一種消除光纖傳感系統(tǒng)中二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種信號(hào)處理方法，具體的講是一種消除光纖傳感系統(tǒng)中二次諧波剩 余幅度調(diào)制的方法，屬于光纖氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多領(lǐng)域中痕量氣體的檢測(cè)和分析發(fā)揮著重要的作用，比如在煤礦中對(duì)甲焼氣 體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，高壓傳輸裝備中水蒸氣的檢測(cè)，W及在石油化工、冶金、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療中對(duì)痕量 氣體的檢測(cè)。光學(xué)檢測(cè)方法具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)；非接觸式遙測(cè)能力、測(cè)量的安 全性、傳感單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。相比其他光學(xué)檢測(cè)方法，可調(diào) 諧激光吸收光譜技術(shù)和波數(shù)調(diào)制光譜技術(shù)應(yīng)用更加廣泛，鎖相電路具有很窄的帶寬，能夠 充分濾除多余的噪聲。但是在可調(diào)諧激光吸收光譜和波數(shù)調(diào)制光譜中，當(dāng)半導(dǎo)體激光器的 輸出光的波數(shù)受到調(diào)制時(shí)，會(huì)伴隨著不同程度的光功率起伏，該種現(xiàn)象被稱為剩余幅度調(diào) 巧||。剩余幅度調(diào)制影響二次諧波的基線，使二次諧波的基線有一個(gè)輕微的傾斜，該是因?yàn)榘?導(dǎo)體激光器的功率/電流調(diào)制特性存在一個(gè)微弱的非線性。剩余幅度調(diào)制會(huì)引起信號(hào)的 偏移，使激光的噪聲通過鎖相電路輸出，因此剩余幅度調(diào)制會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。為降低 剩余幅度調(diào)制的影響，鄧廣福在論文"基于可調(diào)諧激光光譜的礦井瓦斯氣體傳感系統(tǒng)的研 究"（吉林大學(xué)博±學(xué)位論文）采取W下幾種方法：1.引入一個(gè)和剩余幅度調(diào)制等值反號(hào) 的信號(hào)，對(duì)偏差進(jìn)行補(bǔ)償；2.在采用封閉氣室的系統(tǒng)中，先測(cè)得零氣時(shí)的背景譜，然后將測(cè) 得的氣體吸收光譜減去該背景譜；3.通過減小氣體壓力縮小氣體的吸收線寬，此時(shí)可W將 調(diào)制幅度取值很小，剩余幅度調(diào)制也會(huì)降低；4.檢測(cè)高次諧波。但是，W上方法中對(duì)偏差進(jìn) 行補(bǔ)償難度較大，由于工作在常溫常壓下，氣體的吸收譜線較寬，調(diào)制幅度較大，所W剩余 幅度調(diào)制引起的背景信號(hào)很大。在開放光路系統(tǒng)中，很難測(cè)得零氣背景譜，并且高次諧波的 幅度很小，信號(hào)提取非常困難。
[0003] 為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，消除剩余幅度調(diào)制勢(shì)在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了消除剩余幅度調(diào)制的影響，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，本發(fā)明提出了一種消除光 纖傳感系統(tǒng)中二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法，利用除法預(yù)處理技術(shù)，把一路含有氣體濃度 信息的信號(hào)光I與另一路是不含氣體濃度信息的參考光I。相除。該樣能消除二次諧波的 剩余幅度調(diào)制，提高系統(tǒng)檢測(cè)的精度。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是按W下方式實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種消除光纖傳感系統(tǒng)中二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法，由W下光纖傳感系統(tǒng)來 實(shí)現(xiàn)，該光纖傳感系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器、ARM驅(qū)動(dòng)電路、溫度控制器、禪合器、氣室、光電探 測(cè)器a、光電探測(cè)器b、電流轉(zhuǎn)電壓電路a、電流轉(zhuǎn)電壓電路b、除法電路、鎖相電路和計(jì)算機(jī)， 其中ARM驅(qū)動(dòng)電路和溫度控制器分別與半導(dǎo)體激光器相連接，半導(dǎo)體激光器經(jīng)光纖與禪合 器相連接，禪合器經(jīng)光纖分別連接到氣室和光電探測(cè)器b，氣室的另一端經(jīng)光纖連接到光電 探測(cè)器a ;光電探測(cè)器a、光電探測(cè)器b的輸出端分別連接到電流轉(zhuǎn)電壓電路a和電流轉(zhuǎn)電 壓電路b，電流轉(zhuǎn)電壓電路a和電流轉(zhuǎn)電壓電路b的輸出端分別連接到除法電路的輸入端， 除法電路的輸出端連接到鎖相電路，鎖相電路和計(jì)算機(jī)相連接，該方法步驟如下：
