張 亮, 李 曉, 王志斌, 張 瑞

(1.中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

傳統(tǒng)的甲烷氣體檢測一般采用熱催化測量法、熱導(dǎo)型測量法、紅外光譜吸收測量法[1]。熱催化測量法需要甲烷氣體接觸傳感器表面且會產(chǎn)生一定的熱量,不利于在天然氣運輸管道附近的甲烷測量。熱導(dǎo)型測量法利用純甲烷或高濃度甲烷的熱導(dǎo)率與空氣的熱導(dǎo)率相差較大，在測量中需要有較高的甲烷濃度，而天然氣傳輸管道處甲烷濃度較低,所以熱導(dǎo)型測量法難以達到要求[2～4]。紅外光譜吸收測量法主要采用鎖相放大器對經(jīng)過甲烷氣體的帶有調(diào)制信號的紅外光進行諧波分量的提取[5]，從而實現(xiàn)天然氣管道附近微量甲烷的檢測要求。

本文提出了一種采用紅外光譜吸收測量法的甲烷測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計方法。將激光器驅(qū)動電路、控制電路、溫控電路以及探測器驅(qū)動電路合理優(yōu)化從而達到硬件電路小型化，通過調(diào)節(jié)正交鎖相放大參數(shù)使系統(tǒng)能夠達到較高測量精度。

1 工作原理

1.1 光譜吸收原理

Beer-Lambert定理是可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)一束光強為I0且波長一定的紅外激光穿過特定氣體的吸收池時，其光強會隨著介質(zhì)的吸收而有所衰減[6]。衰減規(guī)律為

I=I0e-PS(T)φ(v)XL

(1)

式中I0為入射激光光強,I為通過氣體吸收后的透射光強度,S(T)為氣體吸收特征譜線的線強度,φ(v)為線型函數(shù),P為壓強,L為樣品吸收程長,X為吸收介質(zhì)氣體體積濃度。

本設(shè)計的分布反饋式激光器(distributed feedback laser，DFB)輸出激光波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且具有單色性好、亮度高、方向性和相干性強、輸出線寬窄等優(yōu)點?？捎糜谖⒘繗怏w以及分辨率要求較高的氣體測量場所。

1.2 諧波檢測

TDLAS技術(shù)一般采用特定頻率的窄帶激光進行連續(xù)掃描從而得到目標(biāo)氣體的吸收譜線，再利用DFB激光器波長隨電流改變的特性，實現(xiàn)對氣體的單條或多條距離較近且難以分辨的吸收線精確測量目的。當(dāng)在激光器的直流驅(qū)動信號上調(diào)制適當(dāng)頻率和幅度的正弦信號時，激光器輸出具有調(diào)制信號的激光，當(dāng)通過調(diào)制的激光通過氣體吸收池時氣體對調(diào)制激光產(chǎn)生吸收作用，即本文實現(xiàn)甲烷檢測的主要理論依據(jù)[7～9]。

1.3 數(shù)字鎖相原理

鎖相放大器是一種能夠?qū)蛔冃盘栠M行相敏檢波的放大器，用來檢測淹沒在噪音中的微弱信號。通過用與被測信號具有相同頻率和相位的參考信號作為基準(zhǔn)信號，其輸出結(jié)果只對與參考信號具有相同頻率(或倍頻)、相同相位關(guān)系的信號有響應(yīng)。因此，能夠抑制無用噪聲，改善檢測信噪比[10，11]。

本文采用四通道相關(guān)解調(diào)算法，4個通道的信號分別為一倍頻正弦序列、一倍頻余弦序列、二倍頻正弦序列、二倍頻余弦序列。一倍頻正弦序列的參考序列設(shè)為rs1(k)，輸入信號的頻率設(shè)為f0,模/數(shù)(analog to digital conversion,A/D)轉(zhuǎn)換的采樣頻率設(shè)為fS=N×f(N≥3)，對輸入信號S(t)采樣后獲得的數(shù)字序列為

