【《基于可调谐半导体激光器吸收光谱TDLAS技术检测甲烷浓度的案例探析》14000字】

基于可调谐半导体激光器吸收光谱TDLAS技术检测甲烷浓度的案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u5312基于可调谐半导体激光器吸收光谱TDLAS技术检测甲烷浓度的案例分析 1256201.1基于HITRAN数据库的分子谱线提取 1107151.2TDLAS系统的整体设计 3284591.1.1系统取样检测结构设计 414051.1.2系统实时检测功能的开发 7207881.3TDLAS技术 12158061.3.1直接吸收光谱技术 13220201.3.2波长调制光谱技术 23196361.4直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术的优缺点 321.1基于HITRAN数据库的分子谱线提取选择合适的吸收谱线对于能否完成气体浓度的测量十分重要。本实验选取甲烷气体作为实验样本，吸收谱线的提取原则：（1）需要保证测量环境中其它气体分子（水蒸气、氧气和二氧化碳等）的吸收谱线不会和甲烷气体的吸收谱线发生重叠，确保甲烷浓度的测量精度不受其它气体分子的影响；（2）针对选取的分子吸收谱线，现市面上已存在成熟、性能稳定的商用窄线宽半导体激光器。HITRAN数据库是各种气体光谱参数的汇编，包括了从微波到紫外区域中分子吸收和辐射的光谱参数、红外吸收截面和碰撞吸收系数等[69]。通过提取数据库中某一气体的特征参数，可结合计算机代码实现气体的吸收光谱特性的预测和模拟。数据库中根据HITRAN数据库2019版的使用手册HitranApplicationProgrammingInterface，简称HAPI[70]，编写Python程序调用HITRAN数据库提取相应气体分析特征参数并下载对应的库函数，在一系列设定相关参数（气压、温度、气体浓度等）后，可得到气体分析的吸收光谱光谱图。甲烷分子在近红外和中红外波段均有吸收，但近红外区域激光器的价格更加便宜、研发技术更加成熟，且在此波段内吸收线谱线也更为丰富。本文在4500cm-1到6400cm-1波数范围内进行吸收谱线的选择。为了排除其它气体的干扰以及基于本实验将来可能的应用场景，选取一些在大气中常见的气体作为干扰气体，比如N2、O2、CO、CO2和H2O。通过HITRAN2016数据库获得CH4、N2、O2、CO、CO2和H2O在4500cm-1到6400cm-1波数范围内的光谱数据，并利用这些光谱数据得到相应的吸收光谱，如图1.1所示：图1.1多分子光谱数据由图1.1可知，在4500cm-1到4750cm-1波数范围内，甲烷分子拥有纯净的吸收光谱，但是此波数范围内的吸收系数较小，考虑到测量系统应具有较强的抗干扰能力，因此应选择吸收系数更大的吸收谱线。而在4750cm-1到5750cm-1的波数范围内，甲烷分子没有特定的吸收谱线。在5750cm-1到6250cm-1范围内，除了H2O有微弱的吸收外，其它气体分子均无吸收谱线，并且在6047cm-1处甲烷分子具有最强的吸收谱线，其吸收系数远大于H2O。因此选取6047cm-1波数作为本实验所研究的甲烷气体的特征吸收峰，不仅有效地排除了其它气体分子的干扰，同时也保证了测量系统的精度、灵敏度和抗干扰能力。甲烷分子在6000cm-1到6140cm-1波数范围的光谱数据如图1.2所示：图1.2CH4的光谱数据在提取CH4光谱数据的同时，保持压强系数为大气压不变时，改变环境的温度系数，观察了CH4的吸收系数随温度的变化。如图1.3CH4吸收系数随温度的变化图所示，当压强保持不变时，在常温附近时，随着温度的增加，CH4的吸收系数逐渐减小。这为后面研究环境参量的变化对实验结果的影响具有一定的指导意义。图1.3CH4吸收系数随温度的变化图1.2TDLAS系统的整体设计基于HITRAN数据库提取待测分子的光谱数据后，设计TDLAS系统，最终实现对未知气体浓度的测量，系统设计包括观测信号在电路中如何产生以及通过何种器件达到产生信号以及测量信号的目的，当得到所需信号后通常需要采用特定的上位机装置来更好更直观的呈现出来，选用不同的上位机装置通常也对应着不同的设计思路以及使用习惯。下面将详细的介绍本实验的整体设计以及对应使用的实时检测信号的装置。