基于1 654 nm分布反馈激光器的甲烷检测系统

李 彬，刘慧芳，何启欣，翟 冰，潘教青，郑传涛*, 王一丁*

1. 吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林 长春 130012 2. 中国科学院半导体所，材料科学重点实验室，北京 100083

基于1 654 nm分布反馈激光器的甲烷检测系统

李 彬1，刘慧芳1，何启欣1，翟 冰1，潘教青2，郑传涛1*, 王一丁1*

1. 吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林 长春 130012 2. 中国科学院半导体所，材料科学重点实验室，北京 100083

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术及波长调制技术，采用波长为1 654 nm的分布反馈激光器，结合开放式光学探头以及高灵敏度的铟镓砷光电探测器，研制了近红外甲烷气体检测系统。自主设计研发了分布反馈激光器驱动电路，主要包括模拟PID温度控制电路与电流驱动电路。其中，温度控制电路具有较高的控制精度及稳定性，长时间工作时激光器温度波动小于±0.02 ℃，温度与激光器波长呈线性变化。温度不变时，改变驱动电流可以使激光器中心波长线性变化，同时还提供了5 kHz正弦波和10 Hz锯齿波的调制信号，用于谐波检测。为了提取差分信号的一次谐波及二次谐波，研制了正交锁相放大器，一次谐波和二次谐波的提取误差分别为3.5%和5%。系统中采用的开放式光电探头通过一次反射，使有效吸收光程增加了一倍，达到了40 cm。通过对1%～5%的甲烷气体进行检测，成功提取了一次及二次谐波，得到了气体浓度与谐波信号幅值的拟合关系曲线。在更换不同输出波长的激光器后，该系统还具有检测其他气体的能力。

近红外；甲烷检测；分布反馈激光器；波长调制

引 言

在煤炭的开采过程中，甲烷是一种能够引起爆炸的有害气体，检测其浓度及变化率，对监测及预防煤矿爆炸事故具有重要的意义。近年来，对甲烷气体浓度检测的研究呈逐年上升趋势。相比于其他检测方法，如电化学法[1]、半导体法[2-3]、催化燃烧法[4-6]，光学检测具有响应速度快、灵敏度高、非接触性检测、选择性强等优势[7-9]。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)技术作为光学检测方法的一种，利用半导体激光器可调谐、窄线宽的特点，通过扫描待测气体的单根吸收谱线实现气体浓度的快速检测。相对于直接吸收光谱(DAS)，波长调制光谱(WMS)技术能够进一步消除系统中的噪声，提高检测灵敏度，因而得到了广泛的应用[10-12]。近年来，中红外波段的甲烷检测研究屡见报道[13-14]，其吸收能力较近红外的泛频带强了两个数量级，一些研究人员使用量子级联激光器，在中红外波段进行了甲烷检测研究工作，浓度的检测下限可以达到10-9量级[15]。然而，使用分布反馈(DFB)激光器的近红外甲烷检测可通过光纤通信，结合开放式的光学探头，可以实现长距离的实时检测，这对于煤矿等危险的环境更具有实际意义。

采用DFB激光器进行甲烷气体的检测工作会受制于以下几点：(1)激光器输出光谱的稳定度；(2)有效吸收光程；(3)锁相放大器的性能[16]。在2014年，我们已经研制了一套近红外甲烷检测系统[17]，激光器的温度控制电路使用数字式比例-积分-微分(PID)控制算法进行控制，使用了需要气泵的封闭性气室，同时，研制了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)移相的模拟与数字混合式的锁相放大器。相较于之前的工作，本文的主要改善包括：首先，采用模拟PID算法对激光器进行温度控制，在减少主控制器软件开销的同时提高了激光器温度的稳定性，将温度波动从±0.1 ℃抑制到±0.02 ℃。其次，采用了开放式的光学探头用于提高有效光程，从20 cm提高到40 cm，并且不再需要气泵。同时，研发了高性能、高性价比的正交锁相放大器，其性能满足实验要求。通过测试实验，验证了激光器驱动及系统的整体检测性能。

1 检测原理

TDLAS技术根据调制方式可分为多种形式，应用比较广泛的两种方式为直接吸收光谱和波长调制光谱[18]。直接吸收光谱的系统相对简单，成本相对较低，但其检测精度往往受制于系统中存在的大量低频噪声[19]。为了提高检测精度，采用了波长调制光谱技术，用正弦波调制一个与频率有关的电流量，使激光器的中心波长扫过气体吸收峰。根据Beer-Lambert定律

ν=ν0+νfsin(ωt)

(1)

式中，ν0为未经调制时的光源中心频率，νf为频率调制幅度，ω为调制角频率，n为光强调制系数。激光器的输出光强为

I(ν,t)=I0[1+nsinωt]exp(-α(ν0+νfsinωt)Lc)