S(K)=Asin(2πk/N+θ)

(2)

式中A為模擬信號的幅值,θ為初始相位。則rs1(k)和S(K)對整個周期采樣的互相關(guān)函數(shù)Rsrs1為

(3)

設(shè)一倍頻余弦序列的參考序列為rc1(k)，則rc1(k)和S(K)對整個周期采樣的互相關(guān)函數(shù)Rsrc1為

(4)

同理，二倍頻正弦序列的參考信號為rs2(k)，二倍頻余弦序列的參考信號為rc2(k)，則可得rs2(k)與rc2(k)分別和S(K)對整個周期采樣的互相關(guān)函數(shù)為Rsrs2和Rsrc2分別為

(5)

(6)

2 實驗裝置

搭建的用于TDLAS型甲烷遙測的實驗裝置如圖1所示。甲烷遙測系統(tǒng)主要包括3個部分，即光學(xué)部分、電學(xué)部分和計算處理部分。光學(xué)部分是由位于激光器前端和光探測器處的兩個透鏡以及位于探測器前端的濾光片組成；電學(xué)部分由近紅外光探測器、FPGA核心控制部分、激光器驅(qū)動部分、TEC溫控電路組成；計算處理部分由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和FPGA內(nèi)部NIOS軟核組成。

圖1 甲烷遙測系統(tǒng)原理

測量過程首先由DFB激光器向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射一束經(jīng)過調(diào)制的激光，激光通過被測氣體后經(jīng)過反射聚焦于光探測器處。光探測器將接收的光強信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進入FPGA內(nèi)部計算處理。同時采用與調(diào)制信號同頻率的標(biāo)準(zhǔn)一次諧波量和二次諧波量作為參考信號即可提取所測信號中一次諧波和二次諧波，再將計算所得的一倍頻和二倍頻數(shù)據(jù)送入FPGA內(nèi)NIOS軟核中進行濃度數(shù)據(jù)的反演即可得到此時光路區(qū)域甲烷濃度進而可以得出天然氣濃度信息。

3 數(shù)字鎖相放大器電路設(shè)計

圖2所示為數(shù)字鎖相放大器的原理。在參考時鐘的驅(qū)動下，相位累加器對頻率控制字進行線性累加，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)即為合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是數(shù)字頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)輸出的頻率信號。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址，將所要產(chǎn)生信號的幅值離散為不同的數(shù)字量放入ROM中，再將對應(yīng)的相位幅值線性累加，最終產(chǎn)生所需要的一定頻率的數(shù)字信號。DDS1cq為調(diào)制激光器驅(qū)動電流所需要的正弦信號，DDS1 sin 1x,DDS1 sin 2x,DDS1 cos 1x,DDS1 cos 2x分別為一倍頻和二倍頻的正弦、余弦標(biāo)準(zhǔn)參考信號。

圖2 數(shù)字鎖相放大器原理

在FPGA內(nèi)采用DDS技術(shù)，使用同一頻率控制字控制激光器驅(qū)動信號和數(shù)字鎖相放大器參考信號的產(chǎn)生，使驅(qū)動信號和參考信號頻率一致。FPGA在參考時鐘驅(qū)動下，通過分頻產(chǎn)生數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘，能夠使檢測信號和參考信號的相位相對穩(wěn)定。將采集到的一次諧波分量和二次諧波分量存入FPGA內(nèi)暫存，再與參考信號一起傳輸?shù)匠死奂悠髦羞M行積分運算，并將處理所得一倍頻數(shù)據(jù)和二倍頻數(shù)據(jù)送入FPGA內(nèi)NIOS軟核中進行計算處理。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

針對以往甲烷遙測系統(tǒng)中硬件電路龐大的缺點，本設(shè)計對系統(tǒng)中硬件電路進行優(yōu)化設(shè)計。將電源電路與FPGA控制電路、溫度控制電路、激光器驅(qū)動電路進行分離設(shè)計。避免不同模塊之間噪聲的互相干擾。將FPGA核心控制電路與激光器驅(qū)動電路以及激光器TEC溫控電路集成在一塊PCB板上。在以往的設(shè)計中電源系統(tǒng)是噪聲的主要來源，因此,本文將電源作為一個單獨的PCB板與核心電路進行隔離設(shè)計。

