趙鵬，孫偉，付明艷，孫曄，周吉軍，李野

（1.長春理工大學 理學院，長春 130022；2.白城兵器試驗中心，白城 137001）

痕量氣體檢測技術(shù)主要采用化學法和光譜法?；瘜W法檢測精度高，能獲得很低的檢測限，但是處理過程復雜，檢測周期長，而且必須氣體采樣才能實現(xiàn)定量分析，所以不能實現(xiàn)氣體的實時監(jiān)測。光譜法依賴于光譜分析技術(shù)，模型的普適性是影響檢測精度的重要因素，很難建立一種適用于氣體檢測設(shè)備中的通用模型。

近年來，具有窄線寬優(yōu)點的分布反饋式半導體激光器（DFB LD）技術(shù)日益成熟，極大地促進了可調(diào)諧激光二極管吸收光譜技術(shù)（TDLAS）的發(fā)展，現(xiàn)已能夠制作出中心波長為3000nm的DFB LD，覆蓋了整個近紅外波段。采用DFB LD的TDLAS氣體檢測系統(tǒng)，通過超精細單光譜吸收實現(xiàn)檢測［1-2］，具有鄰峰干擾小、靈敏度高、響應(yīng)時間快、無零漂等優(yōu)點，可實現(xiàn)高精度的氣體濃度實時在線檢測，使其得到越來越廣泛的應(yīng)用。針對采用諧波檢測技術(shù)的TDLAS系統(tǒng)中影響系統(tǒng)性能的主要因素開展研究，實現(xiàn)更低的檢測下限。

1 系統(tǒng)設(shè)計

TDLAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由長光程氣體池［3］、激光器、激光器驅(qū)動器、調(diào)制信號源、探測器、前置放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡等共同組成。

圖1 TDLAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

激光器驅(qū)動模塊和調(diào)制信號源的功能是用于對中心波長2004nm的DFB激光器驅(qū)動及波長調(diào)制，通過溫度和電流的控制使激光器的中心波長穩(wěn)定在2004nm處。

由于吸光度與光程成正比，為了增強吸光度、提高檢測靈敏度，檢測系統(tǒng)采用多次反射氣體池，氣體池采用懷特池結(jié)構(gòu)，總光程為12m。激光器、InGaAs探測器通過光纖和氣體池耦合。

InGaAs探測器輸出的信號經(jīng)前置放大器放大后，再由鎖相放大器提取出二次諧波信號。數(shù)據(jù)采集模塊將含有氣體濃度信息的二次諧波信號采集到PC機進行處理及運算，PC機可對檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果進行顯示、存儲。

2 TDLAS檢測原理

氣體吸收遵循比爾-朗伯定律（Beer-Lambert）定律，其數(shù)學表達式為：

式中，I—氣體吸收后的光強；I0—氣體吸收前的光強—氣體對光的吸收系數(shù)；P—氣體壓強；C—待測氣體的分子濃度；L—吸收池長度。

采用鋸齒波、正弦波調(diào)制的激光器，驅(qū)動電流為：

式中，i0—掃頻電流；δi—調(diào)制電流；ω—正弦信號頻率。

DFB LD在正常工作范圍內(nèi)輸出光強與注入電流成正比，依據(jù)（2）式可得激光器輸出光強表達式：

式中，I0—激光的中心光強；δI—光強調(diào)制幅值。

激光器的所對應(yīng)的激光頻率為：

式中，v—激光中心頻率；δv—頻率調(diào)制幅度。

其中頻率調(diào)制幅度與注入電流的調(diào)制幅度線性度的關(guān)系為δv=kδi，其中k是激光頻率隨注入電流變化的系數(shù)。

將式（3）和式（4）代入式（1）后進行傅里葉展開，考慮到δI遠小于I0，為了計算的方便可以將激光器的輸出光強氣體吸收后光強的低階諧波分量為：

其中一次諧波分量為：

二次諧波分量為：

利用攜帶有氣體濃度信息的一次諧波分量和二次諧波分量可計算出氣體的濃度值［4］。

3 調(diào)制參數(shù)的選取及優(yōu)化

正弦調(diào)制信號的幅值決定激光器的波長調(diào)制幅度和光強調(diào)制幅度，正弦調(diào)制信號的頻率決定了二次諧波對噪聲的抑制能力，這兩個參數(shù)共同決定了二次諧波線型。所以調(diào)制參數(shù)的選取對保證系統(tǒng)性能是十分重要的。

3.1 波長調(diào)制幅度對二次諧波線型的影響

在Matlab環(huán)境下，利用調(diào)制激光器的光強模型和波長模型，仿真計算得到激光器的輸出光強和波長，依據(jù)Beer-Lambert定律及氣體吸收線函，模擬計算出經(jīng)過氣體吸收后的光強。利用乘法器和低通濾波器模擬鎖相放大器，提取出氣體吸收后光強的諧波信號，得到激光器的輸出波長與二次諧波信號之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 各波長調(diào)制幅度下二次諧波信號