1.1.1系统取样检测结构设计采用TDLAS系统测量甲烷的浓度，通常需要产生控制激光器信号的信号源、通过调制产生对应波长激光的可调谐半导体激光器、可增加有效光程的气体吸收池、光信号转换为电信号的光电探测器等，下面将详细介绍每一部分的功能以及各自对应的参数设置，最终实现对未知浓度甲烷的测量。图1.4测量气体浓度流程图如图1.4测量气体浓度流程图所示，其中背景为橙色部分的光谱数据主要是基于TDLAS技术可测量的部分较为典型的气体，大部分气体在近红外区域都具有丰富的吸收谱线，本文是选取应用较为广泛、具有实际测量意义的甲烷分子作为测量对象，其最强的吸收谱线位于1653.7nm，即为图1.4中的红色五角星位置。图1.4中的Controlsignal为信号源，负责调制激光器输出波长。当采用不同方法测量待测气体的浓度时，对应选取信号源的个数也不同，信号源输出信号时的偏置电压最小步进值也对实验的结果造成一定的影响，本实验选取步进值为0.01V的信号源作为激光器的输入信号，进而达到调谐激光器输出激光的目的。本实验中基于TDLAS技术检测甲烷气体浓度的实验装置如图1.5所示。图1.5实验装置图如图1.5实验装置图所示，首先激光光源是最为重要也是最为核心的部分。实验中采用的是分布式反馈半导体激光器进行测量，分布式反馈半导体激光器以其反应灵敏、线宽窄、出光单色性好等优点常常被应用于TDLAS检测领域，本实验中使用的是加拿大EblanaPhotonics公司的可调谐半导体激光器，型号为：EP1653-7-DM-DX1-FA，该激光器可输出的波长从1652nm到1654nm连续可调，线宽为2MHz，可以通过内部制冷片上加载的电压（VoltThermoelectricCooler，简称Vtec）或者偏置电压（VoltBias，简称Vbias）来控制激光器的输出波长，通过直流稳压源作为电源电压（VoltCurrentCondense，简称Vcc）为激光器驱动供电。从激光器尾纤输出的激光具有一定的发散角，不利于激光在气体吸收池内传输，所以在激光进入气体吸收池之前需要对光束进行准直，本实验中采用焦距为10mm的平凸镜作为准直透镜对激光光束进行准直。根据第一章的理论研究可以得到，TDLAS测量系统的测量极限（即：测量灵敏度）和光源在待测气体中传输的有效光程呈线型关系。所以在实际测量中，增加有效光程可以提高TDLAS测量系统的测量极限，达到检测具有极低浓度的痕量气体。若本论文在实验过程中采用怀特气体吸收池[71,72]，可以实现在保证实验仪器大小合理的前提下提高有效光程。怀特气体吸收池是通过增加激光在光路中的反射次数进而延长有效光程。由于实验仪器的限制，且目前实验是处于研究阶段，没有极限追求测量浓度最低极限，所以本实验没有采用价格较高的怀特气体吸收池，而是采用自制的气体吸收池，气体吸收池的长度为20cm，在实验过程中，有效光程即为20cm。由于后续的数据处理模块和实时监测模块都是基于电信号开发的，所以经过气体吸收池后的光信号需要转换为电信号。因此本论文使用光电探测器对光信号和电信号进行转换。本实验中采用Thorlabs公司的PAD20C铟镓砷光电探测器，响应波段为800nm到1700nm，包含了本实验中测量对象甲烷的吸收波长。如果要用WMS技术提取甲烷浓度，就需要使用锁相放大器来获取微弱的气体吸收信号，还原浓度信息。在TDLAS常规的测量方法中，WMS技术的核心器件之一就是锁相放大器。本实验中采用的锁相放大器具有双输入端，双输出通道以及参考信号输入端。该锁相放大器具有两种锁相的方式，其中一种为外部锁相，通过外部输入参考信号进行谐波解调放大；另一种是内部锁相，输入待解调信号进入锁相放大器的输入端，通过设定相关参数，直接提取对应的谐波信号。其中外部锁相又称外部参考，当采用外部参考时，锁相环在实际工作中会产生一定的相位抖动，相位抖动的过程中就会导致参考信号掺杂不同频率的噪声，因此通常会采用内部锁相的方式。在内部参考的模式中，仪器能够产生与输入信号相乘的正弦信号。谐波提取主要是通过获得倍频信号或差频信号来实现谐波信号的提取。锁相放大器的原理如图1.6所示。图1.6锁相放大器的原理图如图1.6所示，其中是输入的待测信号，定义为：，其中，为待测信号，为总噪声，为输入的参考信号，定义为：，当两路同时输入到乘法器后，得到的输出为：(1.1)化简式（1.1）得：(1.2)从式（1.2）可看得，乘法器输出的信号包括了直流部分、二倍频信号和基频信号。