TDLAS 調制和解調技術的應用研究

李永剛 ,關淑翠 ,趙艷梅? ,張 濤 ,樊海春

(1.天津同陽科技發展有限公司,天津 300384;2.天津市環境監測技術企業重點實驗室,天津 300384)

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectrosopy)是可調諧半導體激光吸收光譜技術的簡稱。該技術是利用激光能量被氣體分子選頻吸收特性形成吸收光譜的原理來分析氣體成分和測量氣體濃度的一種技術。半導體激光器發射出的特定波長的光束穿過待測氣體時,待測氣體對光束進行吸收從而使激光強度產生衰減,激光強度的衰減與被測氣體的濃度成正比,因此,通過測量激光強度衰減信息就可以分析得出待測氣體的濃度。

TDLAS 技術于20 世紀70 年代由Hinkley 和Reid 等人提出,經過近30 年的發展,在環境科學、工業等領域得到了廣泛的應用。TDLAS 技術利用激光二極管的波長調諧特性,進行待測氣體的分析;一般配合長光程氣體池使用,具有選擇性好、靈敏度高、精度高、快速在線非接觸測量、操作簡單、無需預處理樣品等優點。它的技術特點為:激光光源線寬窄、功率密度高,探測靈敏度高于傳統光譜技術,可達ppb～ppt 量級;其次,分子光譜具有“指紋”區,選擇性強,加之激光二極管光譜分辨率高、可調諧的特性,可實現很窄的光譜范圍內對待測分子進行測量,避免了交叉干擾;最后,探測范圍廣、響應速度快、激光器準直性好,適合大氣實時在線檢測。

TDLAS 技術通用性很強,通過變換不同波長掃描范圍的激光器可以實現從一種目標氣體到另一種氣體的檢測,并可以實現多種目標氣體的同時檢測。TDLAS 技術最早采用直接吸收方法,吸收譜圖如圖1 所示[3],直接吸收法,比較簡單、無需標定便可測得氣體濃度,但是靈敏度低,受激光器、探測器、電路等低頻噪聲影響,很難滿足低濃度痕量氣體檢測的要求,于是逐漸出現了波長調制光譜技術(WMS)及頻率調制光譜技術(FMS),WMS 的調制頻率遠遠小于氣體的吸收線寬,調制度大于1,而FMS 的調制頻率大于或等于氣體的吸收線寬調制度小于1。

如圖2 為波長調制光譜(WMS)技術基本流程圖,它的檢測靈敏度相對于直接接吸收方法提高了100 倍以上,其特點為1)得到的某次諧波信號與待測氣體濃度成比例;2)很多噪聲如1/f 噪聲在高頻段能得到有效抑制,大大提高了系統的檢測靈敏度;3)可調諧激光二極管的調諧特性好,僅需注入所需頻率的高頻電流到半導體激光二極管的驅動輸入端,就可以方便的實現對激光器波長的高頻調制。

半導體可調諧激光二極管的調制和解調是整個系統的關鍵部分,本文對這方面做了響應的研究。

1 基本原理

基本的信號流圖,如圖3 所示[2],基本上分為調制和解調兩個部分。

低頻的鋸齒波掃頻信號上疊加高頻的正弦波調制信號,合成的驅動信號轉化為相應電流驅動半導體激光器。經過調制的激光穿過待測氣體后被光電探測器接收后轉換成電信號送入鎖相放大器,經過鎖相解調輸出二次諧波,二次諧波的極值反映了待測氣體的濃度。

注入到激光器的信號如下面公式所示[1]:

式中,v0為調制的中心頻率;va為頻率調制的幅度,ω為調制的余弦信號的頻率。光通過吸收池后,光電探測器接收到信號強度可展開為傅里葉級數:

每個諧波分量An可以通過鎖相放大器測得,當va遠小于吸收線寬時,經過泰勒級數展開,得到[1]:

由上式可知,第n次諧波分量正比于α(v) 的n次導數,通常選擇二次諧波作為檢測信號進行處理和運算。

2 試驗系統

2.1 鋸齒波信號

本裝置通過FPGA 產生周期性的鋸齒波信號,可以方便的修改頻率和幅度。產生的數字信號通過D/A,低通濾波,變為模擬量的鋸齒波信號,電路如圖4 所示。

2.2 正弦波

通過FPGA 產生周期性的正弦波,通過DDS[4]方式產生正弦波,通過D/A,帶通通濾波,產生模擬量的正弦波信號,電路圖如圖5 所示,DDS 是直接數字合成,DDS 技術是一種把一系列數字量形成的信號通過DAC 轉換成模擬量形式的信號合成技術。

兩路信號,疊加后加載到激光器上。

2.3 信號處理

光電接收器接收到的信號處理,信號分為兩路,一路經過低通濾波,濾出鋸齒波信號,另外一路通過帶通濾波放大后,送入A/D 采集,變為數字信號,由FPGA 做鎖相放大處理見圖6。

整個系統的示意圖如圖7,開機預熱。等激光器溫度穩定后,調制激光器的方向,使激光器能很好的返回到探測器接收面上,通過一定濃度的氣體標定后,測試不同濃度的氣體的準確性。

3 試驗結果

通過上位機軟件,調整參數;使接收到的2F 信號最大。首先調節鋸齒波的掃描范圍,使激光器的中心波長位于氣體吸收峰的位置。然后調節正弦波的幅度,2F 的解調相位,使2F 信號最大。從圖8 可以看出,直流信號基本看不出有吸收的凹坑,但是經過鎖相放大后,2F 吸收明顯。

位置和參數調整好以后,可以通氣做氣體濃度的標定,然后做氣體濃度的反演和穩定性等等測試。

表1 為第一天至第三天在同一實驗環境下一種氣體的測量濃度,通過氣體分割器進行濃度配比,獲得反演濃度與配置濃度之間的誤差。

表1 測量一種氣體的濃度和誤差值

4 結論

利用TDLAS 技術分辨率高,響應速度快等優點,可以測試不同種類和濃度的氣體。特別是加入了波長調制和解調技術,進一步提高了測量氣體濃度的靈敏度和穩定性,改變不同的參數,增加了測試的靈活性。