（电磁场与微波技术专业论文）基于tdlas的激光遥测甲烷浓度技术的研究.pdf

中文摘要 瓦斯监测是矿井安全监控最重要的组成部分，我国矿井中使用的瓦斯检测技 术主要是传统的光干涉技术和热催化技术，这些技术受采矿环境影响颇大，而且 精度低、可靠性差，所以本文研究了一种测量气体浓度的热点技术，设计实用的 激光遥测甲烷浓度系统。 系统采用了大气成分测量中颇为成熟的技术：可调谐激光吸收光谱技术 ( t d l a s ) ，利用这种激光吸收光谱技术可以针对矿井中恶劣多变的环境可靠精 确地测量出井下瓦斯气体的浓度。本课题在前人研究的探测系统技术基础下，引 入了一次谐波和二次谐波信号比值与探测气体浓度关系的研究，针对以前系统需 要气室、谐波信号微弱等缺点加以改进，使系统具有遥测能力，克服激光光强受 背景气体、粉尘等因素所造成的衰减，能够利用微弱的探测谐波信号算出准确的 气体浓度。 通过理论分析，激光的中心波长设定为1 6 5 4 n m ，把激光频率锁定在甲烷气 体的强吸收带，发射的激光透射过被测气体区域，经目标物体反射至透镜，然后 由系统接收。应用一种通过检测反射回来的光信号的一次谐波和二次谐波分量就 能最终确定甲烷气体的浓度的方法。系统采用a r m ( $ 3 c 2 4 4 0 a ) 作为控制计算 和存储芯片，针对理论系统相应的设计了$ 3 c 2 4 4 0 a 的最小系统，并将l i n u x 嵌 入式系统植入最小系统中。通过锁相放大器探测一次谐波和二次谐波信号分量， 然后把探测到的模拟信号经过a r m 芯片上自带的1 0 位模数转换器进行数据处 理，把数字信号交给处理器处理出最后的浓度。 最后对系统软件进行设计，算法模式进行选择，并进行实际上对系统仿真测 量，得出实验性数据，并分析了影响系统精度的因素。 关键词：激光；波长调制频谱技术；吸收光谱技术( t d l a s ) ；甲烷； 遥感探测 a b s t r a c t m e t h a n em o n i t o r i n gi s t h em o s ti m p o r t a n tp a r to fs a f e t ym o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gi no u rc o u n t r y t h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g i e so f o u rc o u n t r ya r em a i n l yt h e t r a d i t i o n a lo p t i c a li n t e r f e r e n c et e c h n i q u ea n dt h e r m a lc a t a l y t i ct e c h n o l o g y , b u tt h e s e t e c h n o l o g i e sa r eb a d l yi m p a c t e db yt h em i n i n ge n v i r o n m e n t a l ，w i t hl o wp r e c i s i o n ， p o o rr e l i a b i l i t y s ot h i sp a p e rs t u d i e sak i n do fg a sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , a n d i n t r o d u c e dar e m o t em e a s u r e m e n ts y s t e m t h es v s t e mu s e sae x c e l l e n tt e c h n o l o g yn a m e dt u n a b l ed i o d el a s e ra b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y ( t d l a s ) w ec a nm e a s u r e t h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o no ft h ec h a n g e f u l e n v i r o m e n ta c c u r a t e l ya n dr e l i a b i l i t yb yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fl a s e ra b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y f o l l o w i n gt h ep r e d e c e s s o r ss t e p i n t h i sf i e l d ，w er e s e a r c ho nt h e r e l a t i o n s h i po fg a sc o n c e n t r a t i o na n dt h er a t i oo ff i r s