如果提取对应的谐波信号只需要改变对应滤波器的参数即可。如果采用双向锁相放大器就可以忽略待测信号与参考信号之间的相位差，从而确定待测信号的幅值。锁相放大器提取的一次谐波或者二次谐波可以直接读取，然后将拷贝的数据放入设计的计算机程序中反演待测气体浓度。但通常在实际使用这套系统的过程中，设计更简洁的流程和更直观的操作界面是十分必要的。基于此，本次实验在获得相关数据的前提下，配置了实时检测模块，实现对数据的实时检测和分析。1.1.2系统实时检测功能的开发实时检测模块首先需要对信号进行提取并传输到上位机，然后再通过上位机的相关软件对数据进行分析。本系统是通过数据采集卡把数据提取到上位机，然后通过配套的LabVIEW软件对数据进行分析，实现较为便于操作的人机对话页面。本节着重介绍实时检测系统的开发，采用数据采集卡采集数据然后上传到上位机，在上位机通过设计程序使得测量得到的待测气体的浓度直接在上位机上呈现。通3.3节中得到浓度拟合曲线的表达式，基于这个表达式的基础上设计LabVIEW程序，在测量未知浓度时，通过实验中设计的程序最终通过LabVIEW的人机对话页面直接呈现待测气体的浓度。1数据采集卡数据采集卡包括数据采集卡器件和一个在上位机驱动采集卡的软件（Measurement&AutomationExplorer，简称MAX）。本实验采用的是美国NationalInstruments，简称NI公司的USB-6000款数据采集卡，上位机驱动采集卡的程序简称NI-MAX。实验中使用的是USB-6000这款数据采集卡，包含了8个模拟信号输入端和3个数字信号输入端，以及3个接地端。由于在本实验中，主要是研究了单路信号的数据传输，所以在实验过程中，只选取其中一路作为输入端接入电路，另一端为接地端。连接数据采集卡后，就会在设备中出现对应采集卡的名称，可以设置相关参数。2LabVIEW介绍当数据采集卡采集到数据后，由于数据采集卡本身并没有处理数据的功能，所以就需要上位机对数据进行处理，本实验中采用和数据采集卡配套的软件LabVIEW作为数据处理软件。LabVIEW程序专为测试、测量和控制应用而设计的系统图形化编程语，程序扩展名为.vi，根据数据流控制程序的运行方式，模块化的程序设计思想，可快速访问硬件以及提供数据信息。图形化的编程语言使程序的编写更为简单，数据流的控制使程序的运行更为清晰，模块化的程序更具完整性。LabVIEW虚拟仪器操作平台，由于操作简单，使用方便，因而被广泛应用于汽车、通信、医疗等各个领域。3系统整体框架设计本系统主要实现了以下功能：直接显示待测气体的浓度、实时显示二次谐波的波形以及存储实验过程中测得的相关数据。本系统设计的流程图如图1.7所示。图1.7实时采集信号流程图如图1.7实时采集信号流程图所示，其中包含待测气体浓度信息的信号通过探测器以数据流的形式传入数据采集卡，数据采集卡主要完成数据采集（DataAcquisition,DAQ）任务，在实验过程中会根据采集卡的性能设置采样率，在保证实验数据不失真的前提下，选择相对性价比高的数据采集卡。驱动程序达到通过计算机就可以控制数据采集卡的目的，当采集卡采集完数据后，通过LabVIEW程序进行数据分析和处理，可以选择保存相关的数据在指定的文件夹内，也可以通过计算机直接显示测量的相关信息。4LabVIEW程序设计美国NI公司在1986年发布LabVIEW1.0，之后随着技术的更迭，NI公司不断推出新的LabVIEW版本，本实验中采用的是LabVIEW2015版。LabVIEW2015具有提供丰富的面板控件，便于用户在使用时设置相关的仪器控制界面；还提供了丰富的函数库和子程序库，便于用户方便的调取相关功能直接使用；便捷的调试方法，在程序运行过程中，可设置探针查看相关参量的变化，以便于随时调试程序的运行；提供更多仪器公司的相关仪器的驱动程序，以便于用户在使用时，对硬件仪器的控制和利用更加契合；增加TCP/IP等相关网络通信功能，最终实现用户远程控制测试，采集数据；代码接口节点和调用库函数具有更好的开放性等优点。通常在使用LabVIEW设计相关程序时，要遵循如图1.8的流程进行设计。图1.8程序设计流程图在设计一个完整具有一定功能性的LabVIEW程序时，通常需要经过如图1.8的六个步骤。（1）根据需求定义并理解问题。