裴梓伊，胡朋兵，潘孫強(qiáng)，戚海洋，劉素梅，劉 東

（1.浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院 極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027；2.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院,浙江 杭州 310018；3.浙江省能源與環(huán)境保護(hù)計(jì)量檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018）

1 引言

近年來(lái)，環(huán)境保護(hù)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，痕量/微量氣體檢測(cè)[1]、顆粒物檢測(cè)[2]、塵埃氣溶膠檢測(cè)[3]、海洋水質(zhì)檢測(cè)[4]乃至氣溶膠-水云特性檢測(cè)[5-6]等相關(guān)領(lǐng)域均迎來(lái)了蓬勃的發(fā)展。目前，痕量氣體檢測(cè)主要包括光學(xué)檢測(cè)和電化學(xué)片上檢測(cè)技術(shù)[7-9]。其中，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速[10]，推動(dòng)了相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展[11-14]?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)作為激光遙測(cè)技術(shù)之一，憑借其高靈敏度、強(qiáng)抗噪能力和快速響應(yīng)等特性被廣泛應(yīng)用于同位素測(cè)量、氣體泄漏檢測(cè)、痕量大氣污染物檢測(cè)等研究[15]。常見(jiàn)的應(yīng)用TDLAS 技術(shù)進(jìn)行氣體檢測(cè)的方式分為原位檢測(cè)和遙測(cè)兩種。原位檢測(cè)即在氣體漏點(diǎn)處進(jìn)行檢測(cè)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，靈敏度高等優(yōu)勢(shì)。2020 年，鐘笠等人[16]采用TDLAS 裝置在氣池中測(cè)量了丙烯氣體濃度，測(cè)量誤差最大為19.17 ppm；2021 年，張偉健等人[17]基于納米金涂覆微納光纖倏逝場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了氨氣檢測(cè)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)時(shí)相對(duì)誤差為5.38%。這些TDLAS 檢測(cè)均屬于原位檢測(cè)，適用于工廠等場(chǎng)所氣體濃度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。遙測(cè)，即在開放光路下遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測(cè)，檢測(cè)量通常為氣體柱濃度。2015 年，姚路等人[18]基于TDLAS技術(shù)通過(guò)離軸拋物面反射鏡實(shí)現(xiàn)了吸收光程為700 m 的痕量CO 氣體濃度測(cè)量；2021 年，Xin F 等人[19]采用TDLAS 直接吸收技術(shù)，通過(guò)7塊64 mm 直徑的后向散射裝置測(cè)量了20 m 和110 m 垂直高度CO2氣體柱濃度。這些TDLAS檢測(cè)均屬于氣體遙測(cè)，具有檢測(cè)范圍大，系統(tǒng)集成性高，操作簡(jiǎn)潔等優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有的TDLAS 氣體遙測(cè)系統(tǒng)通常需要目標(biāo)反射物配合，且容易受環(huán)境光電信號(hào)的干擾，穩(wěn)定性及靈敏度較差。因此，為獲得大檢測(cè)范圍和較高的靈敏度及穩(wěn)定性，本文對(duì)TDLAS 技術(shù)中的核心部件——光電探測(cè)電路進(jìn)行了研究，用以提升TDLAS 氣體激光遙測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和信噪比。

目前應(yīng)用于TDLAS 氣體激光遙測(cè)領(lǐng)域的光電探測(cè)器主要有光電倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)、雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode,APD)以及PIN 光電二極管。其中，PMT主要應(yīng)用于紫外及可見(jiàn)光波段，感光靈敏值高[20]，但氣體吸收光譜通常在近、中紅外波段，因此PMT 在氣體激光遙測(cè)領(lǐng)域中幾乎沒(méi)有應(yīng)用。APD 雖然有在紅外光波段檢測(cè)微弱光信號(hào)的能力，但APD 僅能實(shí)現(xiàn)兆級(jí)跨阻增益，無(wú)法滿足氣體激光遙測(cè)信號(hào)百兆級(jí)增益的要求[21]。PIN 光電二極管種類眾多，波長(zhǎng)覆蓋范圍寬、易于集成，但其感光靈敏值僅在1 A/W 左右，無(wú)法直接用于氣體激光遙測(cè)信號(hào)測(cè)量。因此，需要配合相應(yīng)的跨阻放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)檢測(cè)微弱的后向散射信號(hào)。