th a r m o n i cs i g n a l a n ds e c o n d h 卸h n o n i cs i g n a l ，c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u ss y s t e m ，w h i c hh a st h es h o r t c o m i n g s s u c ha sw e a k l ys i g n a l a n dn e c e s s a r yg a sc h a m b e r o u rc o n c e n t r a t i o ns y s t e m o v e r c o m e st h ed e c a yo fl a s e ri n t e n s i t yw h i c hc a u s e db y t h eb a c k g r o u n dg a s ，d u s ta n d o t h e rf a c t o r s a i d e ra n a l y z i n gt h et h e o r e t i c a l ，w e a n dt h el a s e rf r e q u e n c yi sl o c k e di nt h e s e tt h el a s e r sc e n t e rw a v e l e n g t ha t16 5 4 n m ， m e t h a n e ss t r o n ga b s o r p t i o nb a n d ，t h el a s e r w h i c hr e f l e c t e df r o mt h et a r g e tt r a n s m i t st h r o u g ht h eg a s z o n et ot h el e n s ，a n d r e c e i v e db yt h es y s t e m w ea p p l yad e t e c t i o nm e t h o dw h i c hc a nf i n a l l ym e a s u r e t h e c o n c e n t r a t i o no fm e t h a n eg a sb yd e t e c t i n gt h ef i r s th a r m o n i ca n d s e c o n dh a r m o n i co f t h er e f l e c t e ds i g n a l s t h es v s t e mu s et h ea r m ( $ 3 c 2 4 4 0 a ) a st h ec h i e fc h i p ，a n dw ea l s od e s i g nt h e m i n i m u ms y s t e m ，a n de m b e d d e dt h el i n u xs y s t e mi n t ot h em i n i m u ms y s t e m w ec a n d e t e c ts i g n a lb yal o c k - i na m p l i f i e r , a f t e rt h ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r s i o n ，w ec a n u s e t h ed i g i t a lt oc a l c u l a t et h ec o n c e n t r a t i o no fm e t h a n e a f t e rd e s i g n i n gt h es o f t w a r es y s t e m ，s e l e c t i n gt h ea l g o r i t h mm o d e w eg e t t h e e x p e r i m e n t a ld a t ab yt h es y s t e ms i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n t a n da n a l y z et h ee 行e c t f a c t o r s k e y w o r d s ：l a s e r ；w a v e l e n g t hm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p y ；t d l a s ；m e t h a n e ； r e m o t es e n s i n g ； 第一章绪论 第一章绪论弟一旱殖比 1 1 课题的研究意义及发展现状 1 1 1 研究甲烷气体的重要意义 甲烷气体广泛地分布在自然界中，天然气和沼气的主要成分都是甲烷，可以 利用其作为燃料供人们使用，还可以利用其化学变化制作炔类物质。其英文名称 叫：m e t h a n e ，是一种有机物，分子式为c h 4 ，是一种无色无味的气体，微溶于 水，溶于乙醚、乙醇，相对于空气密度为0 5 5 ，比空气轻；植物是可以产生甲烷 气体的，据估算，植物每年产生( 包括植物腐烂) 的甲烷占全世界甲烷生成量的 三成左右，农业中稻子耕种、掩埋垃圾分解、粪便处理等都能产生甲烷。