趙新瑜，馬鳳翔，王正之，李辰溪，齊宏超，劉軍軍，陳珂

（1 大連理工大學 光電工程與儀器科學學院，大連 116024） （2 國網(wǎng)安徽省電力有限公司 電力科學研究院，合肥 230601） （3 成山集團有限公司，榮成 264300）

0 引言

光聲光譜是一種低背景的高靈敏度氣體檢測技術［1-4］。區(qū)別于其他光學氣體傳感方法，光聲光譜法可將聲學增強技術用于提升檢測靈敏度，常采用聲學共振器和專用光聲探測器來實現(xiàn)聲學增強［5-8］。專用光聲探測器主要有石英音叉［9-14］、光學懸臂梁［15-17］和光纖聲波傳感器［18-19］，其中光纖聲波傳感器是光纖光聲氣體傳感系統(tǒng)的關鍵部件。在光纖光聲傳感系統(tǒng)中，光聲激發(fā)光通過光纖傳輸并進入氣室，氣室中的待測氣體被激發(fā)后產(chǎn)生光聲壓力波。用于傳輸近紅外光聲激發(fā)光和探測光的介質(zhì)是低傳輸損耗的光纖，因此光纖光聲傳感器具有氣體探測靈敏度高、本質(zhì)安全、抗電磁干擾和遠距離檢測的優(yōu)勢。光纖光聲傳感技術可用于煤層自然發(fā)火監(jiān)測、高電壓電氣設備在線監(jiān)測以及石化廠區(qū)易燃易爆泄漏氣體監(jiān)測。

光纖傳感器通過集成光學干涉儀可大幅度提高位移分辨率，可用于皮米量級的靜態(tài)位移測量以及微小振動測量。光纖聲波傳感器將聲波振動轉(zhuǎn)換為干涉儀光程差的變化，可將其用于光聲光譜系統(tǒng)中的微弱光聲信號探測，實現(xiàn)痕量氣體的高靈敏度全光傳感。BREGUET J 等利用光纖邁克爾遜干涉儀實現(xiàn)了全光學光聲光譜氣體檢測，將傳感光纖纏繞在光聲管上，氣體吸收產(chǎn)生的熱脹冷縮迫使光聲管周期性振動，導致邁克爾遜干涉儀中測量臂和參考臂的光程差發(fā)生變化［20］。但是這種結(jié)構較復雜，且解調(diào)精度容易受到偏振衰落的影響。光纖法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）傳感器是另一種常用的干涉型光聲探測器，采用膜片作為聲學敏感元件，光纖和膜片之間的空氣間隙構成的F-P 腔的腔長通常在百微米量級，因此具有較小的探頭尺寸，適合與光聲池進行結(jié)構匹配。由于聲壓作用到膜片上使F-P 干涉儀的光程差發(fā)生變化，因此可通過實時測量F-P 的動態(tài)腔長來感測聲壓。王巧云等借鑒傳統(tǒng)電容式麥克風的結(jié)構，設計了基于有機膜片的光纖聲波傳感器，結(jié)合摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）實現(xiàn)了C2H2的高靈敏度檢測［21］。此外，石墨烯［22］、銀膜［23］和聚一氯對二甲苯［24］等多種薄膜也可應用于光聲信號探測，但這些圓形薄膜是一種四周緊固結(jié)構，不利于光聲探測靈敏度的提升。光學懸臂梁是一種單端固定型聲波敏感元件，具有低頻響應好、靈敏度高和線性響應范圍大等顯著優(yōu)點。2004 年， KAUPPINEN J 等設計了基于邁克爾遜干涉儀的硅微懸臂梁式光學微音器，并提出了懸臂梁增強型光聲光譜（Cantilever Enhanced Photoacoustic Spectroscopy，CEPAS）技術方案［25］。2018 年，大連理工大學陳珂團隊設計了高靈敏度光纖懸臂梁聲波傳感器，并將其用于光聲信號探測［26］。為實現(xiàn)遠距離氣體傳感，需要對光聲探頭進行無源化設計，并利用光纖傳輸激發(fā)光和探測光。陳珂等設計了一種用于氣體微泄漏監(jiān)測的擴散式光纖光聲傳感器［27］，微型探頭中的氣室體積僅為70 μL，氣體通過小孔以及懸臂梁與框架之間的間隙擴散到氣室中，C2H2的檢測極限達到20 ppb（1 ppb=10-9）。為了大幅度減小氣體傳感探頭的尺寸，陳珂等設計了一種單光纖光聲氣體傳感器［28］，為狹窄空間中的微量氣體檢測提供了一種有效的解決方案。