≈I0[(1+nsinωt)-α(ν0+νfsinωt)Lc]

(2)

对气体的吸收线型采用Lorentz线型描述，即

(3)

式中，α0为气体分子在吸收峰处的吸收系数，νc为吸收峰的中心频率，Δν为吸收线半宽。当ν0=νc时得到

(4)

If=nI0,I2f=-kα0LcI0

(5)

由此可以看出，一次谐波信号大小正比于初始光源的平均功率；二次谐波信号与初始光强和气体浓度有关，提取二次谐波信号即可反演气体的浓度，本文在实验部分提取了一次及二次谐波信号，并用二次谐波信号与一次谐波信号的比值与气体浓度进行对比分析，进一步消除了光源调制的影响。

2 检测系统设计

检测系统的系统框图如图1所示。实验中采用了北京中科院半导体所提供的DFB激光器，中心波长为1 654nm。通过主控制器(MCU)控制激光器的温度控制电路、电流控制及波形调制电路，对激光器进行驱动。激光器的工作温度设定在17 ℃，叠加10Hz锯齿波及5kHz正弦波。输出光信号通过光纤(黄色曲线)进行传输，经光分束器分为两路信号，一路信号进入气室，参与气体吸收，另一路经过光衰减器(opticalattenuator,OA)作为参考信号。气室中内置了开放式光学探头，通过一次反射，将有效吸收光程延长至40cm。系统中采用高灵敏度的铟镓砷(InGaAs)光电探测器，截止波长为2.2μm，光敏面直径为 1mm，峰值响应度为 1.1A·W-1。经过减法电路对两路信号进行差分，差分信号通过锁相放大器进行一次谐波与二次谐波提取，输入正交锁相放大器的方波信号与激光器上叠加的正弦波信号同频同相。经过相乘、低通滤波及模数转换(ADC)后，将谐波信号输入至数字信号处理(DSP)芯片进行处理，通过按键控制，可以将检测信息显示在液晶屏上。

Fig.1 Near-infrared methane detection system using DFB laser at 1.654 μm

2.1 激光器驱动设计

2.1.1 温度控制电路

DFB激光器的定点恒温控制是十分必要的。一方面，DFB激光器的输出波长随光栅反射区折射率的改变而发生变化，在注入电流一定时，通过调谐温度可以改变DFB激光器的光栅周期及有效折射率，进而改变其输出波长[20]。另一方面，当激光器温度变化而注入电流不变时，还会引起光功率的变化[21]。因此在进行气体检测时，如果不对激光器进行有效、稳定的温度控制，由于环境温度的变化及工作时激光器内部产生的热量会使得激光器输出中心波长漂移。系统中使用的DFB激光器内部封装了负温度系数热敏(NTC)电阻和具有帕尔贴效应的热电制冷器(TEC)。因此，文中采用了基于模拟PID算法的TEC控制芯片(ADN8831)，对激光器进行定点恒温控制。

为了对激光器定点恒温控制，首先需要设定激光器的控温范围，以此选取对应的外围电路器件，然后还需要确定激光器温度的设定方式并整定模拟PID补偿网络的参数值。通过定点控温后的光谱测量，设置激光器温度的范围为14～34 ℃。根据该激光器内部封装的热敏电阻的温度-阻值表绘制了拟合曲线，如图2所示。将图2中的拟合公式结合式(6)—式(9)，即可确定设定电压与激光器温度的关系，其中RLOW，RMID，RHIGH为选取的温度范围对应的电阻值，RTH为热敏电阻值，R1和R2可由式(7)和式(8)确定，R3为补偿电阻，VREF为参考电压，VSET为设定电压，实验中使用主控制芯片通过数模转换芯片(AD5060)对TEC控制器进行温度设定。系统中设定了两种调温步进量，分别为0.05和1 ℃。图3为激光器温度设定与PID补偿网络的示意图，其中CD, RD, RI, CI, RP 和CF为PID网络参数值，通过多次现场调试，最终得到超调量较小且控温稳定的一组数值。

(6)

(7)

R2=R1-RMID

(8)

(9)

激光器温控的稳定性至关重要，较大的温度波动会导致输出波长漂移，而且较大的热震荡会缩短激光器的寿命甚至损坏激光器。在温控电路完成之后，进行了20h的长时间温控测试，如图4所示。将激光器温度设定在25.15 ℃，使用模数转换器进行温度值采集，采样间隔为30s，可见温度的波动范围不超过±0.02 ℃。图中随机选取了连续的60min，可以看到采样点均匀分布，激光器温度较为稳定。图5为激光器注入电流为50mA时，温度设置为18～22 ℃，使用ThermoScientific公司的傅里叶红外光谱仪(NICOLET6700FTIR)测量的光谱图。由图可见激光器输出的中心波长随温度线性变化，验证了激光器温控电路的稳定性和可靠性。

