葉瑋琳 涂子涵 肖旭鵬 周波 潘易宇 鄭志丹 吳濤 吳福培 徐嚴平 鄭傳濤

(1.汕頭大學(xué) 智能制造技術(shù)教育部重點實驗室∥工學(xué)院，廣東 汕頭 515063;2.汕頭大學(xué) 分析測試中心，廣東 汕頭 515063;3.吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院∥集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室吉林大學(xué)實驗區(qū),吉林 長春 130012)

紅外吸收光譜法因具有不受電磁干擾、無化學(xué)污染、易于采樣、高靈敏度、可小型化等優(yōu)點[1]，如今被廣泛用于空氣質(zhì)量檢測、在線氣體分析、醫(yī)學(xué)診斷和農(nóng)業(yè)工業(yè)排放物監(jiān)測等領(lǐng)域[2]?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)作為紅外檢測技術(shù)中的一種，更適合于對分辨率、靈敏度和準(zhǔn)確性要求較高的場合[3- 4]。

然而，在實際應(yīng)用中表征氣體體積分數(shù)的二次諧波信號的特征會受不同技術(shù)參數(shù)的影響。Zhang等[5]針對激光器的調(diào)制特性，研究了諧波信號與調(diào)制度、調(diào)制頻率和激光器工作溫度的關(guān)系，并得出了最佳調(diào)制參數(shù)。Alorifi等[6]基于LabVIEW的基礎(chǔ)，研究了目標(biāo)氣體體積分數(shù)與線寬參數(shù)對吸收曲線和二次諧波曲線的影響。文獻[7]基于實際CO2的TDLAS系統(tǒng),研究了TDLAS系統(tǒng)的調(diào)制參數(shù)對諧波信號的影響，并給出了參數(shù)選擇和優(yōu)化方法。

完整的紅外光電檢測系統(tǒng)包含光學(xué)、硬件與軟件等部分，各部分均會對最終的諧波信號以及氣體體積分數(shù)檢測結(jié)果產(chǎn)生影響[5,7]?，F(xiàn)有的研究，多數(shù)是在實際檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行研究，缺乏對多參數(shù)影響的完整討論。文中首先研究了激光器輸入電壓、激光波數(shù)、探測器信號等硬件因素之間的關(guān)系；然后，通過HITRAN數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出吸收強度線型進行擬合[8]；最終基于實際系統(tǒng)將TDLAS仿真程序?qū)懭隠abVIEW軟件中，除去環(huán)境與硬件因素的干擾，有針對性地研究激光器的調(diào)制因素、濾波器階數(shù)對二次諧波信號的影響。

1 理論分析

1.1 比爾朗伯定律

在紅外氣體檢測中，紅外光通過氣體時，氣體會根據(jù)相應(yīng)吸收譜線的線型函數(shù)對光產(chǎn)生吸收作用，透射光與入射光強度會成一定比例關(guān)系，即比爾朗伯定律[9]

It=I0exp[-φ(ν,ν0)SPCL]

(1)

其中：It為入射光強；I0為透射光強；φ(v)為氣體吸收線型函數(shù)；ν為波數(shù)，cm-1；ν0為氣體吸收峰中心波數(shù)，cm-1；S為氣體吸收線型強度，cm-2/Pa;P為氣體環(huán)境壓強，Pa；C為氣體體積分數(shù)，%；L為光程長度，cm。

吸收系數(shù)用下式表示為

A(v)=ln[I0(ν)/I(ν)]=φ(ν,ν0)SPCL

(2)

以該吸收線型譜線為基礎(chǔ)，可通過線型擬合得到氣體關(guān)于波數(shù)、壓強、光程長度以及氣體體積分數(shù)的線型函數(shù)，從而進一步模擬吸收信號。

1.2 諧波檢測理論

在TDLAS系統(tǒng)，為實現(xiàn)可調(diào)諧激光光譜，需要調(diào)制激光器的輸入電流，其輸出的激光的光強為Ic(t)+ΔIcos(ωt-Δφ)。其中：Ic(t)為激光器輸出中心波數(shù)對應(yīng)的光強，ΔI為光強調(diào)制波數(shù)對應(yīng)的光強，ω為調(diào)制角頻率，Δφ為激光器輸出光強與光波數(shù)的相位差。

