秦浩 凌六一,2

(1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院,安徽淮南 232001;2.安徽理工大學 人工智能學院,安徽淮南 232001)

20世紀80年代初,人們?yōu)榱藴y量某些器件中高反鏡的反射率提出了光腔衰蕩光譜法 (Cavity Ring Down Spectroscopy,CRDS)[1],1988 年O′Keefe 和 Deacon[2]首次將該方法應(yīng)用于光譜測量方面,從而讓 CRDS 應(yīng)用到新的領(lǐng)域。由于該技術(shù)具有高靈敏度和準確度等優(yōu)點,目前已廣泛應(yīng)用于氣體液體的光譜測量、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)學診斷等方面[3],如陳兵[4]等利用腔衰蕩光譜技術(shù)實現(xiàn)對大氣中一氧化碳氣體的實時監(jiān)測;吳盛陽[5]等基于腔衰蕩光譜技術(shù)對大氣中氮氧化物做實時測量。在CRDS技術(shù)中數(shù)據(jù)的采集和擬合進而獲得衰蕩時間是極其關(guān)鍵的一步,目前多使用數(shù)據(jù)采集卡采集衰蕩信號,數(shù)據(jù)采集卡支持多種語言例程,數(shù)據(jù)的采集和擬合分在線形式和離線形式。在線形式,如陳劍[6]在探測氮氧化物時,利用自編的C++程序控制采集卡,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和擬合;胡仁志[7]等在用腔衰蕩技術(shù)探測大氣NO3自由基時,采用LabVIEW程序?qū)λナ幮盘柶骄?、擬合;李治艷[8]采用LabVIEW軟件擬合衰蕩信號,獲得NO3自由基和N2O5的濃度序列;張?zhí)锾餥9]在搭建腔衰蕩裝置時,用LabVIEW程序控制光學開關(guān)的關(guān)斷和處理衰蕩信號。離線情況下,如徐毓陽[10]采用四鏡環(huán)形腔衰蕩技術(shù)探測二氧化碳,對采集完成的衰蕩曲線用Origin擬合,以獲取衰蕩時間;康美玲[11]在用CRDS技術(shù)檢測呼吸丙酮氣體時,用示波器采集和顯示數(shù)據(jù),用計算機做儲存和處理裝置;崔天健[12]通過腔衰蕩技術(shù)獲得激光元件的表面參數(shù),編寫Matlab數(shù)據(jù)處理程序,對實驗數(shù)據(jù)進行分析。在線方式相比離線方式優(yōu)勢在于可實時反饋實驗裝置的狀態(tài),便于及時調(diào)整。

處理腔衰蕩信號應(yīng)用較多的是LabVIEW軟件,但目前尚未報道有學者對LabVIEW軟件在CRDS數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用進行詳細地分析與比較。因此本文設(shè)計一種基于LabVIEW的腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng),可實現(xiàn)對衰蕩時間的準確獲取,并通過具體實驗加以驗證。

1 CRDS測量原理

腔衰蕩光譜技術(shù)(CRDS)是一種探測靈敏度高、裝置簡單的微量氣體濃度測量方法。文獻[13-15]對其進行過詳細描述,激光器產(chǎn)生的脈沖光會在光學諧振腔內(nèi)往返n次,每次反射都有部分光透射出腔體,透射出的信號包含腔內(nèi)氣體的濃度信息。簡要地介紹其原理中的符號,在CRDS實驗中,痕量氣體濃度(A)的測量是通過比較在探測波長存在吸收體(τ)和不存在吸收體(τ0)時擬合的衰蕩時間常數(shù)和吸收截面(σ)來完成的:

(1)

其中,c為光速;A是待測氣體的數(shù)密度;σ為待測氣體的吸收截面;RL為腔長和待測氣體吸收程長的比值;τ0為腔內(nèi)沒有待測氣體時的衰蕩時間,即本底衰蕩時間;τ為腔內(nèi)有待測氣體時的衰蕩時間。