Fig.2 Curve of RTH versus temperature

Fig.3 Schematic of temperature setting and compensating network

Fig.4 Temperature stability test of DFB laser during 20 hours

Fig.5 Under the driving current of 50 mA, the measured emitting spectrum under different operation temperatures of 18～22 ℃

2.1.2 激光器电流驱动及调谐

对激光器进行定点恒温控制后，首先将输出波长粗调至吸收峰处，再通过电流调制进行细调，使激光器输出中心波长反复扫过吸收峰。实验中通过数模转换器(DAC)产生10 Hz的锯齿波，并通过直接数字式频率合成器(DDS)产生5 kHz的正弦波，通过加法器与锯齿波共同对激光器输出波长进行调制。DDS同时生成与此正弦波信号同频同相的方波，输出至锁相放大器。调节激光器的温度值与注入电流值，可测得激光器的输出中心波长变化特性。由图6可见，在温度范围为18～26 ℃时，恒温下改变激光器的注入电流，可使激光器的输出中心波长线性变化。图7为恒温恒流驱动测试，激光器温度为30 ℃，注入电流为80 mA，间隔10 min连续测得5次光谱，由图可见激光器输出光谱无波长漂移，几乎完全重合，验证了激光器驱动的稳定性。

Fig.6 Under the different operation temperatures, emitting peak wavelength versus the laser temperature and injection current

Fig.7 Measured spectra during 50 minutes, where the curves are obtained every ten minutes

2.2 开放式光学探头

实验中采用的开放式光学探头如图8所示，光学探头内置于气室中。该器件结构简单可靠，由输入、输出光纤，反射镜及固定支架组成，单程光路为20 cm，通过一次反射，使有效光程达到40 cm。激光器的输出光束经光分束器分为两路，一路进入气室与甲烷气体参与气体吸收，另一路经过在线可调式光衰减器，调节光衰减器时，调节程度可参考两路信号经光电探测器转换为电信号后的电平值差异程度。

Fig.8 Open reflective sensing probe

2.3 正交锁相放大器

自主研发的正交锁相放大器的原理框图如图9所示，各功能模块及工作过程如下：(1)信号差分及放大模块，将从光电探测器输出的两路信号作差分处理，消除环境噪声；(2)倍频、移相模块，对激光器调制频率倍频，采用双D触发器输出两路相位差为90°的参考信号；(3)乘法器模块，芯片选型为AD630，该芯片具有高稳定性和准确度，用来对差分信号和参考信号做乘法处理；(4)低通滤波模块，采用八阶巴特沃斯滤波器芯片MAX291，对乘法器输出信号低通滤波，得到乘法信号中与参考信号相关的信号，即谐波信号；(5)模数转换模块，选择12位精度、采样率为1MSPS的双通道模数转换芯片AD7866，对两路谐波信号采样；(6)数据处理及显示模块，采用32位浮点型DSP处理器，对采样的谐波信号进行正交运算，并将处理结果通过LCD液晶显示屏显示。

为了测试正交锁相放大器的性能，对浓度为10%的甲烷气体进行了一次谐波和二次谐波提取实验，参考信号频率分别为5和10 kHz。连续测量400个谐波信号周期，观察一次谐波与二次谐波峰峰值的稳定性。实验结果如图10所示，一次谐波提取实验的误差为3.5%，二次谐波提取的误差为5%，稳定性良好。

Fig.9 Block diagram of orthogonal lock-in amplifier

Fig.10 Stability test of the orthogonal lock-in amplifier,where the methane concentration is 10%

3 结果与讨论

3.1 谐波提取实验

通过气体质量流量计对气室进行动态配气，甲烷气体的浓度为10%，将激光器温度值设为17 ℃，锯齿波频率设为10 Hz，进行差分信号的提取实验。通过示波器(Tektronix, TDS3032C)观察两路信号和差分信号，如图11所示。可见图11(a)中的红色曲线为经过气体吸收后的信号，以0.1 s为周期反复扫过吸收线，蓝色为参考信号。两路信号经过差分之后的结果如图11(b)所示。通过对此差分信号进行谐波提取，即可得到一次谐波1f与二次谐波2f，两者比值可用于表征气体浓度，差分信号的成功提取同时也验证了激光器驱动部分及光学部分的设计稳定可靠。