在2 0 0 5 年世界甲烷排放量的统计中，甲烷排放6 6 0 7 4 9 0 千吨二氧化碳当量，其中工业排 放比重占3 4 8 农业占4 3 1 ，其余为生活污染排放的甲烷所占比例，工业中最 主要的来源是矿井瓦斯【l j 。 根据数据显示大气中甲烷浓度从上世纪8 0 年代的1 6 1 x l o - 1 2 增加到本世纪 初1 7 5 x 1 0 。1 2 ，而且大气中的甲烷浓度还以每年o 5 加8 的速度增加，大气中 甲烷分子吸收射线效率较其他气体更强，尤其是对红外线的吸收，所以其增温能 力强，甲烷浓度对全球变暖的影响占2 5 左右，其温室效应的能力远强于二氧化 碳，大概为其2 5 倍左右，所以甲烷成了继二氧化碳以来最大的温室气体，因此 广泛受人们关注【2 】。 当然对于甲烷气体我国也早有用途，例如开发民用燃气、用其发电、作为化 工原料、低浓度瓦斯的提纯等。 对于甲烷浓度的检测也是一直以来人们关注的热点，需要检测大气中甲烷气 体的浓度从而确定节能减排的指标，还需要检测矿井瓦斯浓度以确保工人财产安 全，下面将主要介绍矿井中甲烷检测的意义。 1 1 2 矿井甲烷检测技术研究的重要性 知道，煤的形成是因为数千年植物树叶、枝干掉落，并且腐烂，经过长期的 时间积累，就在地表的深层形成一层煤层，但是在煤形成的同时由细菌分解等生 物变化，就形成了一种气体，这种气体就是甲烷气体，也称为瓦斯气体。瓦斯气 第一章绪论 体是兼具利害，一方面它可以被当作能源进行使用；另一方面它在矿井中因为过 于分散，不能收集，反而容易引起矿坑的爆炸，所以又是个不定时炸弹，危害着 矿井开采工人的安全，多数矿难的起因都和瓦斯有很大的关系。因为瓦斯爆炸产 生巨大的能量，这种能量向外散发出去，形成区域性巨大的冲击力，这种冲击力 冲垮矿坑，把工作者埋到地下，而且同时产生了大量的有害气体，导致井下氧气 浓度降低，总体来说矿井瓦斯间接或直接导致大量的工作人员伤亡，同时给国家 带来财产损失并产生消极的社会效应，所以必须很好地控制瓦斯爆炸的发生，并 要掌握其规律、预防事故的发生，由此可见甲烷监测的重要性是显而易见的【3 i 。 对于可燃气体的爆炸，知道，就是可燃气体在空气中燃烧，简单讲就是与空 气中的氧气发生的氧化反应，产生足够大的能量，而这种能量在一定空间内不能 及时散发出去，就会产生爆炸，瓦斯爆炸也是因为这个原因，所以控制瓦斯爆炸 的方法不外乎是：控制火源、控制瓦斯浓度，所以把矿井甲烷浓度控制在爆炸界 限以下就是甲烷浓度探测器控制通风设备所要完成的目标【4 j 。 我国矿井的现状是开采条件较国际水平比偏差，而且我国的所有煤矿中，有 大部分矿井是有自燃隐患的，控制爆炸的难度相对较难。针对我国矿井所遇到的 难题，应该花更大的精力和物力1 5 j 。 随着矿井的开采，煤层的深入，瓦斯气体也会随着开采的深度而积聚下来， 而且由于井下离地面有上百米甚至上千米，通风效率不会很高，所以大多数的特 大瓦斯爆炸事故的起因都是因为这些问题【6 j 。 对于矿井瓦斯爆炸的预防和控制主要是从以下方面进行的，一是实时地监测 矿井中甲烷气体的浓度，侦测其是否到达爆炸限度的最低值，二时侦测点火源， 包括撞击出现的火花、人为火焰、电路火花等。我国对煤矿安全的投入也是越来 越多，对防爆安全也是越来越重视，目前我国无论是引进外国安全监测系统还是 自己研究检测仪、报警器等设备，目的是控制事故发生率以防患于未然。在以前， 监测系统还不完善的时候，我国煤矿采用的是安全员进坑，手持光干涉型或其他 类型甲烷浓度探测器深入到几千米下地矿坑中进行测量浓度，并记录，通过对讲 机报告此时的浓度，采用的是一种人工预警方式。而现在侦测系统的引入，得益 于安装的传感器网络，目前可以通过传感器进行侦测井下的温度、压力、湿度、 干燥度等环境参数，通过这个传感器网络上传到工作控制中心，这样就能得知每 时每刻的井下环境参数，可以及实地做出相应的调整。在这个检测系统中，如何 准确实时地获得甲烷浓度是其中的一个重要的难题【7 j 。 通过这些系统的引用和发展，可以大大提高煤矿安全控制水平，能更好地防 止多种事故的发生，更好地保障人民生命财产的安全。 第一章绪论 1 2 激光遥测甲烷浓度检测技术的研究现状 1 2 1 甲烷浓度测量方法的发展状况 即使添加了现有的甲烷浓度检测装置，矿井依然时常会出现瓦斯爆炸事故， 这是因为矿井下条件复杂，很多中小型煤矿依然在使用陈旧的检测装置，这些装 置有其自身的局限性，以及设备随时问逐渐老化等问题，这样种种问题造成了后 来的事故。由于瓦斯气体是一种很难直接测量的气体，所以根据其物理化学特性 衍生了一些种测量其浓度的方法，其按方式分为光学方法和非光学方法这样两 种，光学方法主要利用光在被测瓦斯气体中的光学特性与气溶胶浓度之间的关系 进行测量的，非光学方法主要是应用气体分子之间的作用来进行测量的。其类型 具体分为热催化型、光干涉型、热导型、气敏半导体型和红外型等【3 j 。 一直以来，我国矿井中传统的人工甲烷检测设备使用的是传统技术的甲烷检 测仪，这就需要瓦斯安全检验员定期地对各区域进行瓦斯浓度检测，由于这些种 检测方法不具有遥测的能力，而且灵敏度不高，不能从其他气体中辨识甲烷气体， 容易受到测量环境的影响，而且多数需要进气室。