從圖中可以看出，波長調(diào)制幅度δλ=0.06nm時，其二次諧波信號幅值最強且線寬較窄。依據(jù)2004nm DFB激光器的電流波長系數(shù)為0.02nm/mA，得出用于調(diào)制的正弦波的δi為3mA。通過設(shè)置更小的波長間隔，可以得到更加精確的仿真結(jié)果。

3.2 光強調(diào)制幅度對二次諧波波形對稱性的影響

激光器的光強隨正弦調(diào)制信號的發(fā)生周期性的改變，其光強變化的幅度即為光強調(diào)制幅度?？紤]光強調(diào)制幅度對諧波信號的影響，根據(jù)公式（1）及公式（3）得吸收后的光強信號為：

經(jīng)過傅里葉展開后得：

吸收信號的二次諧波信號為：

從式（10）可以看出，由于光強幅度調(diào)制，二次諧波信號除了包含起主要作用的二階傅里葉分量A2外，還包含奇次諧波分量A1和A3［5］。

圖3 不同光強幅度調(diào)制下二次諧波波形

圖3為不同光強調(diào)制幅度下的二次諧波。從圖中可以看出當δI越強時，二次諧波越向奇次諧波信號逼近。這是由于光強調(diào)制幅度δI對二階傅里葉分量A2的幅值沒有貢獻，而直接影響奇次諧波分量的幅值。奇次諧波分量會影響二次諧波線型，使二次諧波不對稱，直接影響到氣體檢測的精度。所以在選擇正弦調(diào)制信號的幅值時，既需要考慮波長調(diào)制幅度是否合適，還需要考慮光強調(diào)制幅度是否過大。

3.3 調(diào)制頻率對二次諧波的影響

圖4為二次諧波幅值隨調(diào)制頻率變化趨勢。隨著調(diào)制頻率增大，二次諧波的最大幅值逐漸下降，信噪比［6］逐漸提高。6kHz時二次諧波信號平滑度較差，這是由于探測器的1/f噪聲所致，大于6kHz時1/f噪聲會逐漸得到抑制，受探測器和鎖相放大器等頻率響應(yīng)特性的限制，調(diào)制頻率不能無限的提高。在系統(tǒng)設(shè)計中，要依據(jù)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性、諧波信號信噪比、諧波信號幅值等因素綜合考慮。

圖4 不同正弦調(diào)制頻率下二次諧波波形

4 結(jié)論

通過對TDLAS系統(tǒng)中原理的分析給出了調(diào)制參數(shù)優(yōu)化的計算方法，利用此方法對CO2痕量監(jiān)測系統(tǒng)的正弦調(diào)制信號參數(shù)進行了優(yōu)化。本系統(tǒng)中正弦調(diào)制信號頻率選擇10kHz，電流幅值為3mA。用氣體稀釋器，以99.999%的N2為零氣，對CO2進行稀釋，分別稀釋成10ppm、20ppm、30ppm及40ppm的混合氣體，檢測后得到二次諧波信號線型如圖5所示。

圖5 不同濃度氣體的二次諧波波形

可以看到在進行調(diào)制參數(shù)選取及優(yōu)化之后，二次諧波的幅值及對稱性非常好，為計算檢測氣體的濃度提供了保證，利用二次諧波幅值大小可得上述各濃度CO2氣體的檢測濃度如表1所示。

表1 各濃度氣體的實際數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)

由于檢測系統(tǒng)中的調(diào)制參數(shù)對系統(tǒng)的檢測靈敏度和精度影響極大，在對調(diào)制參數(shù)的數(shù)值選取和優(yōu)化后，每米光程系統(tǒng)的檢測下限可達到10ppm?？烧{(diào)諧激光吸收光譜系統(tǒng)具有很強的通用性，通過改變其他中心波長的激光器來實現(xiàn)對其他有毒有害氣體的檢測。使有毒有害氣體的痕量檢測儀器具有小型化、便攜化、快速化及高精度、高靈敏度。

［1］Nadezhdinskii A，Berezin A，Chernin S，et al.High sensitivity methane analyzer based on tuned near infrared diode laser［J］.Spectrochimica Acta Part A.1999（55）：2083-2089.

［2］Amato F D，Mazzinghi P，Castagnoli F.Methane analyzer based on TDLAS for measurements in the lowerstratosphere：design and labortory tests［J］.Appl.Phys.B，2002（75）：195-202.

［3］Santon A，Hovde C.Near-infrared diode lasers measure greenhouse gases［J］.Laser Focus World，1992（8）：117-120.

［4］董鳳忠，闞瑞峰，劉文清，等.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)及其在大氣質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.量子電子學報，2005（6）：320-321.

［5］鮑偉義，朱永，陳俊，等.可調(diào)諧激光二極管吸收光譜系統(tǒng)信號分析及譜線畸變矯正技術(shù)［J］.光譜學與光譜分析，2011（4）：1015-1017.

［6］Silver Joel A.Frequency-modulation spectroscopy fortrace speciesdetection：theory and comparison among experimentalmethods［J］.Appl.Opt.，1992（31）：707-717.