Laser spectroscopic oxygen sensor using diffuse reflector based optical cell and advanced signal processing

In this paper, an improved signal processing method is given, aiming at a sensitivity improvement of the tunable diode laser spectroscopy based gas concentration measurement. The gas absorption spectrum is probed with an optimum wavelength scanning function which enables a more efficient curve fit than for traditional linear wavelength scanning. The wavelength scanning function is determined to be optimum, in the sense that the variance of the estimated concentration noise is minimized. This optimum scanning function depends on the signal model used in curve fitting. Several models including interfering gas spectra and etalon fringes are examined. Compared to the gas absorption spectrum recorded by ramping the wavelength linearly, the optimum spectrum waveforms have a cascade structure, which means that the optimum scanning preferably samples important points of the spectrum. The new method theoretically enables a factor of ∼2 improvement on detection sensitivity of the estimated concentration. Furthermore, direct spectroscopy is superior to second harmonic detection, because the concentration noise can be an additional factor of ∼2 lower.     

Broadening-independent demodulation for wavelength modulation spectroscopy based on even-order harmonics

The line broadening of gas absorption spectrum is a significant but unknown factor in traditional demodulation of wavelength modulation spectroscopy, which is a kind of tunable diode laser absorption spectroscopy in weak absorption cases. In this paper, another signal demodulation method based on some simple algebraic operations with the amplitudes of the zero-, second-, and fourth-order harmonics was proposed. With this method the effect of spectrum broadening could be selfeliminated. That makes the amplitude of the demodulated signal is irrelevant to the broadening, and enables the direct and fast measurement without complex simulations and curve fittings in traditional method.     

一种移动式遥测天然气泄漏检测仪

天然气管道泄漏检测对人员安全、环境保护以及国家财产安全等具有重要的意义,但是,由于管线跨越地域广阔,操作工况以及环境情况复杂,致使管线的泄漏检测存在困难。文章介绍了一种基于波长扫描差分吸收光谱技术的移动式遥测天然气泄漏检测仪。针对遥测回波吸收光谱特性,提出了基于小波变换的改进型软阈值小波去噪方法,实验分析能够提高系统信噪比3倍多,同时在遥测光强为530nA时,可达到的最小遥测灵敏度为80ppm.m,系统采用波长扫描差分吸收光谱技术成功实现天然气泄漏的定量遥测与准确定位,具有快速、准确、智能及安全等特点。     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波检测方法的研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现痕量气体吸收曲线二次谐波检测的一种新技术,具有高灵敏、高选择性、高精度等特点。理论分析和实验结果表明:利用二次谐波检测到的信号特征除了与被测气体的吸收特征有关外,还与波长扫描参数和电流调制参数有密切的关系。通过研究不同波长的扫描参数和在功率调制参数下的二次谐波曲线,分析了它们的波形特征和稳定性,以便寻求最佳的波长扫描参数和功率调制参数,从而使二次谐波曲线的稳定性和形状达到最佳。     

基于Gabor变换的TDLAS检测信号的降噪研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术结合波长调制光谱(WMS)技术是用于痕量气体检测的重要技术手段。通过锁相放大器进行谐波检测,对解调得到的二次谐波信号进行分析可获得气体吸收的信息。但由于二次谐波信号受到噪声的影响,降低了检测系统的精度和稳定性。为了提高TDLAS检测系统的信噪比(SNR),提出了一种基于Gabor变换对二次谐波信号进行数字滤波降噪的方法。以CH₄在1 653.72 nm处的吸收光谱为例,通过仿真和实验对该降噪方法的有效性进行了验证。仿真结果表明,通过Gabor变换对信噪比为0dB的二次谐波信号进行处理后,系统的信噪比可提高15.73 dB。实验结果表明,基于Gabor变换进行降噪处理后,CH₄浓度在0.001%～0.02%区间内与二次谐波峰值的线性相关系数r达到了0.996 59,且系统的检测精度和稳定性明显提高。     