这些方法都有其局限性，近年 来国内外的研究中心都倾向于用激光吸收谱来测量甲烷气体浓度，这种技术已经 成为精确、稳定测量气体浓度的主流技术，并被国内外广泛应用，同时此技术克 服了传统探测器的众多缺点，并且能实时精确地检测出被测气体浓度。 1 2 2 可调谐二极管激光吸收光谱技术的应用 可调谐激光吸收光谱技术( t d l a s ) 是在上世纪8 0 年代由美国科学家提出 并验证的，这是一种激光应用于吸收谱技术以及光谱测量方面的技术。此理论一 经提出就成为大众的焦点，之所以受人追捧的原因有几点：l 、测量精度高；2 、 测量速度与其他测量方法比较快，响应迅速；3 、可实现现场测量；4 、对周围环 境的要求不高，恶劣的气体环境不会严重影响测量精度；5 、此技术可以应用在 例如甲烷、硫化氢等几十种常见的气体浓度检测中峭j 。 基于t d l a s 原理的测量技术已经被广泛地应用于火灾现场氧气浓度检测、 石油管道区域甲烷检测、森林大火空中有害气体检测以及矿井甲烷浓度检测等方 面，因为其出色的测量精度和受外界环境干扰小的优点受到了世界多数行业的青 睐。 有关激光技术相关的测量美国、德国、日本一直是处于世界的领先地位的， 基于此技术相应的衍生产品已经日趋成熟，而且精度越来越高，已经有相当一部 分出口至我国，但是由于国外对知识产权等方面的垄断，此类测量仪器的价格也 第一章绪论 就十分昂贵，但是从长远的角度来说不适合一味地进口技术，同时这些技术不一 定能适应我国现有的市场，所以自主研发就凸显的很有必要。我国虽然在这一领 域的起步比较迟，但是我国的发展是比较快的，国内包括中科院光机所在内还有 一些高校和企业都在开发t d l a s 技术的激光遥测甲烷浓度的系统，无论是从此 系统自身的优良特性，还是从其战略意义上讲，的研究是非常有价值的。 1 3 本课题的研究目标 目前，国内外利用激光、光电传感器技术对瓦斯浓度检测的技术主要是运用 可调谐半导体激光吸收光谱技术，这种通过吸收谱进行测量瓦斯浓度的方法主要 应用物理学上的朗伯比尔定律( l a m b e r t - b e e rl a w ) ，这个定律是气体浓度和光 吸收程度的一个关系表达式，然后就可以通过被测气体对激光的吸收谱线反演出 气体的浓度。 本课题选取激光遥测甲烷浓度系统为研究对象。在设计中，构造一个激光检 测的系统，利用此系统接收激光透射气体前后的光功率之比，进而计算得到空间 中瓦斯气体的浓度，并且通过微控制器对系统的参数进行控制，计算温度、压力 系数的补偿等。最后将把这个系统设计成小型的可携带的仪器，这样就可以对矿 井瓦斯气体浓度进行随机性的检测，并可以把测量结果储存在存储卡中，方便分 析井下瓦斯浓度曲线，进而通知相关部门进行通风换气。而且设定预警浓度，在 危险浓度的阈值范围内进行报警。 本系统分为三大部分。第一，发射模块：通过设定d f b 激光器的频率工作 范围，使得激光器发射特定波长的激光。第二，接收模块：通过锁相放大器控制 测量接收激光信号并记录数据。第三，控制模块：通过嵌入式软硬件智能地控制 此系统。 1 4 文章的主要任务及结构 本论文的主要任务是综合国内外对于激光遥测甲烷浓度的现状，针对瓦斯测 量技术的发展状况，从理论方面来分析激光遥测甲烷浓度技术的原理。并通过目 前矿井的苛刻环境指出此系统自己独到的优势、可行性及其自身存在的不足之 处，并有针对性的进行改进。在已有的理论基础之上进行理论可行性分析，完成 系统的构造设计，硬件系统模块设计，嵌入式系统开发，并进行调试，实现准确 可靠地测量瓦斯气体的浓度。 本章首先介绍了针对瓦斯浓度监测的来源及背景，国内外对甲烷监测所使用 第一章绪论 技术的开发，还阐述了课题的研究意义和目的；接下来将简述了本课题的研究内 容，进行理论可行性分析，阐明问题解决方案的选用和实施；然后以激光遥测甲 烷浓度的技术为基础构建测量系统，并设计了适合其应用的最小系统；最后对系 统进行调试、总结和展望，分析系统性能并指明系统的优势和不足及以后需要改 进的地方。 第二章激光吸收光谱技术 第二章激光吸收光谱技术 2 1 基本光谱学原理 2 1 1 基本光谱学知识 光是人眼可以观测的一种电磁波，也称为可见光谱。物理学上光是一种电磁 波谱。光的基本粒子是由光子主要组成的，并具有最重要的波粒二象性：粒子性、 波动性。人眼能观测的光只是整个光谱中的一部分。其可见谱范围约为3 9 0 7 6 0 纳米。电磁波的波长决定它的颜色。可见光色散可分成七种颜色：红橙黄绿蓝靛 紫。 光谱学是研究物质和光之间作用的一门学科，物质吸收光的程度，发射光的 程度都属于其研究范围。光波只是整个电磁波谱中的一个特殊波段，其长波段与 微波段相接，短波段与x 射线波分重叠，整个光波段还分为红外、可见、紫外波 段【9 1 。 光谱中波长在1 0 4 0 0 纳米的称之为紫外线，在0 7 6 - - , 4 0 0 微米的称为红外线， 红外线和紫外线都不在可见光范围之内。红外线以波长的量度分为三种射线：近 红外线、中红外线、远红外线，其中近红外光时介于其他两者中间的电磁波，本 文中设计的系统主要是应用近红外线的，其波长范围为o 7 5 3 岬【l 。 2 1 2 光谱的特征 光谱按其特征可分为线光谱、连续光谱和带光谱。