目前，TIA 商用產(chǎn)品較多，但普遍存在增益不足、響應(yīng)速度慢、體積偏大和價(jià)格昂貴等問(wèn)題。例如：索雷博光電公司提供的跨阻放大器的增益達(dá)到108V/A，但其截止頻率僅為1 kHz，當(dāng)截止頻率增加至100 kHz 時(shí)，增益迅速衰減為104V/A ；愛(ài)特蒙特公司生產(chǎn)的高增益跨阻放大器在低噪聲模式下，增益可達(dá)到108V/A，然而截止頻率同樣僅有1.2 kHz，且成本較高；而國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品增益通常為100 V/A，遠(yuǎn)低于國(guó)外產(chǎn)品。

本文依據(jù)線性響應(yīng)原理選型PIN 光電二極管，通過(guò)級(jí)聯(lián)放大電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、高增益、高截止頻率的光電探測(cè)電路。其檢測(cè)下限為0.11 nW，衰減僅為0.79 dB(f=10 kHz)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：調(diào)制頻率為3 kHz 時(shí)，激光遙測(cè)系統(tǒng)獲得了良好的檢測(cè)性能，檢測(cè)靈敏度達(dá)到88.66 mV/ppm；檢測(cè)限優(yōu)于0.565 ppm；線性擬合度R2為0.999 6。研究表明，設(shè)計(jì)的光電探測(cè)電路突破了TDLAS氣體激光遙測(cè)關(guān)鍵核心技術(shù)，推進(jìn)了激光遙測(cè)技術(shù)的健康發(fā)展，在氣體激光遙測(cè)領(lǐng)域具有重要意義。

2 設(shè)計(jì)理論

2.1 TDLAS 波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)及噪聲分析

用于氣體激光遙測(cè)的TDLAS 技術(shù)主要有直接吸收光譜技術(shù)和波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)[22-23]。其中，直接吸收光譜技術(shù)是通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器的電流進(jìn)行低頻調(diào)制，使激光波長(zhǎng)掃描覆蓋氣體的完整吸收峰，再通過(guò)計(jì)算光強(qiáng)曲線在頻域上的積分，反演得到氣體濃度的方法。波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)在低頻掃描信號(hào)的基礎(chǔ)上疊加高頻調(diào)制信號(hào)，使光信號(hào)頻率高于低頻噪聲，再通過(guò)濾波去除噪聲信號(hào)，提升信噪比，因此，波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)性能通常優(yōu)于直接吸收光譜技術(shù)[24]。

根據(jù)Beer-Lambert 定律，激光經(jīng)過(guò)氣體后探測(cè)電路得到的激光光強(qiáng)可表示為：

其中：v為激光空間頻率；S(v)為分子吸收光譜；C為氣體濃度；L為吸收光程。激光經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制后，波長(zhǎng)隨時(shí)間變化，即

對(duì)于理想半導(dǎo)體激光器，其光強(qiáng)不隨空間頻率的變化而變化。對(duì)于氣體激光遙測(cè)領(lǐng)域，有以下關(guān)系：S[v(t)]CL?1，因此，

令θ=2πft，對(duì)透射光強(qiáng)I[v(t)]做傅立葉級(jí)數(shù)展開

其中：Hn(vc)為各次諧波分量，可通過(guò)鎖相放大器提取。對(duì)S(v)做泰勒展開可得

將公式(7)代入公式(6)可得

常溫常壓下，分子碰撞展寬遠(yuǎn)大于多普勒展寬，分子吸收光譜為

其中α為洛倫茲線型(碰撞展寬)譜線半寬度。根據(jù)式(8)、式(9)可得出透射光強(qiáng)的一到六次諧波信號(hào)圖，如圖1（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。顯然，奇次諧波在譜線中心的相對(duì)強(qiáng)度為零，偶次諧波在譜線中心的相對(duì)強(qiáng)度為極值，且諧波次數(shù)越高，相對(duì)強(qiáng)度越小，因此選用二次諧波進(jìn)行氣體吸收濃度反演。