由于式(1)中的參數(shù)只有衰蕩時間τ和本底衰蕩時間τ0為需要測量值,它們的準確獲取直接關(guān)系到待測氣體濃度A的計算。因此本文設(shè)計一種基于LabVIEW的腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng),將從硬件和軟件方面對腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng)進行描述。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng)硬件部分主要包括計算機、光電倍增管、信號發(fā)生器、信號接入接口和高速采集卡。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 CRDS檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1)光電倍增管采用H10723-20,如圖2(a)所示,它是一款包含金屬封裝PMT、低功耗高壓電源電路和低噪聲放大器的光敏模塊,其作用為接收衰蕩腔內(nèi)激光信號并把其轉(zhuǎn)換成電壓信號。

圖2 光電倍增管與信號發(fā)生器

2)信號發(fā)生器采用DG1022U,如圖2(b)所示,使其產(chǎn)生兩路方波信號,一路為高速采集卡的數(shù)據(jù)采集提供數(shù)字邊沿觸發(fā)信號,一路對激光進行調(diào)制。

3)信號接入接口為BNC-2110,如圖3(a)所示,其有15個BNC連接器用于模擬輸入/輸出、觸發(fā)器/計數(shù)器和用戶自定義信號連接,30個引腳的彈簧接線板用于數(shù)字和定時I/O信號連接,其中光電倍增管輸出接AI0引腳,信號發(fā)生器數(shù)字邊沿觸發(fā)信號接PFI0引腳。

圖3 信號接入接口BNC-2110與數(shù)據(jù)采集卡

4)數(shù)據(jù)采集卡是外界信號進入計算機的橋梁,高速采集卡通過PCI插槽與計算機連接。采集卡用的是NI-PCI6132,如圖3(b)所示,負責采集光電倍增管輸出的電壓信號。其轉(zhuǎn)換精度為14位,每通道最大采樣率為3 MS/s,支持數(shù)字或模擬觸發(fā)方式。

3 腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 LabVIEW開發(fā)平臺

LabVIEW是美國National Instruments公司創(chuàng)立的一種功能強大的軟件應(yīng)用開發(fā)工具,LabVIEW文件分為前面板與程序面板兩部分,前面板界面簡潔,方便用戶使用,程序面板通過圖形化編程對前面板進行控制。如今LabVIEW經(jīng)過多年的發(fā)展,其測量系統(tǒng)已越來越完善,利用LabVIEW軟件平臺設(shè)計腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng),方便系統(tǒng)的搭建與測試。本系統(tǒng)設(shè)計基于LabVIEW2021環(huán)境。

3.2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

系統(tǒng)軟件功能模塊,如圖4所示,主要包括四個部分:1)參數(shù)設(shè)置;2)數(shù)據(jù)操作與擬合;3)數(shù)據(jù)顯示;4)數(shù)據(jù)存儲。

圖4 系統(tǒng)軟件功能模塊框圖

1)參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置模塊主要是采樣參數(shù)的設(shè)置。由奈奎斯特采樣定理和系統(tǒng)實際檢測結(jié)果所得,采樣頻率一般設(shè)置為1.5 MHz,采樣點數(shù)為500,數(shù)據(jù)疊加平均次數(shù)設(shè)置為100,擬合數(shù)據(jù)點取500個點,文件路徑包括衰蕩時間保存路徑與信號平均數(shù)據(jù)保存路徑,均可由用戶自定義設(shè)置。

2)數(shù)據(jù)操作與擬合。數(shù)據(jù)采集卡采集到的腔衰蕩信號會實時傳遞到計算機存儲里,通過編程LabVIEW會讀取計算機中的數(shù)據(jù),以隊列的形式傳遞到數(shù)組中,通過循環(huán)結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)的疊加平均,以提高衰蕩信號的信噪比,平均好的數(shù)據(jù)通過指數(shù)擬合得到系統(tǒng)的衰蕩時間,通過數(shù)組子集設(shè)置曲線擬合長度,減少擬合誤差。