（2）定义I/O各接口的含义，选择合适的I/O类型。I/O口用以实现数据采集的触发、控制和计数等功能。（3）设计输入输出，根据功能需求列出输入输出参量列表，将相关参量进行配对，按照符号逻辑进行组合，最终在保证获得相关信息的前提下，设计更加简洁的输入输出参量。（4）编写实验程序，细化功能需求，按照模块中数据流的变化，设置相关程序，最终连接各模块，实现总的功能。（5）测试并调试，根据各模块的功能进行测试，确保每一个单一模块均可实现确定的功能，使用探针进行调试，实现数据流更加“可视化”。（6）编写文档，根据已经完成的程序，编写相关文档，标注各参量的含义以及记录程序中的相关要素。在进行实验开始之前，首先对数据采集卡进行检测，本实验中，直接将信号源输出的信号接入数据采集卡中，然后上传到计算机中，通过程序直接显示波形，如图1.9所示。图1.9测试波形测试波形时，设置参数为幅度100mV，偏置0mV，频率为2Hz的正弦波信号，由图1.9可以明显看出实验程序得到的测试波形与对应参数的理论波形一致，较好的验证了程序的正确性。本实验的目的是实现对数据流的实时处理得到目标结果，同时保存测量数据。探测器采集到的数据通过数据采集卡的模拟信号口接入到采集卡。数据流通过USB数据线传到计算机，当数据传到计算机后，LabVIEW程序主要是实现对动态的电压信号进行提取峰值，然后对峰值进行计算处理，最终测得待测气体的浓度，并通过人机对话页面实时显示待测气体的浓度。其中程序的输入参量设置如图1.10所示。图1.10设置输入参量如图1.10所示，程序中设置的有效输入参量为电压信号，在满足实验结果的基础上，根据硬件条件，设置合适的采样率对数据进行采样，最终获得数字信号。图1.11输出参量以及对应的数据流程图然后通过实验获得参考曲线对应的斜率和截距，对输出信号乘以相关系数，直接得到对应的浓度信息。对应的数据流和流程图中得到的输出参量如图1.11所示。如图1.11所示，图1.11中设置采样时钟信号，以及选择模拟信号的输入通道，通道到的选择必须与硬件接口保持一致，否则无法测得数据。在获得浓度参量的同时，实验过程中还获得了二次谐波的波形，并通过前面板显示。实验的过程中还可以直接在前面板设置相关参数。根据实验结果得到的数据如图1.12所示。图1.12实验结果图如图1.12所示，其中左侧标识为NIrate可设置采样率，在满足硬件条件的情况下，通过设置合适的采样率最终得到较清晰的采样图样，根据本实验的条件设置采样率为5000，每秒采样5000个点，其中周期为1s，所以相当于每个周期采集了5000个点，可以满足实验的要求。然后上面的采样通道需要选择与硬件一致的采样通道，最终提取对应通道的数据。在本实验中使用的采集卡具有8路通道可以选择，如果同时测量多路信号，可以通过切换通道，进而采集不同通道的数据流。图1.12中可以明显看到最终的实验结果，通过前面板可以直接显示待测气体的浓度，本实验中测量的样品浓度为8%，由于实验中存在一定的误差，最终在上位机中得到的浓度为8.262%。1.3TDLAS技术基于TDLAS技术的常规检测手段包括DAS技术和WMS技术，DAS技术测量甲烷浓度最明显的特征是没有输入信号叠加调制激光器的过程，直接向系统内输入单一信号，没有多种信号的叠加，在实验过程中通常选择单一的升级锯齿信号或三角波信号作为输入信号驱动激光器。WMS技术检测甲烷浓度最明显的特征是通过低频信号和高频信号的叠加对激光器进行调制，低频信号承载高频信号，高频信号作为直接和气体发生吸收的信号，整个吸收的过程呈现在高频处，处理高频信号相较于处理低频信号而言有很多优点，最直观的是，高频信号的噪声更少，更多的噪声是集中在低频处。下面将详细介绍DAS技术和WMS技术检测甲烷浓度的原理和实验结果。1.3.1直接吸收光谱技术DAS技术是目前TDLAS技术领域甚至整个气体检测领域中最简单的测量方法之一，其主要是利用幅值连续变化的三角波或锯齿波信号来调制驱动激光器的输入电流，从而改变激光器的输出波长，且输出波长呈周期性变化。当激光器的输出波长与待测气体的吸收谱线相匹配时，待测气体分子会吸收此波长下的光子能量，通过光电探测器和示波器可观察到检测信号出现因气体吸收所导致的凹陷。其流程图如图1.13所示。图1.13直接吸收光谱技术流程图当采用DAS技术测量甲烷气体时，处理模块可以是数据采集卡和上位机，也可以是常用的示波器。