調(diào)制光經(jīng)過待測氣體吸收后，由探測器檢測到的光信號為V(t)，其可表示為正弦調(diào)制光轉(zhuǎn)換后得到的信號Assin(ωt+θ)與掃描光轉(zhuǎn)換后得到的信號n(t)之和，其中θ為探測器電信號與鎖相放大電路參考光之間的相位差。將探測到的電信號經(jīng)過鎖相放大電路，與幅值為Br的參考信號Vref(t)相乘，再經(jīng)過低通濾波器，最終輸出為直流分量1/2AsBrcosθ。

當(dāng)θ=0°時低通濾波器輸出諧波信號幅值最大；當(dāng)θ=90°時，低通濾波器輸出信號為0，此時低通濾波器輸出信號Vlowpass即為一次諧波信號，要提取二次諧波，只需將2倍頻的參考信號與輸入信號相乘，再經(jīng)過低通濾波器即可得到。

2 諧波檢測仿真

2.1 吸收強度線型仿真

在LabVIEW中重構(gòu)洛倫茲線型，波數(shù)范圍為6 046.5～6 047.5 cm-1。6組不同溫度和壓強下甲烷吸收強度的數(shù)據(jù)仿真吸收線型、原HITRAN數(shù)據(jù)庫中甲烷的吸收線型以及兩種線型的全高與半高全寬的對比如圖1所示。

選取吸收線型的全高與半高全寬進行對比，是因為這兩項特征在紅外吸收譜線中較常見且具有代表性。由圖1(a)、1(b)可見，隨著氣體壓強的增大，吸收線型半高全寬值逐漸增大;由圖1(c)可見，隨著壓強的增大，仿真線型與HITRAN數(shù)據(jù)庫線型的半高全寬值逐漸接近。對6組LabVIEW模擬產(chǎn)生的吸收強度數(shù)據(jù)與對應(yīng)的HITRAN數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，在溫度300 K，壓強分別為60 795、81 060、101 325、121 590、141 855、162 120 Pa條件下其相關(guān)系數(shù)分別為0.999 69、0.999 92、0.999 96、0.999 95、0.999 96、0.999 97，即重構(gòu)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫真實數(shù)據(jù)重合度達到了99.9%以上。

圖1 LabVIEW重構(gòu)線型與HITRAN數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)線型對比

2.2 電流與激光波數(shù)的關(guān)系

實驗使用四川超光通信有限公司生產(chǎn)的型號為SWLD-165310S22-01的DFB激光器，其中心波數(shù)為6 046.9 cm-1。通過傅里葉光譜儀采集激光器在不同輸入電流下的輸出激光的波長，線性擬合得到激光的波數(shù)與電流的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯鲭娏髋c波數(shù)基本成線性相關(guān)，其擬合相關(guān)度為0.956 07，在后續(xù)研究中將兩者關(guān)系以線性相關(guān)作為參考。

圖2 激光器輸入電流與波數(shù)的關(guān)系

2.3 LabVIEW吸收程序

為了滿足氣體吸收諧波信號的仿真需求，根據(jù)前文2.1節(jié)和2.2節(jié)的結(jié)果，使用LabVIEW程序?qū)μ綔y器接收到的信號進行編程仿真。該信號包括背景信號與吸收信號。背景信號基于波長調(diào)制由正弦波與鋸齒波疊加產(chǎn)生，吸收信號由吸收強度線型仿真與比爾朗伯定律完成，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 LabVIEW程序結(jié)構(gòu)框圖

2.4 鎖相放大電路提取諧波信號

TDLAS技術(shù)中，最重要一環(huán)即為通過鎖相放大方法提取諧波信號。需要將與輸入信號中需求信號同頻的參考信號與輸入信號同時導(dǎo)入乘法器，通過低通濾波器濾除其他信號，輸出帶有需求信號幅值的直流分量信號[11]，其原理如圖4所示。

圖4 鎖相放大器原理框圖

3 不同參數(shù)對諧波信號的影響

激光器調(diào)制信號及鎖相放大對TDLAS檢測結(jié)果起著至關(guān)重要的作用；調(diào)制信號由鋸齒波與正弦波組成，這兩個信號的特征參數(shù)為調(diào)制度、調(diào)制頻率、掃描幅度、掃描頻率；鎖相放大器的性能取決于濾波器階數(shù)。因此本研究將討論環(huán)境因素不變的條件下調(diào)制度、調(diào)制頻率、掃描幅度、掃描頻率、濾波器階數(shù)這5個參數(shù)對二次諧波信號特征的影響。