基于谱线线型函数的气体浓度检测技术

快速、精确地测量微量气体浓度的技术在大气质量分析、环境污染检测等领域具有广泛的用途。在红外光谱检测技术中,气体吸收光谱的谱线线型函数是定量测量气体浓度的一个重要参量,而如何准确和快速地得到气体谱线线型函数值是气体浓度测量中的一个关键问题。首先从理论上分析了谱线线型函数,得出计算谱线线型函数的一般方法及探讨了气体浓度与谱线线型函数峰值之间的关系。然后,利用可调激光器及光谱仪检测系统测量了乙炔在1 515～1 545 nm波长范围内的吸收光谱,再通过Lambert-Beer定律计算得到在不同频率下的谱线线型函数峰值,最后利用程序拟合出该波段内气体的谱线线型函数峰值分布曲线,并与Voigt线型函数理论计算值进行了比较,发现理论计算的谱线线型函数峰值仍存在一定的偏差。相比理论计算结果,所提出的检测方法得到的乙炔浓度与真实的乙炔浓度值更加吻合,表明了通过实验确定的谱线线型函数的经验公式可以更好地用于气体浓度的检测。由于利用实验测量值获得了谱线线型函数峰值分布的拟合曲线,因此可以快速准确地计算出所对应的谱线线型函数峰值,从而大大地简化了线型函数的计算过程。实验所获得的数据可应用于光学遥测乙炔气体浓度,且提供的方法也可以应用到其他气体的谱线线型函数峰值的测量中。     

基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、灵敏度高、精确度高、非侵入式测量等优点,被广泛应用于大气环境监测、燃烧流场诊断、工业过程控制、人体呼吸探测等领域。直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段,其中直接吸收技术测量系统结构简单、信号处理相对容易、成本较低、避免提前标定,在测量气体为常量组分时广泛使用。直接吸收技术测量气体浓度时,首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号,这一过程被称为基线拟合。基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差,这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。针对上述问题,基于梯度下降法,将基线、气体浓度、吸收线型等作为未知量,通过建立激光吸收光谱信号的数学模型,对透射信号直接拟合,最终得到气体的浓度信息。这种方法同步拟合了线型和基线,相比传统的积分面积法,增强了拟合的整体一致性。在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上,利用中心波长在1 580 nm处的分布反馈式激光器,通过该方法对实际浓度为10%,12%,14%,16%,18%和20%的CO₂进行了测量,并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。研究结果显示,六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10-4,测量浓度的最小相对误差仅为0.90%,最大相对误差为4.40%,此时迭代时间在4 s以内,计算检测限为0.39%;直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%,直接拟合法优于积分面积法。实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性,为直接吸收技术提供了一个新的思路。     

基于低功率分布反馈激光器和数字锁相技术的高灵敏光声气体传感器

光声信号强度与光功率成正比,然而,高功率激光光源存在功耗高、驱动控制电路复杂、低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点,此类光源多集中在>6 μm波段,难以实现对基频吸收带位于2～6 μm波段的分子进行有效探测。而且,基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大,不能满足多点连续移动监测工作的需要。利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法,在3～4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。使用的ICL靶向乙烷(C₂H₆)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法,结合波长调制光谱技术,实现了高灵敏检测,同时,有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。首先,结合系统原理结构,顺次介绍了设计方案以及光、电等模块的设计细节。分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况,以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响,最终确定系统工作气压为200 Torr。然后,通过对100～1 000 nmol·mol-1共6种浓度C₂H₆进行单周期光谱扫描测试分析,推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试,系统线性性能良好,相关度为0.999 65,同时,明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系。最后,通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V,由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。介绍的新型中红外C₂H₆传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量,而且,使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积,弥补了使用商用仪器占用体积大的不足,为将来实现小型化、移动式测量的目标奠定了一定基础。此外,对于功率消耗无限制的其他应用,可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度,并应用于更多场景。     

相敏式激光啁啾色散光谱技术在高吸收度情况下的应用

研究了相敏式激光啁啾色散光谱法在高吸收度情况下的应用.用窄频半导体激光器作为光源,利用一工作于载波抑制模式的铌酸锂电光强度调制器调制单频激光,在单频激光两侧产生两个边频分量,并通过两边频分量产生外差干涉信号.利用外差干涉的相位波动来测量甲烷气体位于1653.7 nm附近的折射率波动,通过气体折射率与吸收系数之间的Kramers-Kronig关系计算甲烷气体浓度.传统的波长调制光谱法受限于郎伯-比尔定律,在应用于高吸收度的情况时,存在灵敏度下降的问题,甚至出现随气体浓度上升输出信号反而下降的现象.实验结果显示,相同实验条件下,波长调制光谱法的线性测量范围为38.1—1500 ppm·m,线性测量的动态范围仅为16 d B;而相敏式激光啁啾色散光谱法在很大的吸收度范围内均具有线性输出,检出限低至47.3 ppm·m,线性测量范围上限为174825 ppm·m,具有超过35 d B的动态范围.     