4.1 電源管理電路

系統(tǒng)采用直流(direct current,DC)12 V電源供電，考慮到系統(tǒng)中存在微弱信號,因此在電源處應(yīng)盡量減少電源噪聲對信號的影響，通過測試在本文采用TI公司的大功率DC-DC轉(zhuǎn)換芯片作為系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換芯片。針對系統(tǒng)中存在微弱信號的特點對系統(tǒng)中特定部分采用單獨供電。電源系統(tǒng)可以分為FPGA核心控制模塊、溫控模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、激光器驅(qū)動模塊、溫控模塊、探測器模塊?？紤]到D/A轉(zhuǎn)換部分和探測器需要共地以減少電源信號干擾，因此D/A轉(zhuǎn)換模塊與探測器模塊使用同一路電源供電并在電源處進行濾波處理。在本設(shè)計中使用吸收式濾波和反射式濾波兩種濾波器結(jié)合的方式對電源進行濾波。具體濾波方法是先使用反射式濾波器將電源噪聲反射回電源端，在通過放置于電源端的吸收電容器以及串聯(lián)在電路中的磁珠將噪聲吸收。

4.2 溫控電路設(shè)計

系統(tǒng)要求激光器能夠長時間穩(wěn)定工作在固定的波長范圍內(nèi)。本文采用的DFB是溫度敏感器件，激光器工作波長隨溫度變化而變化，需要針對激光器進行精密溫控器設(shè)計。在本設(shè)計中采用TEC半導(dǎo)體制冷技術(shù)對激光器進行精密溫度控制。對于甲烷遙測系統(tǒng)中要求DFB能夠長時間穩(wěn)定工作在固定波長處，且要求環(huán)境溫度對溫控電路影響最小，這就要求溫度控制電路具有良好的動態(tài)性能。本設(shè)計采用MAX1968溫控芯片與比例積分(proportional integral,PI)電路相結(jié)合的方式進行溫度的控制，如圖3所示為溫控電路原理，在實驗中為確定PI調(diào)節(jié)參數(shù)考慮到激光器內(nèi)使用熱敏電阻器進行測溫,因此,采用滑動變阻器作為替代品進行模擬溫度變化調(diào)節(jié)從而確定PI調(diào)節(jié)參數(shù)。經(jīng)過試驗驗證溫控電路能夠?qū)す馄鳒囟冗M行有效控制，本電路設(shè)計完全符合要求。

圖3 激光器溫控電路原理

4.3 激光器驅(qū)動電路

DFB為電流型負(fù)載需要有電流源進行驅(qū)動。本設(shè)計中采用MAX3669激光器驅(qū)動芯片作為電流源對FPGA產(chǎn)生的正弦信號進行調(diào)制輸出。輸出電流調(diào)節(jié)范圍可以達到0～1 A。在激光器連接中使用一端接5 VDC另一端接MAX3669輸出的調(diào)制信號的接線方式。在實驗中發(fā)現(xiàn)激光器對于電壓沖擊非常敏感，通過分析知道產(chǎn)生沖擊電壓的原因是系統(tǒng)上電初始階段因為主控制器及驅(qū)動電路的初始化需要時間導(dǎo)致激光器5 VDC接線端直接加載在激光器上而另一端處于不確定狀態(tài)，在設(shè)計時針對激光器供電端進行上電延時設(shè)計通過在激光器供電端串聯(lián)RC延時電路如圖4所示為激光器驅(qū)動電路原理。