光纖聲波傳感器的靈敏度還依賴于解調(diào)儀器的性能。干涉強度解調(diào)法利用窄線寬激光器作為探測光源，將激光波長設置到干涉曲線的正交工作點，F(xiàn)-P 腔長變化引起干涉光強度的波動，具有成本低和結(jié)構簡單的特點。然而，由于溫度的影響，工作點容易漂移，導致解調(diào)信號產(chǎn)生嚴重失真。為了解決這一問題，陳珂等先后提出了基于光學互相關和白光干涉（White Light Interference， WLI）的光纖聲學解調(diào)技術。光學互相關解調(diào)法通過調(diào)整參考干涉儀的光程來匹配傳感F-P 干涉儀，通過搜索峰值位置或者計算光學互相關圖像的初相位來實現(xiàn)聲波解調(diào)，但解調(diào)的速率較低［29］。WLI 解調(diào)法根據(jù)F-P 干涉譜的相位計算出絕對腔長，利用高速光譜采集和頻率估計實現(xiàn)了F-P 腔長的動態(tài)解調(diào)，大大提高了聲波檢測的靈敏度、動態(tài)響應范圍和穩(wěn)定性［30］。結(jié)合共振光聲池和摻鉺光纖放大器，將該解調(diào)系統(tǒng)用于光聲信號探測［31］，對C2H2的檢測極限和歸一化噪聲等效吸收系數(shù)分別達到71 ppt（1 ppt=10-12）和1.1×10-9cm-1Hz-1/2。然而，光聲信號的解調(diào)速率僅為5 kHz，這主要受到光譜模塊采樣速率的限制。此外，F(xiàn)-P 腔長計算和鎖相放大算法都由計算機處理，不利于提升光聲探測系統(tǒng)的信號處理速度和穩(wěn)定性。

本文設計了一套基于光纖光聲傳感的多組分痕量氣體檢測系統(tǒng)，具有激光調(diào)制控制、光聲信號解調(diào)和數(shù)字鎖相放大等功能。對光纖F-P 聲波傳感器的干涉譜進行實時采集和高分辨率相位解調(diào)，解調(diào)速度達到20 kHz。利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）實現(xiàn)了光纖光聲傳感系統(tǒng)的控制和信號處理功能，大大提高了解調(diào)系統(tǒng)的速度、集成度和穩(wěn)定性。利用聲學共振腔和干涉型光纖聲波傳感器對光聲信號進行激發(fā)增強和探測增強，實現(xiàn)了乙炔和甲烷氣體的高靈敏度檢測。

1 光纖光聲傳感技術原理

1.1 光纖F-P 聲波傳感器

光纖聲波傳感器是光纖光聲傳感系統(tǒng)中的關鍵器件，用于將光聲壓力波轉(zhuǎn)換為干涉儀光程差的變化。圖1 是光纖F-P 懸臂梁傳感器的結(jié)構示意和實物圖。光纖F-P 聲傳感器的共振頻率為3 680 Hz，在共振頻率處傳感器的靈敏度為16 500 nm/Pa。對于非本征型光纖F-P 傳感器，光纖端面和聲波敏感膜片的兩個反射光產(chǎn)生雙光束干涉，低細度F-P 干涉譜可以表示為

圖1 光纖F-P 懸臂梁傳感器Fig. 1 Fiber-optic F-P cantilever sensor

式中，k和I0(k)分別為入射光的波數(shù)和光強。γ為干涉條紋的對比度，l為F-P 的腔長。自由光譜范圍（Free Spectral Range， FSR）是一個表征測量系統(tǒng)對不同F(xiàn)-P 腔長和不同波長的光的響應能力的重要性能指標，其表達式為

式中，c和n分別為空氣中的光速和折射率?？紤]到F-P 腔長為420 μm，自由光譜范圍為3.6×1011Hz。

1.2 基于高速光譜解調(diào)的光聲信號探測技術

懸臂梁隨聲壓波發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使F-P 腔的動態(tài)長度發(fā)生相應變化。根據(jù)式（1），干涉光譜信號的相位隨之發(fā)生變化，因此，可以利用相位解調(diào)方法來實現(xiàn)聲波探測。通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）可以對干涉譜的頻率進行分析，但是離散FFT 的幅頻響應中的最大值對應的頻率是整數(shù)，不能直接利用FFT 確定干涉光譜的頻率。Buneman 頻率估計方法是提高精度的有效方案。FPGA 中實現(xiàn)消耗較少的邏輯和寄存器資源。頻率可以估計為