圖1 各次諧波信號(hào)。(a)奇次諧波信號(hào)；(b)偶次諧波信號(hào)Fig.1 Each harmonic signal.(a) Odd harmonic signal;(b)even harmonic signals

波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)中，調(diào)制信號(hào)頻率通常為1～20 kHz，此時(shí)，信號(hào)噪聲主要為光電探測(cè)器和半導(dǎo)體激光器的1/f噪聲[25]。半導(dǎo)體元件1/f噪聲功率譜密度可表示為

其中：I為半導(dǎo)體元件中的電流；f代表噪聲頻率；A和β均為與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)；γ為頻率指數(shù)。顯然，調(diào)制信號(hào)頻率越高，1/f噪聲越小，而現(xiàn)有TIA 商用產(chǎn)品增益在108V/A 量級(jí)時(shí)，截止頻率為1 kHz 左右，僅滿足波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)的頻率下限，不利于抑制1/f噪聲，提升信噪比。因此，設(shè)計(jì)具有高截止頻率的高靈敏度光電探測(cè)電路，對(duì)于提升TDLAS 氣體激光遙測(cè)系統(tǒng)靈敏度和信噪比具有重要意義。

2.2 線性響應(yīng)分析

在光電檢測(cè)領(lǐng)域，要獲得較好的檢測(cè)效果，需要光電轉(zhuǎn)換器件具有良好的線性輸出響應(yīng)。理論上，PIN 光電二極管可等效為恒流源和等效電容電阻的串并聯(lián)形式。圖2 為PIN 光電二極管的等效模型。圖中，I為理想恒流源，D為理想二極管，Rd和Cd分別為光電二極管的分流電阻和結(jié)電容，Rs為等效串聯(lián)電阻，RL和CL分別為等效負(fù)載的電阻和電容。其中，Rs、Rd和Cd與光電二極管自身結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)，通常Rs取值在幾歐到幾百歐之間，Rd則在千歐到兆歐量級(jí)。

圖2 PIN 光電二極管等效模型Fig.2 Equivalent model of PIN photodiode

對(duì)光電二極管而言，輸出電流通常在納安和微安量級(jí)，因此Cd和CL對(duì)電流的分流可以忽略不計(jì)。Id，Ird，IL分別為結(jié)電流、分流電阻電流和負(fù)載電流，分別表示為[26]

其中，Ud為二極管兩端電壓；I0為光電二極管的暗電流；光電二極管PN 結(jié)越小，I0越小，A為一常數(shù)，取值取決于制成光電二極管的材料，取值通常在1～10 之間，q為電子電荷量(q=1.6 ×10-19C)，T為溫度，k 為玻爾茲曼常數(shù)(k=1.38×10-23J/K)。

取銦鎵砷光電二極管典型值，即Rs=50 Ω、A=2、T=298.15 K、I0=1 nA。研究發(fā)現(xiàn)RL在100 Ω～1 MΩ 范圍內(nèi)、Rd取值在10 kΩ～1 MΩ 內(nèi)時(shí)I-IL響應(yīng)曲線如圖3（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。

圖3 不同Rd 時(shí)I-IL 響應(yīng)關(guān)系。(a) Rd=10 kΩ；(b) Rd=100 kΩ；(c) Rd=1 MΩFig.3 I-IL response relationship with different Rd values.(a) Rd=10 kΩ;(b) Rd=100 kΩ;(c) Rd=1 MΩ