3.1 調(diào)制度對諧波信號的影響

對于TDLAS系統(tǒng)，二次諧波幅值與待測氣體的體積分數(shù)呈正比例關(guān)系，諧波幅值越大，系統(tǒng)的探測下限越高，探測下限是TDLAS系統(tǒng)性能的首要指標(biāo)，因而在調(diào)制度的調(diào)節(jié)中首先要保證的是取得諧波最大幅值；增加諧波信號的峰寬值和對稱度也能夠提高諧波信號的檢測精度，因此同樣需要考慮。保持其他參數(shù)不變的條件下，采集8個不同調(diào)制度下的二次諧波信號，所采集的二次諧波信號及其諧波幅值、對稱度以及峰寬與調(diào)制度的關(guān)系如圖5所示。

由圖5(b)可見，二次諧波信號的諧波幅值在一定調(diào)制度下達到最大值，隨后繼續(xù)增大調(diào)制度會導(dǎo)致諧波信號幅值下降。

由圖5(c)可見，對稱度隨著調(diào)制度的增大先升高后降低；諧波信號在一定調(diào)制度下能取得一個對稱度最高的波形，但對稱度總體在較小范圍內(nèi)波動，調(diào)制度對諧波對稱度影響并不大。

由圖5(d)可見，峰寬隨著二次諧波調(diào)制度的增加逐漸增大。因此基于文中的測量系統(tǒng)，為了達到較高的測量精度，選擇0.010 V的調(diào)制度。

圖5 調(diào)制度對諧波信號的影響

3.2 調(diào)制頻率對諧波信號的影響

在調(diào)制度、掃描幅度、掃描頻率不變的條件下，采集800～2 400 Hz范圍內(nèi)6個不同調(diào)制頻率下的二次諧波信號，所采集的二次諧波信號及其諧波幅值、對稱度以及峰寬與調(diào)制頻率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 調(diào)制頻率對諧波信號的影響

由圖6(b)可見，由于信號中存在1/f噪聲，諧波幅值隨著調(diào)制頻率的增大先迅速減小再迅速增大，然后基本趨于穩(wěn)定；在1 000 Hz處達到最小值，此后進一步增大調(diào)制頻率，1/f噪聲得到抑制，諧波幅值又迅速增大，在調(diào)制頻率增大至1 400 Hz以后基本趨于穩(wěn)定、呈小幅下降趨勢[7]。

由圖6(c)和圖6(d)可知，諧波信號的對稱度和峰寬隨著調(diào)制頻率的增加變化過程比較復(fù)雜、非單調(diào)變化。綜合圖6(c)和6(d)可得，理論上文中的測量系統(tǒng)選擇2 200 Hz左右的調(diào)制頻率最為合適，可以保證諧波信號幅值較大的條件下取得較高的峰寬。

3.3 掃描幅度對諧波信號的影響

在0.044～0.084 V范圍內(nèi)采集不同掃描幅度下的5組二次諧波信號，采集到的諧波信號如圖7所示。

由圖7可見，當(dāng)掃描幅度小于0.054 V時，諧波信號不完整，未能覆蓋氣體吸收峰；當(dāng)掃描幅度大于0.074 V時，二次諧波信號在較大波數(shù)范圍內(nèi)接近于0。掃描幅度對諧波信號的對稱性以及峰寬的影響均較小，可認為圖中各諧波信號重合，因此對于文中測量系統(tǒng)，選擇0.064～0.074 V的掃描幅度，不僅能采集到完整的諧波波形，此時諧波波數(shù)中心也處于信號采集的中心點數(shù)附近，便于后續(xù)觀察研究。

3.4 掃描頻率對諧波信號的影響

在1～10 Hz范圍內(nèi)選取6個不同的掃描頻率，采集二次諧波信號，所采集的二次諧波信號及諧波幅值、對稱度以及峰寬與掃描頻率的關(guān)系如圖8所示。

圖8 掃描頻率對諧波信號的影響

由圖8可見，諧波信號幅值隨著掃描頻率的增加先基本不變，隨后下降；對稱度與峰寬都是先隨著掃描頻率的增加而增大，在增加到一個最高點后開始下降，即存在某一掃描頻率能夠取得最大對稱度或峰寬。如果系統(tǒng)需反演壓強，則優(yōu)先選擇對稱度接近于1的掃描幅度。因此文中的檢測系統(tǒng)選擇5 Hz作為掃描頻率，這樣不僅能使得在較高的諧波幅值處有良好的對稱度，還能得到較強的峰寬。過大的掃描頻率會產(chǎn)生較低的諧波幅值、對稱度以及峰寬，還會導(dǎo)致每個周期信號點數(shù)減少，降低檢測精度并加重激光器工作負擔(dān)。當(dāng)掃描頻率數(shù)值過高時，諧波信號會因殘余幅度調(diào)制產(chǎn)生失真現(xiàn)象，諧波信號中心波數(shù)發(fā)生偏移，在檢測中應(yīng)避免這種情況。