式中，N為用于FFT 分析的點數(shù)，即頻譜采樣點。n0為峰值索引，作為整數(shù)用于FFT。F(n0)和F(n0+1)分別為幅頻譜譜峰附近的兩個最大值。腔長l可以表示為

式中，k1和k0分別為起始波數(shù)和截止波數(shù)。頻率估計方法可以結(jié)合式（4）對F-P 腔進行初步求解，但解調(diào)分辨率僅達到十納米量級。為了進一步提高解調(diào)分辨率，可以結(jié)合FFT 相位譜來精確計算出干涉譜的頻率值，通過使用頻率估計值在相位譜中進行線性插值來獲得相位值估計值，得到

式中，a為整數(shù)，φξ為峰值對應的相位，限于-π～π，這是由于相位是使用反正切函數(shù)計算的?？傁辔皇欠凑泻瘮?shù)加上2π 的整數(shù)倍的結(jié)果。根據(jù)式（5）計算得到的值是小數(shù)，被四舍五入為整數(shù)。將整數(shù)a代入式（5），重新計算峰值指數(shù)ξ。由式（4）計算出腔長l。由于要測量的光聲信號是單一頻率的，因此可以采用帶通濾波器來提高信噪比。鎖相放大器是一種特殊的帶通濾波器，具有帶寬窄、動態(tài)范圍大的優(yōu)點，已廣泛應用于微弱光聲信號檢測。解調(diào)得到的光聲信號是數(shù)字量，可以直接將解調(diào)結(jié)果與參考信號進行互相關運算，實現(xiàn)鎖相探測。圖2 為采集的光纖F-P 懸臂梁傳感器的干涉譜，通過干涉光譜能夠?qū)崟r的解調(diào)出F-P 的靜態(tài)腔長。

圖2 光纖F-P 懸臂梁傳感器的干涉譜Fig. 2 Interference spectrum of fiber-optic F-P cantilever sensor

2 系統(tǒng)設計

2.1 近紅外可調(diào)諧光聲激發(fā)光源

為了提高光聲響應的振幅并降低其他氣體的交叉干擾，選擇中心波長為1 532.83 nm 和1 650.96 nm 的分布反饋式（Distributed Feedback，DFB）激光器作為C2H2和CH4的激發(fā)光源。圖3（a）和（b）中藍線為近紅外波段C2H2和CH4的吸收譜線。在1 532.83 nm 和1 650.96 nm 處，C2H2和CH4氣體均具有較高的吸收系數(shù)。所使用的兩個DFB 激光器都是通過調(diào)節(jié)溫度和電流進行驅(qū)動。在相同的溫度下，激光器的中心波長和驅(qū)動電流之間的關系通過高精度光譜儀進行校準。分別測試了兩個激光器在不同偏置電流下的輸出波長，如圖3（a）和（b）中的黃色數(shù)據(jù)點所示。C2H2和CH4激光器的偏置電流分別為104 mA 和108.6 mA 時對應1 532.83 nm 和1 650.96 nm 處的氣體吸收。

圖3 吸收譜線和DFB 激光器中心波長隨電流的變化關系Fig. 3 Absorption line and relationship between central wavelength of DFB laser and current

2.2 多通共振光聲池

為進一步提高氣體的檢測極限，設計了多通共振光聲池。光聲池的材料為鋁合金。光聲池由共振管和兩個緩沖室組成［32］。共振管的長度和內(nèi)徑分別為100 mm 和8 mm，緩沖室的長度和內(nèi)徑分別為50 mm 和44 mm。腔體的有效吸收路徑是決定傳感系統(tǒng)靈敏度的主要因素，而有效吸收路徑長度主要取決于鏡面反射率和腔體長度。激發(fā)光在多通共振光聲池內(nèi)多次反射，提高了目標氣體與光的相互作用長度，進而提高激發(fā)光的有效功率。為實現(xiàn)光學多通系統(tǒng)結(jié)構緊湊、穩(wěn)定、易于對準，兩個同軸的鍍金平凹鏡組成的多通裝置結(jié)合共振光聲池構成了多通共振光聲池。兩個平凹鏡的間距小于焦距的4 倍，圖4（a）為模擬設計的光路結(jié)構，光束以一定偏轉(zhuǎn)角射入多通裝置，得到單平凹鏡面如圖4（b）和（c）。圖4（b）和（c）分別為仿真和實際調(diào)節(jié)得到的分布結(jié)果，共振管限制了光束的反射空間。