其中，圖3（a）～圖3（c）分別為Rd=10 kΩ，Rd=100 kΩ 和Rd=1 MΩ 時(shí)的I-IL響應(yīng)關(guān)系曲線。由圖3 可知，當(dāng)RL為100 Ω 時(shí)，I-IL的比例系數(shù)為0.99，當(dāng)RL增加到1 MΩ 時(shí)，比例系數(shù)降低為0.09，比例系數(shù)隨RL的增大而減小。此時(shí)電路對(duì)外接負(fù)載要求嚴(yán)苛。當(dāng)Rd增大至100 kΩ 時(shí)，RL由100 Ω 變化至1 MΩ 的過(guò)程中對(duì)比例系數(shù)的影響從0.99 降低到0.55 左右，負(fù)載對(duì)比例系數(shù)的影響仍不可忽略。當(dāng)Rd為1 MΩ 時(shí)，RL由100 Ω變化至100 kΩ，比例系數(shù)均被限定在0.99 以上，I與IL展現(xiàn)出良好線性響應(yīng)關(guān)系，有利于電路光電信號(hào)的線性輸出。綜上所述，要保證IL與I滿足1∶1 線性相關(guān)，設(shè)計(jì)光電探測(cè)電路時(shí)需滿足以下兩個(gè)條件：

(1)Rs、RL均不大于1 kΩ，使q/AkT?IL(Rs+RL)；

(2)Rd≥100 kΩ，使Rs+RL?Rd。

本文依據(jù)氨氣及干擾氣體的吸收曲線，選用1 512 nm 作為檢測(cè)波長(zhǎng)，選擇Rs和Rd分別為幾十歐和兆歐量級(jí)的銦鎵砷光電二極管作為光電探測(cè)器，光譜范圍約為900～1 700 nm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為1 550 nm，暗電流小于1.1 nA，以滿足線性響應(yīng)條件和低噪聲要求。

3 電路設(shè)計(jì)及仿真

3.1 光電探測(cè)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上一節(jié)對(duì)1/f噪聲特性的分析，運(yùn)放芯片應(yīng)有足夠高的增益帶寬積(Gain-Bandwidth Product,GBP)，以抑制噪聲并提高增益，因此選擇OPA656 和LM324 運(yùn)放芯片。OPA656 具有230 MHz 的GBP，2 pA 的輸入偏置電流，開環(huán)增益典型值為65 dB，可得到該芯片等效輸入阻抗為56.2 Ω[26]，用于信號(hào)放大。四通道放大器LM324具有單位增益內(nèi)部頻率補(bǔ)償功能，輸入電流偏置僅為45 nA，雙通道供電時(shí)，供電電壓范圍為±1.5 V 到±15 V，用于信號(hào)反相和構(gòu)建三階巴特沃茲(ButterWorth，BW)濾波器。基于級(jí)聯(lián)放大原理設(shè)計(jì)光電探測(cè)電路，第一級(jí)為跨阻放大電路，將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，增益為-105V/A；第二、三級(jí)為負(fù)反饋放大電路，增益分別為-10 和-100 V/V。光電信號(hào)經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)放大后由LM324運(yùn)放芯片反相并濾波輸出，總增益為+108V/A，響應(yīng)帶寬約為10 kHz。

光電探測(cè)電路原理示意圖如圖4 所示。其中，圖4 (a) 為跨阻放大電路，圖4 (b)為負(fù)反饋放大電路，圖4 (c)為BW 濾波電路。圖4 (a)、圖4(b)的增益分別如式(14)～式(15)所示。

圖4 光電探測(cè)電路原理示意圖。(a) 跨阻放大電路；(b) 負(fù)反饋放大電路；(c) BW 濾波電路Fig.4 Schematic diagram of photoelectric detection circuit.(a) Cross resistance amplification circuit;(b) negative feedback amplification circuit;(c) BW filtering circuit

采用一級(jí)跨阻放大電路、兩級(jí)負(fù)反饋放大電路和一級(jí)反相電路(增益-1)級(jí)聯(lián)，構(gòu)成光電探測(cè)電路信號(hào)放大部分，再串聯(lián)BW 濾波電路形成光電探測(cè)電路。