圖4 激光器驅(qū)動電路原理

4.4 信號采集模塊

激光器發(fā)出的通過調(diào)制的特定波長激光經(jīng)過天然氣中甲烷氣體吸收到達反射物后,在返回光路中再次通過待測氣體,再經(jīng)過透鏡進行聚焦到達傳感器，可以保障光束能夠在探測器處聚焦以提高探測器的靈敏度。在探測器接收到激光信號后將光信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過濾波器濾波處理后通過A/D轉(zhuǎn)換后進入FPGA內(nèi)進行鎖相放大計算，通過鎖相放大計算產(chǎn)生的一倍頻及二倍頻數(shù)據(jù),再在NIOS中進行甲烷濃度的計算。

5 實驗驗證與結(jié)果分析

實驗中將激光器工作溫度設(shè)定為20 ℃，電流設(shè)定在500 mA，中心波長為1 650.910 nm。為使激光器能夠有效探測到甲烷氣體,使用頻率為5 kHz的正弦波對激光器進行調(diào)制，接收端選用InGaAs近紅外探測器。

在測試過程中,為了保護激光器，使用具有相同特性的二極管作為替代品進行電測試。如圖5為未加保護電路與加入延時保護電路以后二極管兩端電壓波形，通過對比可以發(fā)現(xiàn)加入延時保護電路以后能夠有效減少對激光器的沖擊，達到保護激光器的目的。

圖5 添加保護電路前后上電波形

在實驗室條件下進行通過調(diào)節(jié)反射物距離進行調(diào)節(jié)測試，實驗中發(fā)現(xiàn)將距離調(diào)節(jié)達到40～45 m范圍內(nèi)激光散射度已經(jīng)很大,通過示波器觀測接收信號具有大量的噪聲，而在35～40 m范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)位于探測器前端的透鏡可以在示波器中觀察到比較明顯的接收波形，通過用標(biāo)準(zhǔn)氣體為5 %的甲烷氣體在35～40 m范圍內(nèi)進行測試再通過計算可以得出甲烷濃度較標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度偏差在0.01 %～0.06 %范圍波動，隨著距離較少甲烷濃度測量濃度逐步升高。

通過改變環(huán)境變量(溫度、濕度)根據(jù)實驗室所在地外界環(huán)境條件模擬了在冬季極限溫度零下10 ℃，夏季最高溫度40 ℃范圍內(nèi)隨機溫度調(diào)節(jié)，并進行連續(xù)5天，每天測試10組數(shù)據(jù)共50組數(shù)據(jù)進行激光器輸出波長分析，可以觀察到激光器波長沒有發(fā)生明顯的偏移達到實驗設(shè)想要求。對InGaAs近紅外探測器接收到的調(diào)制信號，圖6為使用示波器進行觀察分析后得出激光器波長沒有發(fā)生明顯偏移。表明溫控電路及激光器驅(qū)動電路穩(wěn)定運行滿足系統(tǒng)要求。

圖6 激光波長隨環(huán)境變化

為驗證甲烷吸收的靈敏度,實驗使用美國NI公司標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字鎖相放大器進行檢測測量，使用白板作為反射板，采用擠壓裝有天然氣氣體的透明氣球進行靈敏度檢測。實驗中，將白板與激光器距離逐漸調(diào)遠，分別在10，20,30,40,50 m 處通過不同程度擠壓氣球來進行檢測，圖7為在 40 m處采用示波器接收到激光波形。

圖7 激光器調(diào)制波形和探測器接收波形

通過LabVIEW上位機進行二倍頻數(shù)據(jù)采集反演甲烷濃度，實驗中，將氣體通過標(biāo)準(zhǔn)配比濃度為5 %，6 %，7 %，8 %，9 %，10 %的6種甲烷氣體，在10～40 m范圍內(nèi)進行測量，通過諧波檢測計算反演濃度可得氣體濃度平均偏差為0.006 %～0.06 %范圍內(nèi)。滿足高精度、高穩(wěn)定性的實測要求。

6 結(jié) 論

長時間的運行測試結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。通過對探測精度距離進行測試可得利用紅外吸收原理的激光甲烷遙測儀實現(xiàn)了精確測量的目的。