线光谱是由许多条分立的 谱线组成，例如氢原子光谱的巴尔末线系，它是由十多条不同频率的线光谱组成 的。其中线光谱是在某些频率上出现极大值分布的光强分布形式。通常，原子跃 迁时，受激原子从高能级巨跃迁到低能级互，发射的光子具有能量1 1 1 慨= 最一e ( 2 1 ) 它的逆过程，原子从低能级e 跃迁至高能级巨，吸收能量为办的光子， 如果入射辐射具有连续的光谱分布，则在透过光频处出现线状吸收光谱。 连续光谱是指在一段光谱区上光强为连续过渡的光谱，当原子或分子在辐射 第二章激光吸收光谱技术 一一 的激发下电离时能形成连续的吸收光谱，例如热辐射产生的是连续谱。 带光谱是介于线光谱和连续光谱之间的一种光谱结构，通常分子的光谱为带 光谱。 2 1 3l a m b e r t b e e r 定律 朗伯比尔定律( l a m b e r t - b e e rl a w ) ，又称比尔定律、布格- 朗伯- 比尔定律， 是光吸收的基本定律，适用于电磁辐射以及所有的能吸收光的物质( 包括气体、 固体、液体、分子、原子、离子) ，此定律是通过光吸收程度的量化进而计算各 种气体浓度的方法基础。 图2 1 激光透射气室示意图 如图2 - 1 所示，当一束光强为厶的光穿过充满介质( 这里指气体) 的吸收池 后，起光强度会因介质分子吸收而衰减。入射光在透射过厚度为刃的介质分子 层其强度的衰减量刃与传输到这里的光强j 成正比，于是有以下关系式1 2 1 d i = 口( v ) i d z ( 2 2 ) 式子中比例系数口( v ) 表示被讲的单位路程上吸收的分数刃j 。当口( 1 ，) 为与 光强无关的常数时，这个关系式是线性吸收的朗伯比尔定律。积分形式的朗伯- 比尔定律为： ，( v ) = oe x p - a ( v ) l 】 ( 2 3 ) 式子中厶是三= 0 时候的光强。 在光谱的测量中，吸收系数口( v ) 是一个十分重要的测量参数，由( 2 3 ) 式 可知，它可由吸收光程x 和透射过被测样品气体的光强( 1 ，) 进行计算，有： ( v ) = oe x p - - - 口( v ) l 】 ( 2 - 4 ) 第二章激光吸收光谱技术 对于普通的气体样品，吸收系数口( v ) 比较小，在吸收光程x 不是非常大时， 有口( 功x “l ，因此可以对( 2 - 4 ) 式的指数用级数展开，劳且只取线性吸收部 分( x 的一次项) 即，得： 于是可以计算出a ( v ) ： ( v ) = o e x p - c t ( v ) l l o o - a 功 ( 2 - 5 ) 舯掣呵 ( 2 6 ) 然而，根据上文提到的爱因斯坦的能级跃迁理论，入射光子的能量等于分子 的两个能级巨、巨的能量差，所以v = ( 乓- e , ) h ，其中h 为普朗克常数，只有 分子才能吸收入射光。在厚度为讲的分子层内，强度为j 的入射光的衰减量棚与 辐射场能量密度p ( v ) 和能级1 上的粒子数量( 假定能级2 上没有分布) 的乘积 成正比，有： d = 昼2 p ( 功m ( v ) h v d t ( 2 7 ) 式中蜀：为能级1j2 跃迁的爱因斯坦系数。光强与辐射场能量密度p ( v ) 的关系为 p ( v ) = i ( v ) c ，这里c 为光速。带入( 2 - 7 ) 式变为： 对上式两边积分得： d i = 墨2 i ( v ) n 1 ( v ) ( h v c ) d l ( 2 8 ) i ( v ) = i o ( v ) e x p ( - b 1 2 m ( v ) ( h v c ) l ) ( 2 - 9 ) 将( 2 9 ) 式与( 2 3 ) 式对比可以得到： a ( v ) = 昼2 i ( v ) n 1 ( v ) ( h v c ) ( 2 1 0 ) 考虑到a ( v ) 在中心频率处成线形分布，即：口( d = a ( v o ) g ( v v o ) ，而且 j g ( v - v o ) d v = 1 ，所以代入( 2 1 0 ) 有： 第二章激光吸收光谱技术 o e ( v o ) g ( v - v o ) = 昼2 ，( 力m ( v ) ( h v l c ) g p v 0 ) ( 2 - 1 1 ) 在光谱测量过程中经常使用到分子的吸收截面积c r ( v ) ，它与吸收系数a ( v ) 之 间的关系为： 于是由( 2 1 1 ) 式可得 口( 功= 盯( 力m ( v ) 盯( v ) = 昼2 - ( h v c ) g ( v v o ) 即用吸收截面积a ( v ) 表示，) 有： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) i ( v ) = l o ( v ) e x p - t r ( v ) m 三 ( 2 - 1 4 ) 在实际的吸收光谱测量中，光波长常用力为变量，所以这时光强变化表达式 可以表示为： ，( 力) 厶( 允) = e x p 一仃( 允) c 己 ( 2 1 5 ) 这里盯( 旯) 表示分子在波长名处的光学吸收截面积，单位为平方厘米，c 为分子 数密度，单位为l 立方厘米。 2 1 4 激光吸收光谱的特点 在测量分辨特征比较好的谱线时，应该用单色光源。