使用设计研发的正交锁相放大器，成功提取了一次谐波信号1f与二次谐波信号2f。将差分信号分别与两路相互正交的5和10 kHz的方波信号进行乘法运算及低通滤波，即可分别得到1f与2f。其中，一路5 kHz的方波信号由DDS产生，与调制激光器的正弦波同频同相，经过DSP分别4倍频及8倍频，再经双D触发器分频后，分别得到相互正交的5与10 kHz的方波信号。实验中采用10%浓度的甲烷气体，将实时采样的谐波信号显示在上位机上，如图12所示，其中的谐波信号均未经滤波处理。其中Y轴单位为10-4V，X轴表示采样时间，每个信号周期上共有250个采样点。由于谐波信号的原始值在-5～5 V之间，必须要提升电平后才能用于模数转换。

Fig.11 The measured waveforms of (a) detection and reference signals and (b) differential signal, where the CH4concentration is 10% in experiment

Fig.12 Extracted 1f and 2f harmonic signals,where the methane concentration is 10%

3.2 气体检测实验

通过已知气体浓度的检测实验对该系统的功能性与准确性进行了验证。使用动态配气方法，分别配置了浓度为1%，2%，3%，4%，5%五种甲烷气体并分别提取了一次谐波和二次谐波，如图13所示。由图13(a)和图13(b)可见，谐波信号的幅值正比于气体浓度。由于一次谐波信号的大小正比于初始光强，二次谐波信号的大小正比于初始光强和气体浓度，使用2f/1f即可消除光强部分的影响，得到图13(c)，得到的比值信号的峰峰值与气体浓度呈良好的线性关系，拟合公式为Y=1.218 31+0.084 77X。结果表明在此区间内的气体浓度可以用2f/1f比值表征。

Fig.13 Measured (a) 1fand (b) 2fharmonic signals under different CH4concentrations; (c) The relation between the amplitude ratio of 2f/1fversus CH4concentration

4 结 论

基于TDLAS检测技术，采用1 654 nm输出波长的DFB激光器、开放式光学探头及高灵敏度的铟镓砷光电探测器，设计了甲烷气体检测系统。自主研发了高精度的激光器温度控制系统、电流驱动及调谐电路、正交锁相放大器等电路及仪器。激光器的温度波动能够控制在±0.02 ℃范围内，并且输出波长随温度变化而线性变化，满足实验要求。正交锁相放大器能够成功提取一次、二次谐波，通过实验验证了检测系统的各功能模块满足设计要求。对比之前的工作，本文在激光器驱动及信号提取等方面均有较大的提升，并且加倍了有效吸收光程。下阶段将会进行更多浓度的气体实验，对系统的整体检测性能进行更多的测试与评估。

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*Corresponding authors

A Methane Detection System Using Distributed Feedback Laser at 1 654 nm

LI Bin1，LIU Hui-fang1，HE Qi-xin1，ZHAI Bing1，PAN Jiao-qing2，ZHENG Chuan-tao1*，WANG Yi-ding1*

1. State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China

2. Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China

A methane (CH4) detection system based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technique was experimentally demonstrated. A distributed feedback (DFB) laser around 1 654 nm, an open reflective sensing probe and two InGaAs photodiodes were adopted in the system. The electrical part of the system mainly includes the laser temperature control & modulation module and the orthogonal lock-in amplifier module. Temperature and spectrum tests on the DFB laser indicate that, the laser temperature fluctuation can be limited to the range of -0.02～0.02 ℃, the laser’s emitting wavelength varies linearly with the temperature and injection current, and also good operation stability of the laser was observed through experiments. Under a constant working temperature, the center wavelength of the laser is varied linearly by adjusting the driving current. Meanwhile, a 5 kHz sine wave signal and a 10 Hz saw wave signal were provided by the driving circuit for the harmonic extraction purpose. The developed orthogonal lock-in amplifier can extract the 1f and 2f harmonic signals with the extraction error of 3.5% and 5% respectively. By using the open optical probe, the effective optical pass length was doubled to 40 cm. Gas detection experiment was performed to derive the relation between the harmonic amplitude and the gas concentration. As the concentration increases from 1% to 5%, the amplitudes of the 1f harmonic and the 2f harmonic signal were obtained, and good linear ration between the concentration and the amplitude ratio was observed, which proves the normal function of the developed detection system. This system is capable to detect other trace gases by using relevant DFB lasers.

Near-infrared; CH4detection; Distributed feedback laser; Wavelength modulation

Apr. 17, 2015; accepted Aug. 22, 2015)

2015-04-17，

2015-08-22

国家科技支撑计划项目(2013BAK06B04)，国家自然科学基金项目(61307124，11404129)，吉林省科技发展计划项目(20120707，20140307014SF)资助

李 彬，1985年生，吉林大学电子科学与工程学院博士研究生 e-mail: binli13@mails.jlu.edu.cn *通讯联系人 e-mail: zhengchuantao@jlu.edu.cn; wangyiding47@hotmail.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0020-07