基于多模二极管激光吸收光谱的氧气浓度测量

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高选择性和快速响应等特点,被广泛应用于环境监测、工业生产监控和生物医疗等众多领域。为克服传统TDLAS技术成本高以及长时间工作过程中由于中心波长偏移造成的稳定性差等问题,提出了利用多模二极管激光关联光谱和谐波检测技术实现氧气浓度在线监测的研究。以Fabry-Perot(FP)激光器为光源,通过对760 nm附近氧气分子的多条吸收谱线的探测,实现了对氧气浓度的测量。输出光束被分光系统分成两路信号,分别经过样品池和测量池,双路接收采集含有气体浓度信息的光信号送后级处理,通过测量信号和参考信号之间的相关性及比例关系对氧气浓度进行反演,其中关联光谱技术和谐波检测技术被用于提高系统稳定性和信噪比。结果表明,在1个大气压条件下,系统的探测极限为280 ppm·m,对同一样品在30 min内的30次连续测量的标准偏差为0.056%,表明了系统良好的稳定性。该系统在软、硬件上的设计可以满足氧气的在线监测,且系统稳定性高、装置简单、易用,便于复杂环境应用。     

一种中红外腔增强甲醛检测系统的研制

介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统。系统采用了发射中心波长为3.6 μm的带间级联激光器为光源,以高精度F-P谐振腔作为气体反应池,通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径。为了实现甲醛检测,利用Pound-Drever-Hall（PDH）技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波长为3 599.08 nm的甲醛吸收峰上。实验发现,谐振腔腔长容易受到外界环境的影响产生变化,导致系统失去锁定,产生测量误差;为了抑制这一现象,提高系统的准确性和抗干扰性,采用了动态PDH锁定技术,通过低频锯齿波信号对腔长进行小范围内的周期性调制,使得腔谐振频率在目标气体吸收峰附近缓慢来回变化;通过选择合适的扫描范围使得在扫描过程中激光与谐振腔保持频率锁定。系统通过光电探测器采集谐振腔透射光强信号,通过对腔透射信号进行拟合计算来确定甲醛浓度。为了验证检测系统的有效性、评估系统的性能,采用质量流量计配备了6种不同浓度的甲醛气体样品并开展了甲醛吸收光谱测量实验、系统标定实验和稳定性实验。实验结果显示,在0～10 mL·L-1范围内,腔透射信号拟合值与甲醛浓度之间呈现出良好的线性关系;通过Allan方差分析得到当积分时间为1 s时系统检测下限为52.8 nL·L-1,积分时间为14 s时检测下限可以降至3.3 nL·L-1。此外,通过增加谐振腔的腔镜反射率和腔长可以提高有效吸收路径,进一步降低检测下限。该系统灵敏度高、响应速度快,具有较好的抗干扰性和长期稳定性,在痕量甲醛检测方面具有广阔的应用前景。     

调谐激光吸收光谱波长偏移修正算法研究

可调谐半导体激光器具有线宽窄、波长扫描快、室温工作等特点,基于可调谐半导体激光器构成的激光吸收光谱气体测量系统在大气环境检测、工业生产过程在线检测中得到了广泛的应用。在实际测量系统中,由于可调谐半导体激光器中心波长受温度等因素的影响发生偏移,如不进行中心波长校正,将造成序列光谱数据重叠,处理后的光谱线型发生展宽,进而影响后续的光谱线型拟合,对气体浓度的反演精度产生影响。一般采用参考光谱吸收谱线寻峰方法进行序列光谱数据偏移的对齐,但光谱数据中的随机噪声、背景噪声、漂移噪声等因素影响峰线波长的精度。为了降低上述因素的影响,提出一种改进的时域相关光谱修正算法,首先对光谱信号进行自相关,在一定程度上提高光谱信号的信噪比,然后再进行时域互相关处理,能够准确的计算出激光器波长偏移量,减少由此造成的光谱线型展宽的影响,提高了浓度反演精度和测量稳定性。在激光吸收光谱气体浓度检测实验系统中进行了实验验证,评估结果中,原始数据标准差为1.482 8,谱线寻峰方法与时域相关方法修正后数据标准差分别为0.433 9和0.293 6,改进的时域相关修正方法修正后数据标准差为0.132 5,改进的时域相关修正方法相关系数均优于0.992,欧式距离的标准差为1.726 4。系统稳定性评估中改进方法波长漂移修正后标准偏差为0.144 3。     

