TDLAS 调制和解调技术的应用研究

李永刚 ,关淑翠 ,赵艳梅∗ ,张 涛 ,樊海春

(1.天津同阳科技发展有限公司,天津 300384;2.天津市环境监测技术企业重点实验室,天津 300384)

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectrosopy)是可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称。该技术是利用激光能量被气体分子选频吸收特性形成吸收光谱的原理来分析气体成分和测量气体浓度的一种技术。半导体激光器发射出的特定波长的光束穿过待测气体时,待测气体对光束进行吸收从而使激光强度产生衰减,激光强度的衰减与被测气体的浓度成正比,因此,通过测量激光强度衰减信息就可以分析得出待测气体的浓度。

TDLAS 技术于20 世纪70 年代由Hinkley 和Reid 等人提出,经过近30 年的发展,在环境科学、工业等领域得到了广泛的应用。TDLAS 技术利用激光二极管的波长调谐特性,进行待测气体的分析;一般配合长光程气体池使用,具有选择性好、灵敏度高、精度高、快速在线非接触测量、操作简单、无需预处理样品等优点。它的技术特点为:激光光源线宽窄、功率密度高,探测灵敏度高于传统光谱技术,可达ppb～ppt 量级;其次,分子光谱具有“指纹”区,选择性强,加之激光二极管光谱分辨率高、可调谐的特性,可实现很窄的光谱范围内对待测分子进行测量,避免了交叉干扰;最后,探测范围广、响应速度快、激光器准直性好,适合大气实时在线检测。

TDLAS 技术通用性很强,通过变换不同波长扫描范围的激光器可以实现从一种目标气体到另一种气体的检测,并可以实现多种目标气体的同时检测。TDLAS 技术最早采用直接吸收方法,吸收谱图如图1 所示[3],直接吸收法,比较简单、无需标定便可测得气体浓度,但是灵敏度低,受激光器、探测器、电路等低频噪声影响,很难满足低浓度痕量气体检测的要求,于是逐渐出现了波长调制光谱技术(WMS)及频率调制光谱技术(FMS),WMS 的调制频率远远小于气体的吸收线宽,调制度大于1,而FMS 的调制频率大于或等于气体的吸收线宽调制度小于1。

如图2 为波长调制光谱(WMS)技术基本流程图,它的检测灵敏度相对于直接接吸收方法提高了100 倍以上,其特点为1)得到的某次谐波信号与待测气体浓度成比例;2)很多噪声如1/f 噪声在高频段能得到有效抑制,大大提高了系统的检测灵敏度;3)可调谐激光二极管的调谐特性好,仅需注入所需频率的高频电流到半导体激光二极管的驱动输入端,就可以方便的实现对激光器波长的高频调制。

半导体可调谐激光二极管的调制和解调是整个系统的关键部分,本文对这方面做了响应的研究。

1 基本原理

基本的信号流图,如图3 所示[2],基本上分为调制和解调两个部分。

低频的锯齿波扫频信号上叠加高频的正弦波调制信号,合成的驱动信号转化为相应电流驱动半导体激光器。经过调制的激光穿过待测气体后被光电探测器接收后转换成电信号送入锁相放大器,经过锁相解调输出二次谐波,二次谐波的极值反映了待测气体的浓度。

注入到激光器的信号如下面公式所示[1]:

式中,v0为调制的中心频率;va为频率调制的幅度,ω为调制的余弦信号的频率。光通过吸收池后,光电探测器接收到信号强度可展开为傅里叶级数:

每个谐波分量An可以通过锁相放大器测得,当va远小于吸收线宽时,经过泰勒级数展开,得到[1]:

由上式可知,第n次谐波分量正比于α(v) 的n次导数,通常选择二次谐波作为检测信号进行处理和运算。

2 试验系统

2.1 锯齿波信号

本装置通过FPGA 产生周期性的锯齿波信号,可以方便的修改频率和幅度。产生的数字信号通过D/A,低通滤波,变为模拟量的锯齿波信号,电路如图4 所示。

2.2 正弦波

通过FPGA 产生周期性的正弦波,通过DDS[4]方式产生正弦波,通过D/A,带通通滤波,产生模拟量的正弦波信号,电路图如图5 所示,DDS 是直接数字合成,DDS 技术是一种把一系列数字量形成的信号通过DAC 转换成模拟量形式的信号合成技术。

两路信号,叠加后加载到激光器上。

2.3 信号处理

光电接收器接收到的信号处理,信号分为两路,一路经过低通滤波,滤出锯齿波信号,另外一路通过带通滤波放大后,送入A/D 采集,变为数字信号,由FPGA 做锁相放大处理见图6。

整个系统的示意图如图7,开机预热。等激光器温度稳定后,调制激光器的方向,使激光器能很好的返回到探测器接收面上,通过一定浓度的气体标定后,测试不同浓度的气体的准确性。

3 试验结果

通过上位机软件,调整参数;使接收到的2F 信号最大。首先调节锯齿波的扫描范围,使激光器的中心波长位于气体吸收峰的位置。然后调节正弦波的幅度,2F 的解调相位,使2F 信号最大。从图8 可以看出,直流信号基本看不出有吸收的凹坑,但是经过锁相放大后,2F 吸收明显。

位置和参数调整好以后,可以通气做气体浓度的标定,然后做气体浓度的反演和稳定性等等测试。

表1 为第一天至第三天在同一实验环境下一种气体的测量浓度,通过气体分割器进行浓度配比,获得反演浓度与配置浓度之间的误差。

表1 测量一种气体的浓度和误差值

4 结论

利用TDLAS 技术分辨率高,响应速度快等优点,可以测试不同种类和浓度的气体。特别是加入了波长调制和解调技术,进一步提高了测量气体浓度的灵敏度和稳定性,改变不同的参数,增加了测试的灵活性。