如果采用DAS技术检测甲烷浓度，仅需使用一个信号源产生一个低频的升锯齿波信号来调制激光器的输出波长。但是DAS技术后期数据处理更加复杂，下面将从两部分，原理和仿真结果两个角度来介绍DAS技术，然后详细介绍DAS技术检测甲烷浓度的实验结果和数据处理过程。1DAS技术的原理及仿真结果（1）原理DAS技术检测痕量气体的浓度是TDLAS系统中最常用的一种技术，其基本原理遵循比尔-郎伯定律，由公式（1.4）和（1.5）推导得到如下式[73]：(1.3)式中，，由于TDLAS技术通常是用来测量痕量气体的浓度，因此经过待测气体之后的激光光强和未经过气体之前的光强之差较小，根据泰勒公式可得，，由此可知痕量气体浓度和成线性关系。（2）仿真本实验的仿真主要是采用的Matlab中的simulink仿真。对于激光器的仿真是利用数学函数，并设置相应参数得到和实际激光器具有相同激光波形的光源模块。DAS技术检测痕量气体仿真的流程图如图1.14所示：图1.14DAS技术检测痕量气体的仿真流程图其中，输入信号1和输入信号2均设置为：幅值为1，频率为10Hz升锯齿波信号，设置相关参数，通过改变改参数的设置，可以仿真DAS技术不同浓度对应的结果。采取浓度为5%，得到仿真结果图如图1.15所示：图1.15甲烷浓度为5%时DAS技术仿真结果由图1.15可得，当存在待测浓度的样本气体时，可以较明显得看出，入射波长的激光与待测气体发生吸收，然后分别设置样本气体的浓度为3%，5%，10%，15%以及20%，将5种不同浓度的样本气体通过DAS技术得到的仿真图放在一张图上，以便于更好的对比不同浓度气体吸收结果的不同。图1.16DAS技术检测甲烷浓度的仿真结果如图1.16可得，当激光器输出波长与气体吸收谱线匹配时，波形会发生凹陷，反之，波形没有发生畸变。高浓度对应的吸收凹陷较大，低浓度对应的凹陷较小。通过仿真流程图可得，DAS技术检测甲烷浓度所需的实验器件和实验原理都较为简单，但是DAS技术通常使用低频函数作为扫描信号，而通常的噪声源也是以低频为主，比如1/f噪声等，因此通过DAS技术得到的测量结果易受环境噪声以及激光器的不稳定性等因素的影响。为了提高使用DAS技术检测痕量气体浓度时的测量精度、灵敏度和抗干扰能力，通常采用多光路探测的方式来消除环境噪声对测量结果的影响。即：公式（1.3）中的参考信号，即未经过待测气体的信号在实际测量中，一方面可以通过多次测量，得到多个结果然后进行拟合，最终得到参考信号，另一方面是通过双光路的方式测量，但是这两种测量方式测得的参考信号均存在一定的误差。故DAS技术检测浓度简单但测量精度不高。2DAS技术检测甲烷浓度的实验结果调制激光器的信号通过设置信号源的频率为20Hz，幅值为100mVpp的升锯齿波信号。通过观察示波器上有无气体吸收所引起的凹陷来判断此时激光器的输出波长是否已经被调制到甲烷的吸收谱线。若没有凹陷存在，通过改变升锯齿波的偏置电压微调激光器的输出波长直到出现气体吸收所引发的非线性吸收凹陷。整个实验的过程中，环境温度均控制在22℃到28℃之间，激光器的Vtec温控端加载1.0V的直流电压给激光器及时散热和控温。未经过甲烷气体受调制激光器的光信号不会发生凹陷等畸变，如图1.23所示的黑色直线为输入激光器的信号，当激光器调制后输出的激光经过待测甲烷气体后，会在某一位置发生凹陷，如图1.17的红色曲线所示。图1.17DAS技术的信号图如图1.17所示，探测器探测到的光信号发生了一定的凹陷。此凹陷是由气体的吸收所导致，证明了此时激光器的输出波长与待测甲烷气体的吸收谱线相匹配。凹陷的最深点为待测甲烷气体吸收线形的中心波长，此时甲烷对此波长的激光具有最强的吸收系数。凹陷的深度由其最深点向两侧逐渐减小，并最终趋于线性，反映了激光器的输出波长逐渐偏离甲烷气体的中心吸收点直至彻底偏离甲烷的吸收波长范围。图1.17观测到的现象与之前的理论分析以及模拟仿真相符。根据之前的理论分析：DAS技术可以通过对凹陷面积的计算来反演气体浓度，因此我们对图1.17测得的光信号做以下处理：1.使用最小二乘法对图1.17中的线性部分（即：没有因气体吸收而产生凹陷）进行处理，可以还原出没有发生气体吸收的原始调制光信号。如图1.18(a)红色曲线所示，此还原出的信号和图1.17中的输入信号不同，主要是由于激光器本身的非线性作用，所以这里的原始信号主要是没有经过气体，探测器探测得到的没有浓度信息的信号；1.