基于谱线频率特征的调谐二极管激光吸收光谱参数分析

调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高分辨率、高灵敏度和快速测量等优点在工业生产、环境污染监测等方面受到广泛应用。波长调制光谱（wavelength modulation spectrum, WMS）的二次谐波信号经常用作气体浓度反演的检测信号。TDLAS检测性能与系统参数,如锁相放大器的时间常数、扫描幅度、扫描频率、调制幅度、调制频率等的选取紧密相关,实际测量中各参数的选择多以谱线形态特征为依据,参数之间的关联性未能得到较好体现。由于信号的采样与处理均在频域对谱线产生作用,各参数之间的作用相互关联。然而很少有研究参数对谱线频域的影响,针对此问题,在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响。通过保持其他参数不变,只改变一个参数的方法,得出各个参数对信号线型、频率特征及噪声引入的影响规律,继而分析并验证了多参数联合变化对谱线频带的决定作用。与基于时域特征的传统方法相比,基于谱线频率特征分析一方面具有与谱线信号采集检测处理机理相近的优点,另一方面可以直观得到各参数对主频带的影响和不同频率信号的衰减趋势。总结出基于频率特征的各参数的基本选取方法,以谱线频带和截止频率相互关系为判定标准,截止频率的大小由锁相放大器时间常数决定。通过设置合适的时间常数和扫描参数使信号频带与截止频率相近但不相交,使谱线频带内频率分量不产生衰减,频带外噪声得到最大抑制;再根据锁相放大器的性能和信号信噪比来确定调制参数,使谱线主频幅度最大;最后根据系统需求确定采样率。单周期采样点不变时,低扫描频率时检测精度相对提高但耗时较长;反之,扫描频率提高,速度变快但检测精度下降。通过联合影响规律调整关联参数,减小硬件限制对参数最优值选取造成的影响。可在考虑系统检测需求与硬件条件限制的前提下,通过参数选择得到最优二次谐波信号,为此技术的实际应用提供了参数优化的实验依据与参考方法。     

基于量子级联激光器和长光程气室的甲烷传感器

根据中红外光谱吸收原理,利用甲烷(CH₄)气体分子在7.5 μm处的基频吸收特性,设计了一种基于量子级联激光器(QCL)和新型多反射长光程气体吸收气室(MPC)的甲烷气体传感器。该仪器使用了可进行热电冷却、工作在脉冲方式下、中心波长为7.5 μm的QCL,通过在室温条件下调节其注入电流(500 mA～1.6 A调节范围),其出射光波长可以扫过CH₄(1 332.8 cm-1)气体吸收线。同时使用了一种紧凑型MPC(40 cm长,800 mL采样容积),使得系统有效总光程达到16 m。此外,系统中使用了参考气室,并加入了空间滤波光学结构以满足MPC对入射光束的要求,配合差分吸收光谱检测原理,有效地改善了光束质量,降低了由光源波动引起的噪声,提高了仪器的检测灵敏度。通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测,该仪器的稳定性能良好,按信噪比为1计算,可实现对甲烷气体的检测下限为1 μmol·mol-1。     

调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性,扫描待测气体特征吸收线,从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果,检测限低于体积比1.2×10-6,与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单,自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测,该方法不用加信号调制和锁相放大器,直接探测待测气体的吸收光谱,从而降低成本,减小系统装置体积,易于集成为便携式痕量气体检测仪。     

激光器特性在痕量气体检测中的影响

研究了激光器扫描步长和线宽两种特性对可调谐半导体激光吸收光谱检测系统的影响,理论上推导出激光与气体吸收谱线的作用原理,分析出扫描信号(锯齿波)的台阶间隔和高度影响激光器中心波长的扫描原理.设定了仿真参数,仿真出锯齿波台阶数与最大扫描误差关系曲线,得出扫描信号的一个周期内具有4000个台阶时,半高全宽(FWHM)大于0.01 cm-1,误差小于1‰;仿真出激光器线宽与最大幅值、线宽误差关系曲线,给出线宽误差最大为1%,0.5%时激光器线宽对应的最小FWHM.在温度系数n取0.9,大气展宽系数γair取0.005的条件下,给出温度T,压强P与FWHM关系图,推出了适用的压强与温度范围.为指导选取激光器与气体吸收谱线、提高系统检测限提供了相关理论依据.     