这样就选择用激光，激 光所具有的特征是：首先激光是单频的( 也叫单色) ，其次激光的相干性比较好， 相干光的特征是其所有的光波都是同频的可以同步，再者激光的集中度高，它可 以经过相当一段距离才出现分散或者收敛，最后激光谱线宽度特别窄、光谱功率 密度高、波长可调谐，并且可以对其进行频率和幅度进行调制【l3 | 。 1 有很高的光谱分辨率 在以往的吸收光谱技术中，分辨率受仪器分辨率和谱线展宽效应的影响。但 是当使用线宽非常窄的激光光源时，可以不使用光谱仪分光而通过对激光的波长 逐次进行调谐，就可以从光电检测端接收到透射光强度l ( v ) ( 为关于频率的函 数) 。并且当波长扫过被测的光谱区以后，就能得到一幅吸收光谱图。 第二章激光吸收光谱技术 因此如果使用线宽很窄的激光光源时，光谱的分辨率将不再受到光谱仪器的 限制，这样只决定于关于被测分子谱线的展宽效应。激光光源的线宽的数量级可 以达到1 0 - 5 1 0 - 8 c m ，这样就可以用这种窄谱光源获得原子、分子的一些谱线 的具体结构。 2 检测灵敏度高 光谱检测的灵敏度代表着检测微弱光谱信号的能力，实验研究表明，采用激 光作为光源可以获得的灵敏度远高于传统光谱技术。 ( 1 ) 根据朗伯比尔定律，吸收强度与吸收光程成正比，因而增加吸收光程 可以提高吸收强度，即可以提高测量的灵敏度。然而如果是用普通光源，其具有 强度低、发散角大等弱点，这样就不能用增加光程来提高灵敏度。与普通光源不 同的是，激光是单色光，而且亮度高、准直性好，所以可以使用多次反射来增加 光程( 见图2 - 2 ) ，对于吸收系数很小、被测粒子稀少的物质，增加光程是一种调 高测量灵敏度很有效的方法【1 2 】。 图2 - 2 增加光程后系统示意图 ( 2 ) 激光光源的光功率谱密度很高，所以可以忽略检测器本身的噪声。虽 然检测灵敏度也受激光强度的起伏的影响，但是可以采用稳定起伏的技术降低激 光强度的起伏，如果采用平衡检测方法，几乎可以完全克服激光强度的起伏对灵 敏度的影响。 ( 3 ) 检测灵敏度与光谱分辨率v v 成正比。所以用很窄的激光谱线可以得 到小的光谱间隔如，从而光谱分辨率增加，使检测灵敏度增加。 3 光谱定标可以提高系统的精度 如图2 所示，如果在光束进入样品池前将入射光束分光，并将分出的弱光耦 合进一个长间距的法布里珀罗干涉仪内。当调谐激光频率时，干涉仪会透射出 - - n 极大值，两个极大值之间的间距由干涉仪的自由光谱区 ，决定，又因为 a v 时= c 2 n , l ，l 为干涉仪两个反射镜之间的距离，将干涉仪得到的极大值记 第二章激光吸收光谱技术 录在光谱上就成为了光谱频率的标度。 2 1 5 光谱线的线宽和线型 吸收和发射的线光谱的频率，严格意义上说不是单频的，即当使用一个分辨 率非常高的分光仪时，所观察到的吸收或者发射的强度是一个以频率 v o = ( 巨一乓) 办为中心的光谱分布，如图2 3 所示，这- l - v o 附近的函数，( v ) 称之 为谱线的线型。在强度降到最大值一半的时候，a v = i v 2 一v 】i 为其对应的频率间隔， 叫做谱线的线宽( 谱线半宽度f w h m ) ，线宽也可以用波长表示【1 1 】。 图2 - 3 谱线线型和谱线半宽 2 2 可调谐半导体激光吸收光谱技术( 1 i ) l a s ) 2 2 1 频率调制光谱技术 上文中提到的检测方法是通过测量透射光强，通过透射光强和标准谱做比较 进而得到吸收光谱，这种方法具有明显的不足，它会受到系统噪声的干扰而降低 其测量的精确度。产生背景噪声干扰的原因有：l 、吸收池本身的吸收；2 、吸收 池内被测分子浓度的不规律散布；3 、激光强度的起伏。由于背景噪声的频谱隶 属低频段，采用高频调制激光频率的方法就可以把频段搬到高频段，这样就可以 一定程度上抑制这种低频噪声。针对不同的激光器结构有不同的调制方法，例如 本系统中应用的半导体二极管激光器是由直流驱动，然后通过交流调制的。 近年来，中红外区间的( 2 1 5 t m ) 可调谐二极管激光器有了很好的发展， 可调谐二极管激光的单模线宽为0 0 0 0 2 c m ，而且可以对其进行连续调谐。在这 基础上，人们对于可调谐激光吸收光谱技术( t d l a s ) 的深入研究，使这种方 第二章激光吸收光谱技术 法成为了一种重要的检测气体浓度方法。并且使用t d l a s 技术检测出大气中某 气体的浓度的精度很耐1 4 j 。 随着技术的成熟，人们研究出两种相关联的基本调制技术：频率调制光谱 ( f m s ) 、波长调制光谱( w m s ) ，这两种技术之间的最大不同表现在调制频率 和调制幅度。对比见表2 - 1 。 表2 1 波长调制和频率调制性能对比 光谱调制技术种类名称技术特点局限性 调制幅度大( 可以接近被测谱线线宽) ； 波长调制光谱( w m s )调制频率范围( 低至n k h z 1 0 宰n k h z ) ： 噪声会影响测量精度； 调制幅度很小； 调制频率范围( 高达数百妣) ； 由于调制频率高，所以各种噪声降低到理想实现技术颇 频率调制光谱( f m s )水平； 为复杂，结果 f m s 具体有单频调制和双频调制，前者指使简单 用一种高频正弦波进行调制，解调频率即为 调制频率，后者指利用两个频率差进行调制 和解调； 根据课题的研究特点选择使用相对简单的波长调制，下面将详细介绍波长调 制技术。 