将1中得到的光信号与图1.17得到的具有气体吸收凹陷特征的光信号进行减法运算，可以得到气体吸收部分的光信号，如图1.18(b)，从图1.18(b)可以看出处理后的光信号具有对称性，在进行积分运算时更为方便；3.对1.18(b)进行积分运算，获得其面积。上述1-3的信号的处理均由Matlab完成。图1.18(a)DAS技术的原始信号和吸收信号;(b)处理后的信号利用上述的处理步骤，测量了4组不同甲烷浓度的气体并计算了相应的吸收凹陷部分的积分值，如图1.19所示。图1.19(a)-(d)不同甲烷浓度原始信号和吸收信号;(e)-(h)对应浓度处理后信号其中图（a）测量的甲烷浓度为10%，对应图（e）的积分值为1.1128x10-4；图（b）测量的甲烷浓度为25%，对应图（f）的积分值为1.2804x10-4；图（c）测量的甲烷浓度为35%，对应图（g）的积分值为1.9086x10-4；图（d）测量的甲烷浓度为50%，对应图（h）的积分值为1.2001x10-3。利用上述得到的积分值，建立积分值和浓度之间的对应关系。采用线性拟合的方式，得到了如图1.20中的拟合曲线。图1.20直接吸收法的浓度拟合图图1.20的线性拟合度为R2=0.9918，说明浓度和积分值具有良好的线性关系。因此，实验中某一甲烷浓度的积分值可以通过图1.20的拟合直线间接地确定其具体浓度。在实验的过程中，所有输入信号的频率均为20Hz，为了进一步研究调制频率对DAS技术检测甲烷浓度的影响，我们通过设置不同的调制频率来研究固定甲烷浓度下吸收凹陷的积分值。频率范围为10Hz到50Hz，每个特征频率点相差10Hz。实验结果如图1.21所示。其中图1.21中，图（a）设置的频率为10Hz，对应得到图（f）的积分值为1.9497x10-4；图（b）设置的频率为20Hz，对应得到图（g）的积分值为1.1128x10-4；图（c）设置频率为30Hz，对应得到图（h）的积分值为7.6703x10-5；图（d）设置的频率为40Hz，对应得到图（i）的积分值为5.5934x10-5;图（e）设置的频率为50Hz，对应得到图（j）的积分值为5.6551x10-5;从图1.21所得的结果来看，即使是相同浓度的甲烷气体，对应积分值也也会随输入频率的改变而发生变化。图1.21(a)–(e)不同频率的DAS技术原始信号和吸收信号；(f)–(j)对应的频率处理后信号理论上，频率的不同，并不会导致积分值产生变化，但实际对比五组数据，积分值产生了相对较大的变化。我们考虑是否与参考曲线的斜率或者截距以及吸收信号的半高全宽等有关。表1.1为每个频率下的斜率、截距、积分等信息，为了便于后面的分析，令，，主要是便于考虑积分面积和斜率之间的关系。表1.1频率与参考直线之间对应的数据表参数频率（Hz）斜率（K）截距（B）积分值（S）UV100.638810.098191.9497x10-44.6175x10-44.6175x10-3201.315160.096591.1182x10-48.5024x10-51.7005x10-3301.979410.097147.6703x10-53.8750x10-51.1625x10-3401.659260.098715.5934x10-51.1034x10-58.4136x10-3503.253450.099055.6551x10-51.7381x10-58.6905x10-3表1.1中，其中斜率为参考曲线的斜率定义为K，截距为参考曲线函数与纵轴的交点对应的大小定义为截距表示为B，最后积分值定义为S，研究频率与U、V以及与S之间的关系。由图1.22可得，其中图（a）中红色曲线为频率与积分值（S）之间的关系图；蓝色曲线为频率与U之间的关系图；图（b）为频率与U之间的关系图；由图可以看到，积分值（S）受频率变化影响最小，但图1.22(a)–1.22(b)均显示当频率大于20Hz后，各参考曲线特征受频率的影响逐渐减小。因此实验中选取20Hz作为信号源输入信号的频率较为合理，选择积分值（S）作为浓度变化的因变量也是三个数值中更为合适的选择。图1.22（a）频率与S和U之间的关系图；(b)频率与V之间的关系图实验中，不仅考虑了参考信号相关参数与频率之间的关系还考虑了积分曲线特征值和浓度之间的关系，每一个浓度值在处理的过程中，均会产生如图1.18（a）所示的红色参考曲线。