采用小波分析方法降低可调谐半导体激光吸收光谱技术测量下限的实验研究

基于可调谐激光吸收光谱技术,主要采用数据处理的方法如互相关、小波分析等降低光谱吸收技术的测量下限。采用可调谐激光吸收光谱技术中的波长调制技术,对较低浓度下的NH₃进行了降低测量下限的试验研究。采用近红外波段2.25 μm附近的一组ν₂+ν₃ NH₃吸收谱线,其强度远高于1.5 μm处谱线,结合波长调制技术在最优信噪比的条件下对常温常压下不同浓度的NH₃进行了测量。为了保证实验条件下测量得到的二次谐波信号的峰值高度达到最大且信噪比最优,实验在调制系数为2.2左右的情况下,通过加载最优的高频调制信号来保证信噪比(SNR)。在10 m长的Herriott池中探测到了浓度为0.6×10-6的二次谐波信号,其中信号处理部分主要采用相关分析、多次平均以及小波变换分析来控制中心波长的移动和降低噪音的干扰。结果表明,经过数据处理以后的谐波信号,其检测下限降低到处理前的约百分之一,且不需要增加任何实验设备就可以很好的抑制噪音的影响,将相关分析和小波分析与波长调制技术相结合,这种数据处理方法对于在线检测技术具有很好的实用价值。     

基于TDLAS-WMS的痕量甲烷气体检测仪

甲烷是一种无色、无味、易燃、易爆的气体,不仅造成煤矿作业的重大安全隐患,而且又是温室效应的重要气体之一,对于甲烷气体的监测具有极其重要的意义。采用混合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用甲烷的2v3(第二泛频带)带R(3)支带吸收谱线,设计并研制出痕量甲烷气体检测仪。通过调谐系数-0.591 cm-1·K-1,采用改变DFB激光器工作温度的方式来获得甲烷在1.654 μm处的最佳吸收谱线。待DFB激光器激射中心谱线选择后,通过调节其注入电流幅值来获得合适的发光强度。同时,结合频率调制技术将待测信号频率移至高频区,减小1/f噪声。在光学结构方面,采用有效光程为76 m的herriott气室,确保对痕量甲烷气体进行检测。利用该痕量甲烷气体检测仪,在被测气体浓度为50～5 000 μmol·mol-1的范围内,对二次谐波信号进行了提取,并利用最小均方误差准则分别对气体浓度、信噪比的关系、谐波峰值信号与气体浓度的关系进行了线性拟合,最低检测限达到了1.4 μmol·mol-1。实验表明,谐波波形对称性良好,未观察到强度调制现象,消除强度调制等因素对谐波检测的影响。     

可调谐半导体激光吸收光谱技术检测痕量乙烯气体的系统研制

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)利用激光器的窄线宽和波长调谐特性,使其扫描被测气体的单个吸收峰,实现痕量气体的高分辨率、高灵敏度快速检测。通过分析近红外波段的乙烯吸收谱线特性,选取1 626.8 nm附近的吸收峰作为检测谱线,研制了基于white池结构的TDLAS检测系统,结合波长调制和二次谐波检测,对体积分数为20～1 200 ppmv的乙烯气体进行了测量,推算该系统的检测下限约为10 ppmv。     

中红外谐波检测背景信号漂移的修正方法

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)由于具有高灵敏度、高分辨率、非侵入及实时检测等特点,被广泛应用于燃烧诊断、痕量气体监测、工业过程控制等领域中.波长调制光谱(WMS)的二次谐波(2 f)检测是最常用的TDLAS气体传感方法之一.激光器作为TDLAS-WMS在线检测系统中最核心的部件之一,在长期运行过程中会由于其工作...