如图2 - 4 所示为波长调制吸收光谱技术示意图，由函数信号发生器产生几十 h z 的线性扫描电流与高频正弦电流( 频率为v 。) 叠加成的新信号，用这个信号 混入激光二极管的直流驱动电流中，在激光器的输出光频率进行线性扫描的同 时，还伴随着高频信号的调制，于是得到的激光发射频率为 1 5 。2 0 】： v = v 0 + a c o s 2 万f i ( 2 1 6 ) 式中v 为激光器的瞬时频率，v o 为激光的中心频率，彳为频率调制幅度，t 为时 间。 第二章激光吸收光谱技术 图2 - 4 波长调制吸收光谱技术示意图 当激光通过样品池时，随着光波频率扫过吸收线，对应的光强也受到高频调 制，调制后光强可以表示为： i = i o ( 1 + r c o s 2 n f i ) ( 2 1 7 ) 式中，为调制后的激光强度，厶为初始激光强度，刁为光调制系数。 这样接收到的光信号就可以由光电检测器接收得到模拟数据并进行后续的 处理。 2 2 2 二次谐波测量原理 虽然知道调制幅度、调制频率、实验中大气压力等参数，但是实验的结果是 由二次谐波检测和正弦调制还有之前的信噪比决定的。理论和实验的结果很大程 度上受调制幅度的影响，所以人们找到了l o r e n t z i a n 、v o i g t 和g a u s s u a n 的特殊 线型来使理论和实验达成一致。这样就可以进行关于谐波信号和原始线型的转 换，例如，测量吸收谱线的线宽，如果信号太微弱，就可以通过谐波检测技术去 测量其他强的谐波信号以完成测量。 这个谐波理论被应用于近红外区( 波长为4 1 5 u m ) 的半导体激光吸收光谱 中，然而经过简单的理论变换就可以应用于所有实例中。 由式( 2 4 ) 知( v ) = 厶e x p - o r ( v ) l 在谐波检测中，因为口( 力x i l i e l t 图2 1 0 气体吸收谱( 7 5 0 3 0 0 0 n m ) 在矿井中，虽然瓦斯气体中主要成分是甲烷，但是其中还含有二氧化碳、氮 气、水、乙烯、乙烷、二氧化硫、硫化氢等微量气体，实际中得考虑这些气体对 甲烷吸收谱线的影响，于是利用h i t r a n 数据库查询在标准大气压下，温度为 2 9 6 k 在1 2 a m 下这些杂质气体的吸收谱线，并经图1 0 中数据观察，并查询资 料总结1 6 x m ，1 3 删附近气体的吸收谱线，针对各种气体的吸收峰值和吸收范 围，于是得到表2 - 2 。 表2 - 2 各气体吸收程度 气体名称1 3 a m 附近吸收谱线 1 6 1 a m 附近吸收谱线 二氧化碳( c q )无吸收无吸收 氮气( 2 ) 无吸收无吸收 水( 1 - 1 2 0 ) 有吸收无吸收 乙烯( c 2 s - s , ) 无吸收无吸收 二氧化硫( s 0 2 ) 无吸收无吸收 硫化氢( 鸥s ) 无吸收无吸收 乙烷( c 2 风) 无吸收无吸收 通过表2 2 ，可以看出，只有水分子在波长1 6 朋附近有吸收，其他气体都 没有吸收，所以更加验证了上文中提到的选择中心波长为1 6 5 4 x m 的d f b 激光 器进行系统设计。 ，b雠p 拼 ， 聿；b 睡 l ；融戳 ；l飞博妇 令j和l飞蛐 ；1 _ j n 懒融瓣 懒|羚f粥 第二章激光吸收光谱技术 2 4 谐波检测技术 2 4 1 谐波信号提取方法的分析 从上文描述中，知道设定了激光器的中心波长，把激光器的中心频率固定在 甲烷气体的吸收峰上，这样在这个波长附近，激光主要被甲烷气体吸收，从而可 以应用2 2 节中提到的二次谐波和一次谐波信号分量的获取进而最终测量出甲烷 气体的浓度，所以接收测量的重点就是怎样才能准确地提取出吸收谱线的一次谐 波和二次谐波信号分量。对于信号检测有使用带通滤波器或者锁相放大器两种方 案。带通滤波器虽然能滤去带外噪声，但是要求条件是一定范围内尽量小的频带 宽度，然而如果过小，信号也会损失。这样来讲带通滤波器对于微弱信号的提取 是很差的，相比之下锁相放大器就这方面就更强一些1 2 m 引。 因为系统设计是要检测目标反射回来的激光信号，所以二次谐波信号分量是 非常微弱的，这是系统噪声对激光信号有很严重的影响，所以综合考虑，系统应 用锁相放大器对信号的谐波进行提取。 2 4 2 锁相放大器 锁相放大器( l o c k i n a m p l i f i e r ) 在1 9 6 2 被发明并逐渐投入使用的，并长期 应用在微弱信号的检测中。初始时，锁相放大器是以模拟信号的处理方式实现的， 经过数年的研究转变，产生了混合型锁相放大器( 模拟与数字结合) ，这种技术 很好地避免了噪声对系统的较大影响，后来就出现了数字锁相放大器，它的出现 体现了微弱信号检测领域的新成果。 锁相放大器有一个同频、同相的参考信号，并将其进行参考对比，进而对被 测信号本身中的那些与参考信号具有同频、同相的信号进行选取，这样对噪声的 影响有一定的遏制作用，并体现出优异的系统性能，总之锁相放大器的各种优点 决定了其在微弱信号提取方面良好的实用性。 