2 TSQ指针的指针数据传递

LabWindows平台给出的TSQ多设计成FIFO，每次采集的数据都放置在TSQ中[10]。对于大数据量的采集工作，这种数据结构安排是不符合结构化的数据管理。本实验测试系统利用指针的指针，每次采集的数据通过在堆上分配空间，然后将指针传递给TSQ实现大量分批次的数据传递。这样不仅可以保证程序设计的明晰，而且保证数据处理的连续性。以处理线程回调函数为例：

要实现指针的指针数据传递，TSQ函数指针必须设置成指针的指针。采集的数据必须挂在预先定义的指针数组中，才可有效实现。ProcessArrayPtr为指针数组，readPtr和writePtr分别为读写不同的TSQ指针。调试结果显示，指针数组的存储地址一致，有效地实现了线程间指针数据的传递。

3 结束语

本文详细地论述了基于调制半导体激光吸收光谱方法的气体检测原理和不同应用现场环境下处理算法。对不同算法进行详细比较和应用过程分析，给出了不同算法处理过程的适用性结论。面对多种检测形式，设计了一种接口单一的调制半导体激光吸收光谱多用途气体实验测试系统。在该测试系统软件中，基于LabWindows开发环境，提出使用指针的指针在线程安全队列中进行优化的数据结构传递方法，并详细地给出了一种多线程采集处理的线程执行结构。该调制半导体激光吸收光谱多用途气体实验测试系统完成后，已用于科研项目中的气体标定和测试。

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[8]Jin W，Xu Y Z，Demokan M S，et al.Investigation of interferometric noise in fiber-optic gas sensors with use of wavelength modulation spectroscopy[J].Appl Opt，1997，36（28）：7239-7246.

[9]National Instruments corporation.LabWindows/CVI Basic course manual[Z].2006：202-209.

[10]National Instruments corporation.LabWindows/CVI user manual[Z].2006：153-160.