3.2 電路仿真

使用電路仿真軟件Multisim 對(duì)圖4 設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。根據(jù)光功率檢測(cè)結(jié)果，遙測(cè)距離為0～100 m 時(shí)，氣體激光遙測(cè)裝置接收到的漫反射物體散射光功率約為1～20 nW，即PIN 管輸入電流范圍約為1.05～21 nA。因此，設(shè)置輸入電流峰值為10 nA，偏移量為10 nA，交流頻率為5 kHz，熱噪聲源溫度為27 °C，噪聲頻率為10 MHz，電阻為1 kΩ。

光電探測(cè)電路仿真結(jié)果如圖5（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示，其中，圖5 (a)為各級(jí)放大電路輸出信號(hào)，圖5 (b)為頻率及相位響應(yīng)。圖5 (a)中4 條曲線分別為第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)放大信號(hào)和最終輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)刻度為1 mV/Div，10 mV/Div，1 V/Div 和1 V/Div。

圖5 光電探測(cè)電路仿真結(jié)果。(a) 各級(jí)放大電路輸出信號(hào)；(b) 增益及相位頻率響應(yīng)特性Fig.5 Photoelectric detection circuit simulation results.(a)Output signals of each stage of amplification circuit;(b) frequency response characteristic of gain and phase

仿真結(jié)果表明，經(jīng)放大濾波后的正弦波信號(hào)與初始電流源信號(hào)符號(hào)一致，放大了108V/A 且攜帶的高頻噪聲被抑制，電路截止頻率約為10 kHz。輸出信號(hào)雖然存在一定相移，但信號(hào)波形沒(méi)有發(fā)生畸變，不影響信號(hào)的有效性和準(zhǔn)確性。

4 實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證HSPDC 的檢測(cè)性能，分別基于HSPDC 和商用跨阻放大器(Thorlabs Photoelectric Detection Circuit,TLB PDC)構(gòu)建了TDLAS 氣體激光遙測(cè)系統(tǒng)（圖6），并進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖6 氨氣激光遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of ammonia laser telemetry system

該系統(tǒng)由光學(xué)和電學(xué)兩部分組成，光學(xué)部分主要包括非球面透鏡、分布式反饋半導(dǎo)體激光器(Distributed Feedback -Laser Diode,DFB-LD)、準(zhǔn)直器和光電二極管等。非球面透鏡的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為350～2 200 nm，可將距離為100 m、直徑為80 mm 的光斑聚焦成直徑為0.05 mm 的光斑，焦距約為110 mm，有利于系統(tǒng)集成化。DFB-LD 中心波長(zhǎng)為1 512 nm，輸出光功率約為20 mW，激光線寬約為3 MHz。激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直出射，被物體(墻面、管道等)散射后部分散射光原路返回由非球面透鏡接收，會(huì)聚到光電二極管上實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。電學(xué)部分主要由激光控制器、光電探測(cè)電路、鎖相放大器、信號(hào)發(fā)生器和示波器組成。其中：激光控制器控制DFB-LD 激光器激光輸出，控制溫度和電流分別為25 °C 和60 mA；信號(hào)發(fā)生器輸出低頻鋸齒波掃描信號(hào)，疊加鎖相放大器內(nèi)置高頻正弦調(diào)制信號(hào)，共同調(diào)制激光輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體吸收譜線的掃描；光電探測(cè)電路接收氣體遙測(cè)光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由鎖相放大器接收處理并輸出二次諧波信號(hào)，用于氣體濃度反演。示波器同步接收顯示光電探測(cè)電路輸出信號(hào)和鎖相放大器輸出二次諧波信號(hào)。

4.2 距離影響對(duì)比實(shí)驗(yàn)

激光控制器控制電流為60 mA，TEC 控制溫度為25 °C，調(diào)制方式為外部電壓調(diào)制；信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為100 Hz、對(duì)稱度為90%且峰峰值為500 mV 的鋸齒波掃描電壓信號(hào)，作為激光控制器的外部調(diào)制輸入，并同步輸出TTL 信號(hào)觸發(fā)示波器采集。