图2 1 1 信号检测原理图 如图2 11 所示，为锁相放大器的工作原理图，信号处理的具体过程为： 第二章激光吸收光谱技术 待测信号： 参考信号： 两个信号做乘积，有： 厩= 4x s i n ( 2 z r f l + 1 ) ( 2 - 3 0 ) e = 4x s i n ( 2 7 r f 2 + 呜) ( 2 3 1 ) 只= 正e = 4 4 xs i n ( 2 硝+ m 1 ) s i n ( 2 7 r f 2 + 2 ) = 互1 4 4 c 。s 2 万( 石一厶) + ( 。一：) 】 一圭4 4 c 。s 2 石( 石+ 五) + ( ，+ ：) 】( 2 - 3 2 ) 当式中= 五时，式( 2 - 3 2 ) 中前一项为与频率无关的式子，即为直流信号 量，第二项为与频率有关的式子，即为交流信号，此信号经过低通滤波器以后， 得到输出信号：只= a , a c 。s ( 西。一：) ，通过这种方式能检测到系统需要的信号 量。在此设计中，将锁相放大器的两个参考频率分别设置在厂，2 厂，这样就可以 接收到得激光信号中的一次谐波和二次谐波信号分量。 2 5 本章小结 本章主要从最基本的光谱学原理讲起，然后讲述了最基本的朗伯比尔到最基 本的气体浓度探测方法，分析了用t d l a s 技术进行甲烷浓度检测，讨论了浓度 测量的具体算法，然后为了提高其精确性使用二次谐波检测，并主要利用锁相放 大器对一次谐波和二次谐波信号进行检测。同时本章还利用h i t r a n 数据库讨 论了甲烷的吸收谱线，通过研究确定了激光的中心频率。 第三章激光遥测甲烷浓度系统的设计 第三章激光遥测甲烷浓度系统的设计 3 1 系统构架设计 3 1 1 系统的原理构架 图3 1 激光遥测气体浓度系统原理图 在前面的叙述中，主要研究了激光遥测甲烷浓度系统的施行原理，从物理理 论的角度分析了系统的可操作性和优越性，并从理论实验角度粗略的分析了系统 应该具有的配件及运行条件，下面着重从系统硬件设计的角度来选择系统实际的 配件，从实验环境、理论参数的选取、系统的灵敏度、操作的智能性、工具的实 用性等多方面搭建。 于是根据系统理论要求设计了激光遥测甲烷浓度的系统，搭建实验装置见图 3 - 1 。本系统描述的主要由光学部分和电学部分共同组成的原理框图，它具有最 基本的光学器件组成，主要有：激光器、透镜、反射板；还有电学部分，主要有： 锁相放大器、光检测器、扫描信号发生器、参考信号发生器、数模转换模块、微 处理器模块。测量流程是首先由光学部分的可调谐激光二极管作为发射激光模 块，然后用一个透镜与光电检测二极管组成的组合作为散射接收部分，数据是由 锁相放大器以及参考信号组成的模块进行获取的，最后将所接收的信号数据经模 数转换传递到微控制器中进行数据处理、完成并实现其功能。 施行方案中，主要关注以下几点：d f b 激光器的调制发射、锁相放大器的 锁频选择、微处理器的配置以及对数据的接收和处理，将在下面的章节对其进行 第三章激光遥测甲烷浓度系统的设计 详细的设计介绍。 3 1 2 系统测量流程 系统测量的流程图见图3 2 ，流程是这样开始的：首先由电流信号和扫描信 号对分布式反馈激光器进行调制，产生需要频率的激光信号，激光信号通过激光 器发射后穿射入被测气体，其中一部分光被气体所吸收，还有透射过来的激光， 这束透射光到达目标板，经目标板反射回来一部分光，再一次回穿被测气体，由 于光经过数次的反射、折射光束较为分散，所以通过系统中的菲涅尔透镜将光束 聚集起来，通过在光聚集的位置加上光电检测器就可以很好地对激光信号进行接 收，再通过锁相放大器对激光信号的锁频测得一次谐波和二次谐波信号分量，最 后把得到的测量信号经过模数转换后将数字信号传输到微控制器中。就可以通过 微处理器智能化地控制测量系统，测得想要的结果。 图3 - 2 测量系统流程图 第三章激光遥测甲烷浓度系统的设计 3 2 激光器模块的设计 3 2 1 激光二极管的选型 激光二极管有很多突出的优点，首先激光二极管可以直接实现电子光子的 转换，所以转换效率非常的高。理论上激光二极管的转换效率接近于10 0 ，但是 由于某些复合损失，其效率略有下降，但是依然能达到7 0 以上。激光二极管的 覆盖波段范围很广，通过选择不同的材料或改变半导体的成分，就能得到特别需 要的各个波段范围区域。激光二极管的使用寿命最长，长达数十万甚至数百万小 时，同时激光二极管还具有直接调制的能力，并且激光二极管体积小、质量轻、 价格相对便宜。 半导体激光二极管内部结构如图3 3 ( i ) 所示，p n 结中加入一层光活性半 导体层，激光从这个层中发射出来，这层就是法布里一珀罗谐振腔。图3 3 ( i i ) 即为激光二极管的电器符号。 抛光面 图3 3 激光二极管结构图和符号表示 激光二极管种类有很多，有：分布式反馈激光二极管( d f b l d ) 、垂直腔面 发射激光二极管( v c e s l ) 、分布布拉格反射器激光二极管( d b r - l d ) 、光纤光 栅激光二极管( f g l d ) 、光栅耦合采样反射激光二极管( g c s r - l d ) 、微光机 电系统激光二极管( m o e m s l d ) 等，为了满足本系统的需求，激光的电流调 谐和温度调谐都得满足系统的理论参数，符合要求的激光二极管有d f b 激光二 极管、v c s e