3)數(shù)據(jù)顯示。實驗時,衰蕩信號會實時發(fā)生變化,編程使采集的數(shù)據(jù)以波形圖形式展現(xiàn)出來,其中包括采集卡采集的原始波形圖、疊加平均波形圖、曲線擬合波形圖、擬合殘差圖和系統(tǒng)實時的衰蕩時間圖,便于觀察實驗結(jié)果,以及優(yōu)化實驗結(jié)構(gòu)。

4)數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲主要包括兩個部分,平均的衰蕩信號數(shù)據(jù)保存和實時衰蕩時間的保存,通過在參數(shù)位置設(shè)置,即可完成數(shù)據(jù)保存。其中衰蕩信號的保存格式為xls,衰蕩時間的保存的格式為txt,以方便后期進一步處理數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)界面設(shè)計

軟件顯示界面,即前面板。前面板應(yīng)具有簡潔、直觀的特點,方便用戶的使用。如圖5所示,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置包括采樣通道、采樣頻率、文件保存地址設(shè)置等,衰蕩信號和衰蕩時間的顯示主要通過波形圖實現(xiàn)。借助于前面板可實時獲得所搭建實驗裝置的衰蕩時間和采集數(shù)據(jù)情況,便于及時對裝置進行調(diào)整。

3.4 系統(tǒng)程序框圖

如圖6所示,前面板和程序框圖是一一對應(yīng)的,框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫。腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng)編寫步驟分四部分來實現(xiàn),包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的疊加平均、數(shù)據(jù)的擬合和數(shù)據(jù)的顯示和保存,通過在程序框圖里程序編寫,可實現(xiàn)相應(yīng)設(shè)計功能。

數(shù)據(jù)采集部分主要是對采集卡的操作,包含物理通道創(chuàng)建、采樣設(shè)置、觸發(fā)方式設(shè)置等,用for循環(huán)實現(xiàn)多次的有限采樣模式。數(shù)據(jù)的疊加平均包括由隊列傳輸采集到的數(shù)據(jù),防止數(shù)據(jù)丟失。通過移位寄存器、數(shù)組和循環(huán)等實現(xiàn)衰蕩信號的疊加平均。平均后的數(shù)據(jù)進行指數(shù)擬合得到衰蕩時間,并通過波形圖實時顯示采集的數(shù)據(jù)波形和衰蕩時間,數(shù)組保存部分包含數(shù)組插入、字符串常量、寫入文本文件等,實時對衰蕩信號的數(shù)據(jù)和衰蕩時間進行保存。

4 實驗裝置及系統(tǒng)驗證

為驗證所設(shè)計的LabVIEW腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng)的可行性,在搭建好的腔衰蕩裝置中,進行NO3自由基衰蕩信號的采集測試,脈沖腔衰蕩系統(tǒng)實驗裝置如圖7所示,主要由二極管激光器、光隔離器、兩個平面鏡、兩個高反鏡、光電倍增管、函數(shù)發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集卡等組成。二極管激光器(DL-660-100-T7),功率為50 mW,線寬為1 nm,工作波長為662 nm,激光會通過一個光隔離器(IO-3D-660-VLP)傳輸,光隔離器主要是利用法拉第效應(yīng),在磁場作用下使光的偏振方向發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)激光的單方向傳輸。防止激光反射光進入二極管激光器影響激光的穩(wěn)定性。通過函數(shù)發(fā)生器(DG1022,RIGOL)產(chǎn)生兩路方波信號,一路用于調(diào)制激光,一路用于觸發(fā)采集卡采樣。光學腔由兩片高反鏡M1和M2組成,其反射率大于99.99%。兩片平面鏡L1和L2,用以保護高反鏡不受空氣中灰塵污染。從兩側(cè)氮氣入口加入N2吹掃氣保護高反鏡不受腔內(nèi)待測氣體污染。過濾器由聚四氟乙烯(PTFE)過濾膜組成,用于濾除空氣中的氣溶膠和灰塵。氣泵以抽氣的方式帶動腔內(nèi)待測氣體流動,氣路部分經(jīng)過質(zhì)量流量計,通過設(shè)置其面板數(shù)值,控制進氣流速。調(diào)制過的脈沖激光進入高反腔后,由光電探測器接收。本實驗所用光電探測器為光電倍增管,所用型號為H10723-20,其響應(yīng)波長為 230～920 nm,探測由衰蕩腔內(nèi)透射出的光強,當透射光打到光電倍增管接收面時轉(zhuǎn)化為電信號,響應(yīng)時間為納秒量級,保證了實驗測量的靈敏度及準確性。光電倍增管輸出的電壓信號由數(shù)據(jù)采集卡(PCI-6132)采集,存儲到計算機中用于后期數(shù)據(jù)處理。實驗時,先由示波器記錄從腔體透射出的信號如圖8所示,圖9為采集卡傳輸?shù)接嬎銠C的衰蕩信號曲線。