在無(wú)激光輸出時(shí)，對(duì)兩套激光遙測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。通過(guò)計(jì)算輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)底噪，如圖7（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。由圖7 可知，基于TLB PDC 遙測(cè)系統(tǒng)的暗電流噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差為32.9 mV，系統(tǒng)底噪為32.9 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)；而基于HSPDC 遙測(cè)系統(tǒng)的暗電流噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.85 mV，系統(tǒng)底噪為3.85 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)，優(yōu)于TLB PDC 系統(tǒng)底噪一個(gè)數(shù)量級(jí)，性能得到了巨大改善，光散射信號(hào)探測(cè)能力更強(qiáng)。

圖7 暗電流噪聲信號(hào)。(a) HSPDC 噪聲；(b) TLB PDC噪聲Fig.7 Dark current noise signal.(a) HSPDC noise;(b)TLB PDC noise

在激光開啟的情況下，在遙測(cè)距離分別為10 m、20 m 時(shí)、30 m 和60 m 時(shí)，依次測(cè)量和記錄激光遙測(cè)系統(tǒng)的光電探測(cè)信號(hào)，如圖8（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。

圖8 遙測(cè)距離變化時(shí)系統(tǒng)輸出信號(hào)。(a) HSPDC 輸出信號(hào)；(b) TLB PDC 輸出信號(hào)Fig.8 System output signals when telemetry distance changes.(a) HSPDC output signal;(b) TLB PDC output signal

為方便比較不同距離信號(hào)波形，通過(guò)數(shù)據(jù)處理去除直流偏置成分，取一個(gè)周期的鋸齒波信號(hào)用于評(píng)價(jià)兩系統(tǒng)信號(hào)的衰減程度和信噪比。由圖8 可知，隨著遙測(cè)距離的增加，兩系統(tǒng)探測(cè)信號(hào)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，變化規(guī)律一致且探測(cè)信號(hào)幅值也接近。但是在10 m 時(shí)，TLB PDC 遙測(cè)系統(tǒng)光電信號(hào)出現(xiàn)飽和狀態(tài)，電壓信號(hào)鉗位失真，而HSPDC 沒(méi)有出現(xiàn)信號(hào)失真，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

為準(zhǔn)確評(píng)估兩系統(tǒng)探測(cè)信號(hào)隨距離變化的情況，繪制了10～60 m 探測(cè)信號(hào)峰峰值和標(biāo)準(zhǔn)偏差隨距離變化曲線，如圖9（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。

圖9 二次諧波峰峰值及標(biāo)準(zhǔn)偏差隨距離變化曲線Fig.9 Curves of the second harmonic peak-to-peak value and standard deviation changing with distance

根據(jù)雙向散射分布函數(shù)理論知，接收透鏡接收到的散射光可表示為公式(16)[27]：

其中，Pr為接收透鏡的接收光功率；Pi為出射光功率；ρtot為散射體散射效率；θ為入射光與散射體的夾角；k1為Minnaert 常數(shù)，取決于散射體材質(zhì)；r為透鏡半徑；L為透鏡距散射體的距離。因此，兩系統(tǒng)距離由近到遠(yuǎn)變化時(shí)，信號(hào)衰減程度變化情況為先快速衰減后逐漸緩和。對(duì)于HSPDC 遙測(cè)系統(tǒng)：當(dāng)遙測(cè)距離分別為10 m 和30 m 時(shí)，探測(cè)信號(hào)分別約為1.2 V 和0.3 V，信號(hào)衰減率達(dá)到45 mV/m；而遙測(cè)距離為60 m 時(shí)，探測(cè)信號(hào)下降至0.1 V，信號(hào)衰減率僅為6.7 mV/m?？梢?jiàn)近遙測(cè)距離時(shí)，信號(hào)衰減速度快，隨后變化趨勢(shì)越發(fā)緩和。在10 m 處，TLB PDC 信號(hào)出現(xiàn)鉗位現(xiàn)象。這是由于增益信號(hào)超出運(yùn)放芯片輸出電壓最大值，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象導(dǎo)致的，而HSPDC 遙測(cè)系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)探測(cè)信號(hào)正常，響應(yīng)范圍更大。另外，在遙測(cè)距離為10～20 m 范圍內(nèi)，HSPDC 遙測(cè)系統(tǒng)探測(cè)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏差低于TLB PDC，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為5.0～1.5mV 和8.5～1.7 mV；而遙測(cè)距離超過(guò)30 m 后，兩者趨向一致，約為1.0 mV，兩者偏差較小。由此可見(jiàn)，在近距離測(cè)量時(shí)，HSPDC遙測(cè)系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定性優(yōu)于TLB PDC 遙測(cè)系統(tǒng)，抗噪聲能力更強(qiáng)，有助于提升氣體激光遙測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