圖4 多通共振光聲池Fig. 4 Multi-pass resonant photoacoustic cell

2.3 光纖光聲傳感系統(tǒng)

設計的光纖光聲傳感系統(tǒng)的結(jié)構示意和實物如圖5。FPGA 通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital-to-analog Converter，DAC）控制2 個DFB 激光器的調(diào)制頻率、偏置電流和調(diào)制深度等工作參數(shù)。2 個不同波長的近紅外激光通過波分復用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）耦合后入射到光聲池中，實現(xiàn)對C2H2和CH4的雙組分氣體激發(fā)。采用中心波長為1 550 nm 的超發(fā)光二極管（Superluminescent Diode，SLD）作為探測光源，發(fā)射的寬譜光經(jīng)過光纖環(huán)形器后進入聲波傳感器，包含光聲信息的F-P 干涉光譜由分辨率約為0.18 nm 的微型光纖光譜模塊（I-MON-256-OEM，IBSEN）探測，光譜模塊主要由光譜分析組件、圖像傳感器和信號采集單元組成。透射型體相位光柵作為分光元件，256 像素的近紅外線陣探測器作為圖像傳感器，這種無機械移動部件的結(jié)構設計可以實現(xiàn)高速光譜信號采集。設計的FPGA 信號處理電路對F-P 干涉譜進行高速采集和實時處理，在FPGA 中進行頻譜歸一化、插值、FFT 和頻率估計等一系列數(shù)字信號處理。通過優(yōu)化FPGA 電路，實現(xiàn)了20 kHz 頻率的幀速采集和信號處理，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，解調(diào)儀的最高聲波探測頻率為10 kHz。對解調(diào)后的光聲信號進行實時鎖相放大處理，進一步提高信噪比。在FPGA 中生成兩個正交參考信號，其頻率是激光調(diào)制頻率的整數(shù)倍，可以測量光聲信號中的各次諧波分量。積分時間可以通過改變互相關計算中數(shù)據(jù)點的數(shù)量來調(diào)整， FPGA 鎖相放大模塊中還具有頻率掃描功能，便于測量光聲系統(tǒng)的頻率響應。

圖5 光纖光聲傳感系統(tǒng)Fig. 5 Fiber-optic photoacoustic sensing system

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 最小聲壓級的測試

為了測試系統(tǒng)的最小可檢測聲壓級，光纖F-P 懸臂梁傳感器被放置在隔音箱中以隔離環(huán)境噪聲的干擾。鎖相積分時間為0.5 s，這對應于等效噪聲帶寬為1 Hz。參考信號頻率和諧波次數(shù)分別設置為1 kHz和1。圖6 為在1 kHz 測得的最小聲壓級，聲壓的標準差為4.2 μPa，即系統(tǒng)的最小聲壓級為1 kHz。

圖6 在1 kHz 測得的最小聲壓級Fig. 6 Minimum sound pressure level measured at 1 kHz

3.2 調(diào)制參數(shù)的優(yōu)化

光聲信號與調(diào)制深度有關，在調(diào)制深度很小的情況下正弦調(diào)制不容易覆蓋目標氣體的吸收線寬，進而無法產(chǎn)生較高的2f信號。為了獲得最高的檢測靈敏度，通過調(diào)節(jié)DFB 的調(diào)制電流來測量光聲響應隨調(diào)制參數(shù)的變化關系。將體積分數(shù)為100 ppm（1 ppm=10-6）的C2H2/N2和100 ppm 的CH4/N2氣體依次通入光聲池，在不同電流下測量了系統(tǒng)的響應，光聲信號隨調(diào)制電流的變化曲線如圖7。系統(tǒng)在C2H2激光器和CH4激光器的調(diào)制電流分別設置8.5 mA 和4 mA 的情況下得到了最佳的檢測性能。

圖7 光聲響應隨調(diào)制電流的變化關系Fig. 7 Relationship between photoacoustic response and modulation current

