[发明专利]一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法

说明书

本发明公开了一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，该方法在传统波长调制信号的基础上叠加了另一高频正弦信号，针对该种激光激励方式建立了双频率波长调制的傅里叶分析模型，理论推导了各次谐波表达式，研究了不同调制参数对谐波信号的影响并通过全局寻优算法确定了最佳调制参数。在此基础上，确定了双频率波长调制频率响应关系的函数表达式。相比于传统单频率波长调制方法，本发明提出的测量方法具有更高的信噪比，测量结果的稳定性更强，并且在弱吸收情况下的谐波峰值位置更易于判断，具有更大的应用潜力，本发明方法仅改变了激光器的注入电流激励方式，对硬件成本要求低，并可应用于多次反射池等系统进一步降低气体浓度的检测下限。

技术领域

本发明涉及一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，用于气体浓度测量，属于激光吸收光谱技术领域。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)充分利用了分布反馈式激光器的窄线宽和可调谐特性，实现了气体分子单根吸收谱线的快速扫描和测量，具有检测下限低、灵敏度高、响应速度快、非侵入等优点，已被广泛应用于近红外波段的痕量气体探测、环境保护与污染排放监测、燃煤锅炉的燃烧诊断和航空航天发动机检测等方面。然而由于大多数分子的振转带位于红外频谱区，而该波段内分子的吸收强度较弱，探测灵敏度低，因而改善目标气体检测系统的信噪比，提高系统的检测灵敏度已成为TDLAS技术的重要研究方向之一。

国内外学者对提高TDLAS技术探测灵敏度进行了一系列研究，如使用多次反射池增加吸收光程、对采集信号使用特殊的运算法则进行数据处理等常规方式。目前高灵敏度的光谱调制技术在提高痕量气体检测信噪比方面得到了广泛应用，该方法利用了透射光强在高频调制频率分量上的强度信息，可以抑制低频背景噪声对微弱吸收信号影响，从而显著提高探测灵敏度。如波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)和频率调制光谱技术(Frequency Modulation Spectroscopy，FMS)。两者的主要差别在于调制频率与调制幅度上，FMS对光电探测器的响应速度、信号发生及采集系统采样率等硬件要求较高。FMS和WMS多应用于气体的标定检测，需要在已知的体系中校准，这在大多数环境中是难以实现的。此外，气体温度、压力及标准具效应(平行平面产生的干涉条纹)发生变化时给所测气体参数带来极大的不确定性，不适合现场恶劣的测量环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，该方法具有高的信噪比和检测灵敏度，能够实现良好的测量稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

一种基于吸收光谱技术的双频率波长调制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，对双频率波长调制的激光激励方式进行傅里叶分析，理论推导出n次谐波的X和Y方向分量，对应的表达式为：

式(1)和式(2)中，为未加调制时的激光器光强，H_k、J_k为k次傅里叶系数，i_1，k、i_2，k分别为k次光强调制频率f₁、f₂对应的傅里叶系数，为分别对应的k次光强调制的初始相角；其中，R＝f₂/f₁，δ_nk为符号函数，当n＝k时，其值为1，否则为0，sgn(x)为符号函数，表示当x＞0时，其值为1，当x＜0，其值为-1，x＝0时，其值为0；

当吸收为零，即满足τ(t)＝0时，H_k＝δ_k0，J_k＝0，代入式(1)、(2)，得到无吸收时的X分量和Y分量的表达式为：