設(shè)置遙測(cè)距離為20 m，激光控制器溫度和電流參數(shù)設(shè)置與距離影響對(duì)比實(shí)驗(yàn)一致。信號(hào)發(fā)生器輸出高頻正弦信號(hào)，幅值為300 mV，記錄不同頻率下的信號(hào)峰峰值，其與調(diào)制頻率影響關(guān)系曲線如圖10 所示。HSPDC 遙測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)峰峰值在50 Hz～5 kHz 頻率范圍內(nèi)未出現(xiàn)衰減，在5～10 kHz 范圍內(nèi)衰減0.79 dB，由此可知，頻率對(duì)信號(hào)峰峰值的影響可忽略不計(jì)；而TLB PDC 遙測(cè)系統(tǒng)在調(diào)制頻率超過(guò)1 kHz 后信號(hào)峰峰值迅速衰減至14.2 dB，顯然無(wú)法用于高頻率正弦信號(hào)調(diào)制。結(jié)果表明，TLB PDC 遙測(cè)系統(tǒng)的截止頻率較低，無(wú)法滿足調(diào)制信號(hào)高頻特性要求，不利于遠(yuǎn)距離激光遙測(cè)時(shí)降低環(huán)境因素干擾[28]；而HSPDC 遙測(cè)系統(tǒng)的截止頻率大于10 kHz，呈現(xiàn)出優(yōu)異的幅頻響應(yīng)特性，可用于TDLAS 氣體濃度的高精度測(cè)量。

圖10 信號(hào)峰峰值隨調(diào)制頻率變化曲線Fig.10 Variation in signal peak-to-peak value with frequency

4.3 氣體濃度響應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

利用標(biāo)準(zhǔn)氣體氣袋模擬氣體泄漏源，分別對(duì)兩系統(tǒng)進(jìn)行氣體濃度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。激光控制器參數(shù)設(shè)置基本不變，鎖相放大器輸出調(diào)制信號(hào)頻率分別為1 kHz 和3 kHz，與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的10 Hz掃描信號(hào)疊加作為激光控制器的外部信號(hào)輸入。遙測(cè)距離為20 m，在散射物前放置濃度值為0.2%的10 cm 厚的標(biāo)準(zhǔn)氨氣氣袋，調(diào)節(jié)鎖相放大器的時(shí)間常數(shù)、靈敏度和正弦調(diào)制信號(hào)相位使二次諧波峰峰值達(dá)到最大。

依次放置濃度值為0.2%、1%和2%標(biāo)準(zhǔn)氨氣氣袋，測(cè)量并記錄1 kHz 和3 kHz 調(diào)制信號(hào)頻率下遙測(cè)系統(tǒng)的二次諧波波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。顯然，在調(diào)制信號(hào)頻率為1 kHz 時(shí)，HSPDC 和TLB PDC 系統(tǒng)輸出二次諧波峰峰值的變化趨勢(shì)相差不大。以1%標(biāo)準(zhǔn)氨氣為例，HSPDC 系統(tǒng)輸出諧波噪聲大小約為61.1 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)，諧波峰峰值約為4.33 V，信噪比為70.88；但當(dāng)調(diào)制信號(hào)頻率為3 kHz 時(shí)，TLB PDC 系統(tǒng)由于響應(yīng)帶寬較低導(dǎo)致輸出諧波峰峰值幾乎為零，波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)失效，而HSPDC 系統(tǒng)輸出噪聲降低為50.1 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)，諧波峰峰值為4.7 V，信噪比為93.81，選擇3 kHz 的正弦調(diào)制頻率可以實(shí)現(xiàn)更高信噪比測(cè)量。