3.5 濾波器階數(shù)對諧波信號的影響

在巴特沃斯低通濾波器3-20階數(shù)范圍內(nèi)取8個不同的階數(shù)進行二次諧波采樣，其他參數(shù)不變，所采集的二次諧波信號及諧波幅值、對稱度、峰寬與階數(shù)的關(guān)系如圖9所示。由于3階濾波器得到的諧波信號并未完全濾除高頻信號，得到的諧波信號沒有參考意義，20階濾波信號受到殘余幅度調(diào)制影響較大，難以得到峰谷值，因此除去這兩組諧波信號、保留剩下的6組。

圖9 濾波器階數(shù)對諧波信號的影響

由圖9可見，諧波信號幅值隨階數(shù)增加呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢；諧波對稱度隨濾波器階數(shù)的增加先小幅度增大，向1逼近，隨后大幅度下降；峰寬值隨階數(shù)的增加先升高后降低。理論上濾波器的階數(shù)越高，濾波器的性能越好，所得到的諧波信號越精確，但是還需根據(jù)實際系統(tǒng)選擇濾波器的階數(shù)。在濾波器階數(shù)過大的情況下，不僅得到的諧波幅值與對稱度較小，還會導(dǎo)致諧波信號中心波數(shù)發(fā)生偏移。如圖9(a)中濾波器階數(shù)超過12后，諧波信號受到殘余幅度調(diào)制帶來的干擾，使得信號峰谷難以辨別，給整個TDLAS系統(tǒng)的檢測帶來較大的影響，相對于文中測量系統(tǒng)來說，取5階巴特沃斯低通濾波器可以得到較高的諧波幅值以及對稱度，能夠得到較高辨識度的諧波信號。

4 諧波優(yōu)化仿真實驗

經(jīng)上述研究，得出了各參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，下面通過優(yōu)化一組二次諧波曲線來展示優(yōu)化步驟。

圖10(a)為一組未經(jīng)優(yōu)化的二次諧波信號，生成此信號的調(diào)制度為0.000 5 V、調(diào)制頻率為1 000 Hz、掃描幅度為0.040 V、掃描頻率為10 Hz、低通濾波器階數(shù)為7階。

圖10 優(yōu)化前后二次諧波的對比

圖10(a)中諧波信號幅值較小且不完整，并伴隨信號失真現(xiàn)象。為了獲得完整的諧波圖像，首先改變掃描幅度為0.068 V，使得紅外激光完整掃過氣體吸收峰，同時選擇5 Hz作為掃描頻率，使每周期采集信號點數(shù)提高，優(yōu)化后的諧波圖像如圖10(b)所示；觀察圖10(b)發(fā)現(xiàn)，圖中仍然存在部分諧波信號失真問題，此時降低濾波器階數(shù)至5階以減小諧波失真問題，并提高調(diào)制頻率至2 200 Hz，得到的諧波圖像如圖10(c)所示；最后提高調(diào)制度至0.010 V，以增加諧波的信號強度與峰寬，優(yōu)化完成的諧波信號圖像如圖10(d)所示。

提取圖10中諧波的特征值，如表1中所示。分析可得第一、第二次優(yōu)化主要是增加諧波完整性與消除波形失真現(xiàn)象，第三次優(yōu)化(即增加調(diào)制度)能夠有效增大諧波幅值與峰寬。

表1 優(yōu)化前后諧波特征值的對比

5 結(jié)語

文中研究了TDLAS系統(tǒng)不同參數(shù)對二次諧波的最大幅值、對稱度、峰寬的影響。研究表明，對于一般TDLAS檢測系統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先選擇合適的掃描幅度與濾波器階數(shù)，使得諧波波形完整且不失真，以保證檢測結(jié)果的有效性；然后盡可能增大諧波幅值與峰寬，得出最佳調(diào)制度；最后根據(jù)系統(tǒng)需求和自身硬件基礎(chǔ)，選擇合適的調(diào)制頻率和掃描頻率。該研究結(jié)論可廣泛應(yīng)用于光譜學(xué)TDLAS檢測領(lǐng)域，可為研究者們在TDLAS系統(tǒng)的搭建過程中根據(jù)需求選擇實際技術(shù)參數(shù)提供依據(jù)。