其中表1.1和图1.22考虑了参考曲线的相关特征值和频率之间的关系，下面将考虑积分曲线和频率之间的关系，具体数据见表1.2。其中Max表示积分曲线的最大值；表示积分曲线最大值的一半；X1表示函数值对应的横坐标较小的值；X2表示函数值对应横坐标中较大的值；FWHM表示积分曲线的全峰半宽。表1.2频率与积分曲线特征参数之间的参数表参数频率（Hz）MaxX1X2FWHM100.02020.0101-0.0153-0.00510.0102200.01920.0096-0.0070-0.00210.0049300.01920.0096-0.0049-0.00160.0033400.01900.0095-0.0043-0.00180.0025500.01970.0985-0.0034-0.00140.0020由表1.2可得，频率变化的过程中，Max变化最小，其中最大值与最小值之间的差为0.0012，而表1.1中S随频率的变化最大值和最小值之间的差为0.00023，相对于Max要小一个数量级，在各种参数的对比下，可以比较明显的看到，随着频率的变化，积分值（S）的变化是最小的。所以实验中选取积分值（S）作为实验中的因变量，受实验中的频率变化最小，当采取不同频率进行测量时，对最终结果的影响也是最小的。1.3.2波长调制光谱技术WMS技术又称为谐波检测技术，WMS技术是在DAS技术的基础上增加高频调制的部分，数据处理部分需增加锁相解调，最后根据需求提取一次或者二次谐波然后反演得到谐波幅值和浓度之间的关系。基于TDLAS的WMS技术检测气体浓度的流程图如图1.23所示：图1.23WMS技术检测甲烷浓度流程图WMS技术中低频信号和高频信号通过加法器的叠加而驱动激光器，其中高频信号通常为正弦波信号，频率通常为kHz；低频信号通常为升锯齿或三角波信号，频率通常为几十Hz。加法器输出周期性的叠加信号可对半导体激光器进行周期性调制，半导体激光器驱动内部集成的温控模块可控制半导体激光器输出频率在一定范围内波动，最终实现半导体激光器输出波长在气体吸收谱线附近周期性变化。当激光器发出的激光扫过待测气体的吸收峰时，待测气体分子会吸收激光器发射的光子。光电探测器将采集到的光信号转化为电信号，然后通过锁相放大器提取目标谐波的波形和相关信息，最终反演出待测气体的浓度。1WMS技术的原理及仿真当调制频率较小时，频率调制和光强调制之间的相位差可以忽略，即：无相位差，而当调制频率较高时频率调制和光强调制之间的相位差则不可忽视，此时相位差可以从之间变化，相位差的存在则会导致剩余幅度调制（ResidualAmplitudeModulation,RAM）[74]，在考虑RAM时，就需要考虑二次谐波成分中的奇次谐波，因为奇次谐波会使得二次谐波信号产生畸变，并且信号的幅值也是二次谐波分量与奇次谐波成分的叠加值，因此对气体浓度测量的准确性产生影响。本实验中暂时不考虑RAM对实验结果的影响，所以只仿真了不考虑RAM的部分。（1）原理不考虑RAM时，假设激光器中心频率为，经扫描信号调制后的实时频率为，则高频信号调制后的实时频率为：(1.4)经过气体吸收池后，为式（1.4）所示，气体吸收线型采用洛伦兹线型，则：，其中为吸收线性的FWHM，为吸收系数，，将（1.4）带入得：(1.5)再令上式中，，，其中为调制系数，，最后代入（1.5）得，假设光强随调制频率的变化系数为Q，则：，化简得，将此式代入比尔-郎伯定律得：(1.6)由于，根据泰勒公式得：(1.7)对（1.7）进行傅里叶变换得：(1.8)式中，其中当时，当时；是n阶的贝塞尔函数；其中，，则不同阶次的谐波信号可化为：(1.9)其中，为共轭复数，当时表示不同的谐波信号，可分别表示为：(1.10)(1.11)(1.12)(1.13)其中：，。（2）仿真根据式（1.10）-（1.13）以及相关参数的含义，使用simulink进行仿真，其中输入信号3设置为幅值1，频率10Hz，的升锯齿波；输入信号4设置为幅值0.04，频率5000Hz；输入信号5设置为幅值50，频率为10Hz；输入信号6设置为幅值为1，频率为10000Hz。其中输入信号3和输入信号4分别作为低频信号和高频信号进行叠加，实现调制的目的，然后驱动激光器，输入信号6的频率为输入信号4的2倍，主要是为了实现解调的目的。