3.3 多通光聲池的頻率響應

光聲池中依次通入體積分數(shù)為100 ppm 的C2H2/N2和100 ppm 的CH4/N2測試了系統(tǒng)的頻率響應。在500 Hz 至1 250 Hz 范圍內(nèi)，分別調(diào)節(jié)兩個DFB 激光器的調(diào)制頻率，對應光聲池頻率在1 000 Hz 至2 500 Hz內(nèi)變化。圖8 為光聲信號的頻率響應曲線，由于通入的氣體均使用N2作為背景氣體，兩個頻響曲線均在1 660 Hz 處出現(xiàn)了共振峰。

圖8 光聲池的頻率響應Fig. 8 Frequency response of photoacoustic cell

3.4 濃度響應測試與檢測極限分析

對恒定濃度的氣體樣品進行了2f信號測量，以評估傳感系統(tǒng)的線性度。通過使用兩個最大流速為500標準立方厘米每分鐘（Standard cubic centimeter per minute，SCCM）的質(zhì)量流量控制器配比得到不同濃度的氣體。圖9（a）和（b）分別為光聲池中依次充入體積分數(shù)為100 ppm、80 ppm、60 ppm、40 ppm 和20 ppm 的C2H2/N2和CH4/N2氣體混合物獲得的2f信號。通過線性擬合，得到如圖9（c）所示的線性曲線。實驗結(jié)果顯示線性良好，系統(tǒng)對C2H2/N2和CH4/N2的線性響應度分別為7.39 pm/ppm 和5.67 pm/ppm。在較大的動態(tài)范圍內(nèi)觀察到濃度水平的線性響應，證明了基于光纖光聲傳感的多組分痕量氣體檢測系統(tǒng)應用的可靠性。

圖9 系統(tǒng)的線性度分析Fig. 9 Linearity analysis analysis of the system

在光聲池中通入純凈的N2氣體，測試了系統(tǒng)的噪聲水平，評估了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。重復測試了兩組噪聲數(shù)據(jù)，如圖10（a）。噪聲的一倍標準差分別為0.364 pm 和0.365 pm，平均值為0.36 pm。根據(jù)C2H2和CH4氣體7.39 pm/ppm 和5.67 pm/ppm 的靈敏度，分別得到48.7 ppb 和63.4 ppb 的檢測極限。計算系統(tǒng)的歸一化噪聲等效吸收系數(shù)（Normalized Noise Equivalent Absorption，NNEA）系數(shù)，需要精確激發(fā)光的功率。使用光功率計測試了C2H2和CH4激光器的輸出功率，分別為14.7 mW 和21.9 mW。計算得到的NNEA 為8×10-10cm-1W Hz-1/2。圖10（b）和（c）表明，當白噪聲占主導地位時，隨著平均時間增加，Allan-Werle 方差值就會降低。Allan-Werle 方差分析結(jié)果表明，在400 s 的平均時間下，系統(tǒng)對C2H2和CH4氣體的檢測極限分別達到2 ppb 和3 ppb。通過增加平均時間，系統(tǒng)的檢測極限會進一步降低，然而，在實際應用中，響應時間與檢測極限之間的平衡應該考慮。

圖10 系統(tǒng)的性能分析Fig. 10 Performance analysis of the system

4 結(jié)論

設計了一套高靈敏度的多組分光纖光聲傳感系統(tǒng)，集成了激光調(diào)制控制、光聲信號解調(diào)和數(shù)字鎖相放大等功能。聲學共振腔和干涉型光纖聲波傳感器相結(jié)合實現(xiàn)了光聲信號的激發(fā)增強和探測增強。近紅外激發(fā)光和探測光均由單模光纖進行傳輸。中心波長分別為1 532 nm 和1 651 nm 的DFB 作為激發(fā)光源激發(fā)C2H2和CH4氣體。反射次數(shù)達到20 次的多通池裝置被用于提高激發(fā)光的有效功率?；贔-P 干涉結(jié)構的光纖懸臂梁作為聲波探測元件，懸臂梁的偏轉(zhuǎn)位移量被轉(zhuǎn)換為F-P 腔長的變化量。利用高分辨率光譜解調(diào)技術，多組分光纖光聲傳感系統(tǒng)實現(xiàn)了C2H2和CH4的高靈敏度檢測，在平均時間為400 s 時，檢測極限分別達到2×10-9和3×10-9，歸一化噪聲等效吸收系數(shù)為8×10-10cm-1W Hz-1/2。