基于激光吸收光谱技术的CO2痕量检测及调制参数的优化

赵鹏，孙伟，付明艳，孙晔，周吉军，李野

（1.长春理工大学 理学院，长春 130022；2.白城兵器试验中心，白城 137001）

痕量气体检测技术主要采用化学法和光谱法。化学法检测精度高，能获得很低的检测限，但是处理过程复杂，检测周期长，而且必须气体采样才能实现定量分析，所以不能实现气体的实时监测。光谱法依赖于光谱分析技术，模型的普适性是影响检测精度的重要因素，很难建立一种适用于气体检测设备中的通用模型。

近年来，具有窄线宽优点的分布反馈式半导体激光器（DFB LD）技术日益成熟，极大地促进了可调谐激光二极管吸收光谱技术（TDLAS）的发展，现已能够制作出中心波长为3000nm的DFB LD，覆盖了整个近红外波段。采用DFB LD的TDLAS气体检测系统，通过超精细单光谱吸收实现检测［1-2］，具有邻峰干扰小、灵敏度高、响应时间快、无零漂等优点，可实现高精度的气体浓度实时在线检测，使其得到越来越广泛的应用。针对采用谐波检测技术的TDLAS系统中影响系统性能的主要因素开展研究，实现更低的检测下限。

1 系统设计

TDLAS系统结构如图1所示。

系统主要由长光程气体池［3］、激光器、激光器驱动器、调制信号源、探测器、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡等共同组成。

图1 TDLAS系统结构图

激光器驱动模块和调制信号源的功能是用于对中心波长2004nm的DFB激光器驱动及波长调制，通过温度和电流的控制使激光器的中心波长稳定在2004nm处。

由于吸光度与光程成正比，为了增强吸光度、提高检测灵敏度，检测系统采用多次反射气体池，气体池采用怀特池结构，总光程为12m。激光器、InGaAs探测器通过光纤和气体池耦合。

InGaAs探测器输出的信号经前置放大器放大后，再由锁相放大器提取出二次谐波信号。数据采集模块将含有气体浓度信息的二次谐波信号采集到PC机进行处理及运算，PC机可对检测数据和结果进行显示、存储。

2 TDLAS检测原理

气体吸收遵循比尔-朗伯定律（Beer-Lambert）定律，其数学表达式为：

式中，I—气体吸收后的光强；I0—气体吸收前的光强—气体对光的吸收系数；P—气体压强；C—待测气体的分子浓度；L—吸收池长度。

采用锯齿波、正弦波调制的激光器，驱动电流为：

式中，i0—扫频电流；δi—调制电流；ω—正弦信号频率。

DFB LD在正常工作范围内输出光强与注入电流成正比，依据（2）式可得激光器输出光强表达式：

式中，I0—激光的中心光强；δI—光强调制幅值。

激光器的所对应的激光频率为：

式中，v—激光中心频率；δv—频率调制幅度。

其中频率调制幅度与注入电流的调制幅度线性度的关系为δv=kδi，其中k是激光频率随注入电流变化的系数。

将式（3）和式（4）代入式（1）后进行傅里叶展开，考虑到δI远小于I0，为了计算的方便可以将激光器的输出光强气体吸收后光强的低阶谐波分量为：

其中一次谐波分量为：

二次谐波分量为：

利用携带有气体浓度信息的一次谐波分量和二次谐波分量可计算出气体的浓度值［4］。

3 调制参数的选取及优化

正弦调制信号的幅值决定激光器的波长调制幅度和光强调制幅度，正弦调制信号的频率决定了二次谐波对噪声的抑制能力，这两个参数共同决定了二次谐波线型。所以调制参数的选取对保证系统性能是十分重要的。

3.1 波长调制幅度对二次谐波线型的影响

在Matlab环境下，利用调制激光器的光强模型和波长模型，仿真计算得到激光器的输出光强和波长，依据Beer-Lambert定律及气体吸收线函，模拟计算出经过气体吸收后的光强。利用乘法器和低通滤波器模拟锁相放大器，提取出气体吸收后光强的谐波信号，得到激光器的输出波长与二次谐波信号之间的关系，如图2所示。

图2 各波长调制幅度下二次谐波信号

从图中可以看出，波长调制幅度δλ=0.06nm时，其二次谐波信号幅值最强且线宽较窄。依据2004nm DFB激光器的电流波长系数为0.02nm/mA，得出用于调制的正弦波的δi为3mA。通过设置更小的波长间隔，可以得到更加精确的仿真结果。

3.2 光强调制幅度对二次谐波波形对称性的影响

激光器的光强随正弦调制信号的发生周期性的改变，其光强变化的幅度即为光强调制幅度。考虑光强调制幅度对谐波信号的影响，根据公式（1）及公式（3）得吸收后的光强信号为：

经过傅里叶展开后得：

吸收信号的二次谐波信号为：

从式（10）可以看出，由于光强幅度调制，二次谐波信号除了包含起主要作用的二阶傅里叶分量A2外，还包含奇次谐波分量A1和A3［5］。

图3 不同光强幅度调制下二次谐波波形

图3为不同光强调制幅度下的二次谐波。从图中可以看出当δI越强时，二次谐波越向奇次谐波信号逼近。这是由于光强调制幅度δI对二阶傅里叶分量A2的幅值没有贡献，而直接影响奇次谐波分量的幅值。奇次谐波分量会影响二次谐波线型，使二次谐波不对称，直接影响到气体检测的精度。所以在选择正弦调制信号的幅值时，既需要考虑波长调制幅度是否合适，还需要考虑光强调制幅度是否过大。

3.3 调制频率对二次谐波的影响

图4为二次谐波幅值随调制频率变化趋势。随着调制频率增大，二次谐波的最大幅值逐渐下降，信噪比［6］逐渐提高。6kHz时二次谐波信号平滑度较差，这是由于探测器的1/f噪声所致，大于6kHz时1/f噪声会逐渐得到抑制，受探测器和锁相放大器等频率响应特性的限制，调制频率不能无限的提高。在系统设计中，要依据系统的频率响应特性、谐波信号信噪比、谐波信号幅值等因素综合考虑。

图4 不同正弦调制频率下二次谐波波形

4 结论

通过对TDLAS系统中原理的分析给出了调制参数优化的计算方法，利用此方法对CO2痕量监测系统的正弦调制信号参数进行了优化。本系统中正弦调制信号频率选择10kHz，电流幅值为3mA。用气体稀释器，以99.999%的N2为零气，对CO2进行稀释，分别稀释成10ppm、20ppm、30ppm及40ppm的混合气体，检测后得到二次谐波信号线型如图5所示。

图5 不同浓度气体的二次谐波波形

可以看到在进行调制参数选取及优化之后，二次谐波的幅值及对称性非常好，为计算检测气体的浓度提供了保证，利用二次谐波幅值大小可得上述各浓度CO2气体的检测浓度如表1所示。

表1 各浓度气体的实际数据和检测数据

由于检测系统中的调制参数对系统的检测灵敏度和精度影响极大，在对调制参数的数值选取和优化后，每米光程系统的检测下限可达到10ppm。可调谐激光吸收光谱系统具有很强的通用性，通过改变其他中心波长的激光器来实现对其他有毒有害气体的检测。使有毒有害气体的痕量检测仪器具有小型化、便携化、快速化及高精度、高灵敏度。

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