圖7 CRDS實驗裝置示意圖

圖8 示波器記錄的衰蕩曲線

圖9 實驗室實際測得腔衰蕩信號

如圖10所示,腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng)運行時的前面板圖。此時設(shè)置的采樣頻率為1 MHz,衰蕩信號平均次數(shù)為100,每次采樣點數(shù)為400,由于衰蕩腔內(nèi)灰塵以及腔衰蕩裝置的機械結(jié)構(gòu)輕微擾動等,系統(tǒng)衰蕩時間會有微小波動變化,通過對衰蕩信號疊加平均,可減小誤差。

圖10 衰蕩信號采集系統(tǒng)測試

在實驗室條件下,用數(shù)據(jù)采集卡采集獲取100條衰蕩信號,腔衰蕩時間與裝置的光路部分聯(lián)系密切。由于衰蕩時間的大小只與所搭建系統(tǒng)光路有關(guān),因此無法直接設(shè)置衰蕩時間值進而用LabVIWE系統(tǒng)采集驗證。采用以Matlab和Origin線下處理采集的衰蕩信號數(shù)據(jù)和LabVIWE軟件在線處理相對比的方式,來驗證本系統(tǒng)對衰蕩信號在線處理的準確性。如圖11所示,分別為用LabVIEW、Matlab和Origin處理衰蕩信號的分布圖。從圖11中可以看出,基于LabVIEW的腔衰蕩信號采集系統(tǒng)與Matlab和Origin得到的衰蕩時間分布幾乎一致,衰蕩時間基本上都在平均值附近波動。表1中的衰蕩時間為實際測得100組衰蕩信號擬合后,獲得的衰蕩時間平均值,標準偏差為實際測得的100組衰蕩時間的標準偏差。從表1可以看出三種不同軟件所得到的平均衰蕩時間相同,且標準偏差相同,表明基于LabVIEW的腔衰蕩信號采集系統(tǒng)所得準確度基本符合實驗要求,并由于LabVIEW可在線處理衰蕩信號,實驗時可直接觀測到衰蕩信號的變化,增加了實驗的便利性,通過前面板界面,方便用戶操作。

圖11 不同軟件對實際衰蕩信號處理結(jié)果

5 結(jié)語

針對腔衰蕩實驗的衰蕩時間的準確獲取問題,基于LabVIEW平臺設(shè)計了一種腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng)。通過此系統(tǒng),可實現(xiàn)對腔衰蕩信號的采集、疊加平均、擬合、顯示衰蕩信號波形和衰蕩時間,并對數(shù)據(jù)進行保存。通過二極管激光器和高反腔搭建的CRDS系統(tǒng),測得實際的腔衰蕩信號,檢驗該系統(tǒng)的真實運行情況,通過此系統(tǒng)處理的衰蕩信號與Matlab和Origin處理的數(shù)據(jù)得到的衰蕩時間相對比,驗證該腔衰蕩信號在線處理系統(tǒng)的獲取衰蕩時間的準確性,為腔衰蕩實驗提供了便利。