圖11 系統(tǒng)輸出二次諧波波形。(a) 氣體濃度0.2%；(b) 氣體濃度1%；(c) 氣體濃度2%Fig.11 System output second harmonic waveforms.(a) Gas concentration 0.2%;(b) gas concentration 1%;(c) gas concentration 2%

圖12（彩圖見(jiàn)期刊電子版）為HSPDC 系統(tǒng)在調(diào)制頻率分別1 kHz 和3 kHz，氣體濃度分別為0.2%、1%和2%時(shí)氨氣和二次諧波峰峰值關(guān)系曲線。1 kHz 時(shí)，HSPDC 系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度為3.743 V/%，R2=0.999 0；3 kHz 時(shí)，HSPDC 系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度為4.433 V/%，R2=0.999 6，其中R2為線性擬合度。氣袋厚度為10 cm，探測(cè)光程為20 m，1%氣體濃度模擬泄漏源可接近等效為50 ppm，因此系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度應(yīng)為74.86 mV/ppm 和88.66 mV/ppm。結(jié)果顯示，調(diào)制信號(hào)為3 kHz 時(shí)，HSPDC 系統(tǒng)受外界環(huán)境及內(nèi)部噪聲干擾較弱，諧波信號(hào)影響程度小，系統(tǒng)可獲得更高的響應(yīng)靈敏度和線性擬合度。HSPDC 系統(tǒng)輸出噪聲為50.1 mV(1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)，實(shí)際氨氣檢測(cè)限達(dá)到0.565 ppm，優(yōu)于其它氨氣激光遙測(cè)儀產(chǎn)品性能。由此可見(jiàn)，選擇3 kHz 的正弦信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制可獲得更高的信噪比、靈敏度和線性度，系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)，有利于提升氣體濃度反演的準(zhǔn)確率。

圖12 調(diào)制信號(hào) 為 1 kHz 和 3 kHz 時(shí)系統(tǒng)濃度響應(yīng)特性曲線Fig.12 System concentration response characteristic curves when modulation signal is 1 kHz and 3 kHz

5 結(jié)論

本文基于波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)基本原理分析確定了提高TDLAS 氣體激光遙測(cè)系統(tǒng)信噪比的方法；基于光電二極管線性響應(yīng)特性選型InGaAs光電二級(jí)管；基于OPA656和LM324設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)了高速高增益寬帶光電探測(cè)電路HSPDC。經(jīng)測(cè)試增益為108V/A、信號(hào)衰減為0.79dB(f=10kHz)。其截止頻率較現(xiàn)有108V/A增益跨阻放大電路高一個(gè)數(shù)量級(jí)，衰減光功率檢測(cè)限達(dá)到0.11 nW，暗電流噪聲為3.85 mV。將HSPDC 應(yīng)用于氨氣激光遙測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，在0～60 m 范圍內(nèi)對(duì)10 cm 厚的0.2%、1%和2%的氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣袋進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在更高的調(diào)制頻率時(shí)獲得了更好的檢測(cè)性能，檢測(cè)靈敏度達(dá)到88.66 mV/ppm，檢測(cè)限優(yōu)于0.565 ppm，線性擬合度R2為0.999 6，性能優(yōu)于其它氨氣激光遙測(cè)產(chǎn)品，滿足60 m 甚至更遠(yuǎn)距離的氣體泄漏監(jiān)測(cè)。研制的光電探測(cè)電路具有噪聲低、增益高、響應(yīng)帶大等優(yōu)點(diǎn)，可構(gòu)建檢測(cè)靈敏度高、線性度好、測(cè)量范圍遠(yuǎn)的激光遙測(cè)裝置，滿足氣體泄漏激光遙測(cè)監(jiān)測(cè)等需求。