仿真搭建的流程图如图1.24所示：图1.24WMS技术的仿真流程图TDLAS技术是为了实现对待测气体浓度的测量，其中浓度的反演方法分为两种：一种是采用一次谐波幅值和二次谐波幅值作比，得到的比值和气体浓度成正相关，另一种方法是直接利用二次谐波幅值和气体浓度成正相关。从式（1.11）和（1.12）可知，谐波信号的幅值与调制系数m有关。因此基于式（1.11）和（1.12），并设置相关参数，仿真模拟了调制系数m与谐波信号之间的关系，如图1.25所示：图1.25调制系数随二次谐波峰值的变化由图1.25所示，当m为1.2时，二次谐波的幅值达到最大，此时为最佳调制系数。二次谐波峰值的最大化有利于提高TDLAS测量系统的灵敏度和抗干扰能力。图1.26(a)一次谐波波形随调制系数变化;(b)二次谐波波形随调制系数变化图1.26展示了调制系数为1.0、1.2、3.0和4.0情况下，一次谐波和二次谐波信号波形的对比图。从图中可得出：谐波信号在调制系数m等于1.2时拥有最大峰值。仿真得到的最佳调制系数m与诸多文献中提到的最佳调制系数相符[74,75]。2WMS技术检测甲烷浓度的实验结果WMS技术检测痕量气体的浓度是TDLAS技术中检测痕量气体浓度中最常见的一种方法，使用WMS技术最重要的部分是调制和解调，在通信系统中使用调制可以使通信信号传输至更远的距离，并且高频信号在传输的过程中，受到低频噪声的影响也较小。同样在TDLAS系统中采用高频信号叠加低频信号的波长调制法也有着相同的目的。WMS技术通常采用低频调制信号（几十赫兹）和高频载波信号（几千赫兹）的叠加信号，低频信号经过高频信号调制后，所携带的信息均承载在几千赫兹的高频处，因此在实验过程中不易受到低频噪声的影响。解调主要是可以从微弱信号中提取所需的信号，提取低浓度的信号便是TDLAS系统的主要优点之一，所以调制解调是WMS技术检测痕量气体中最主要的部分。实验中，选取频率为50Hz，幅值为100mVpp，偏置大小可变的升锯齿波作为调制信号和频率为5kHz幅值40mVpp，无偏置的正弦波作为载波信号，两种信号输入到加法器中进行叠加，叠加信号对激光器的输出波长进行调制。实验过程中，首先输入一个升锯齿信号寻找最佳吸收点，以便于设置调制信号的偏置。具体过程如图1.27所示。图1.27中，图（a）的偏置设置为340mVpp时，由图（a）观察可得，其中二次谐波的波形只有中间和右侧波形是完整的，左侧的波形缺失，可以观察到吸收位置偏高，对应设置偏置电压过小；图（b）为偏置设置为390mVpp时，由图（b）观察可得，其中二次谐波的波形完整且对称，对应直接吸收光谱法所观察到的吸收位置处于正中间，现象较明显；图（c）为偏置设置为420mVpp时，由图（c）观察可得，其中二次谐波的波形只有中间和左侧波形是完整的，右侧波形缺失，对应设置偏置电压过大。图1.27(a)偏置为340mVpp的二次谐波信号和直接吸收信号；(b)偏置为390mVpp的二次谐波信号和直接吸收信号；(c)偏置为420mVpp的二次谐波信号和直接吸收信号综合可得，调制信号设置为频率为50Hz，幅值为100mVpp，偏置为390mVpp左右（随着温度的改变进行微调）的升锯齿波，高频载波信号设置为频率为5kHz幅值40mVpp，无偏置的正弦波。当实验中寻找到最佳的吸收点后，需要进一步地调节TDLAS系统的调制系数，让其处于最佳调制的状态，当环境参数不变时，气体吸收线型的半高全宽为常数，要改变调制系数就必须改变激光器输出激光的频率变化幅值，而激光器输出激光频率的变化受高频载波信号的控制。实验中，通过改变载波信号的幅值达到改变调制系数的目的，设置调制系数从0.01mVpp到0.07mVpp共十三组数据，每间隔0.005mVpp采样一组。采集相同浓度条件下，二次谐波波形随高频载波信号幅值的变化如图1.28所示。图1.28(a)高频载波信号幅值为0.01Vpp、0.015Vpp、0.02Vpp、0.025Vpp对应二次谐波波形变化图；(b)高频载波信号幅值为0.03Vpp、0.035Vpp、0.04Vpp、0.045Vpp、0.05Vpp对应二次谐波波形变化图由图1.28所示，其中图（a）是高频载波信号幅值分别为0.01Vpp、0.015Vpp、0.02Vpp和0.025Vpp；图（b）是高频载波信号幅值分别为0.03Vpp、0.035Vpp、0.04Vpp、0.045Vpp