[0007] (1)將上述光纖傳感系統(tǒng)連接好，將待測(cè)氣體放入氣室內(nèi)；
[0008] (2)溫度控制器用來控制半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的溫度，ARM驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出低頻梯 形波掃描信號(hào)與高頻正弦波調(diào)制信號(hào)，兩路信號(hào)疊加用來調(diào)諧半導(dǎo)體激光器發(fā)出光的波 數(shù)，當(dāng)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光的波數(shù)范圍包含一個(gè)或幾個(gè)待測(cè)氣體的吸收線的波數(shù)，光通 過氣室時(shí)，對(duì)應(yīng)波數(shù)的光將被待測(cè)氣體吸收，此時(shí)待測(cè)氣體對(duì)光的吸收遵守比爾一朗伯 (Beer-lambert)定律：
[000引 I = I0exp [-a ( U ) CL] (1)
[0010] 其中a (u)是吸收系數(shù)，c是待測(cè)氣體的濃度，L是氣室長度，I。是入射光強(qiáng)，I是 透射光強(qiáng)，U是波數(shù)；
[001。 （3)吸收系數(shù)a ( U )被定義為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種消除光纖傳感系統(tǒng)中二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法，由以下光纖傳感系統(tǒng)來實(shí) 現(xiàn)，該光纖傳感系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器、ARM驅(qū)動(dòng)電路、溫度控制器、稱合器、氣室、光電探測(cè) 器a、光電探測(cè)器b、電流轉(zhuǎn)電壓電路a、電流轉(zhuǎn)電壓電路b、除法電路、鎖相電路和計(jì)算機(jī)，其 中ARM驅(qū)動(dòng)電路和溫度控制器分別與半導(dǎo)體激光器相連接，半導(dǎo)體激光器經(jīng)光纖與耦合器 相連接，耦合器經(jīng)光纖分別連接到氣室和光電探測(cè)器b，氣室的另一端經(jīng)光纖連接到光電探 測(cè)器a;光電探測(cè)器a、光電探測(cè)器b的輸出端分別連接到電流轉(zhuǎn)電壓電路a和電流轉(zhuǎn)電壓 電路b，電流轉(zhuǎn)電壓電路a和電流轉(zhuǎn)電壓電路b的輸出端分別連接到除法電路的輸入端，除 法電路的輸出端連接到鎖相電路，鎖相電路和計(jì)算機(jī)相連接，該方法步驟如下： (1) 將上述光纖傳感系統(tǒng)連接好，將待測(cè)氣體放入氣室內(nèi)； (2) 溫度控制器用來控制半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的溫度，ARM驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出低頻梯形波掃 描信號(hào)與高頻正弦波調(diào)制信號(hào)，兩路信號(hào)疊加用來調(diào)諧半導(dǎo)體激光器發(fā)出光的波數(shù)，當(dāng)半 導(dǎo)體激光器發(fā)出的光的波數(shù)范圍包含一個(gè)或幾個(gè)待測(cè)氣體的吸收線的波數(shù)，光通過氣室 時(shí)，對(duì)應(yīng)波數(shù)的光將被待測(cè)氣體吸收，此時(shí)待測(cè)氣體對(duì)光的吸收遵守比爾一朗伯定律： I=I〇exp[-a(u)CL] (1) 其中a(u)是吸收系數(shù)，C是待測(cè)氣體的濃度，L是氣室長度，L是入射光強(qiáng)，I是透 射光強(qiáng)，u是波數(shù)； (3) 吸收系數(shù)a(u)被定義為：
其中，％為中心吸收波數(shù)，a^為在中心吸收波數(shù)處的吸收系數(shù)，y為吸收線半寬； ⑷因?yàn)閍 (U)CL〈〈1，因此 exp[_a(u)CL] ^ 1-a(u)CL(3) (5) 當(dāng)半導(dǎo)體激光器的輸出光的波數(shù)受到調(diào)制時(shí)，會(huì)伴隨著不同程度的光功率起伏，在 可調(diào)諧激光吸收光譜和波數(shù)調(diào)制光譜中，利用低頻梯形波掃描信號(hào)和高頻正弦波調(diào)制信號(hào) 疊加進(jìn)行驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)波數(shù)掃描，考慮到強(qiáng)度調(diào)制的影響，因此信號(hào)光強(qiáng)為： 1= [^u^ + A^Uj) ? cos (w t) ] ? exp [-a ( u ) CL] (4) 其中I(u^為梯形波掃描信號(hào)的功率，AI(u^是正弦波調(diào)制信號(hào)的功率，ui為半導(dǎo) 體激光器的中心波數(shù)，《為正弦波調(diào)制信號(hào)的角頻率，參考光強(qiáng)為： I〇=I(ui) +AI(u 1) ?c〇s〇t) (5) (6) 將兩路信號(hào)輸入到除法電路，除法電路的輸出結(jié)果為： I〇ut= I/I 0 =exp[-a(u)CL] (6) ^ 1-a(u)CL 從除法電路的輸出結(jié)果看出它能抑制強(qiáng)度噪聲； (7) 在可調(diào)諧激光吸收光譜和波數(shù)調(diào)制光譜中，利用高頻正弦波調(diào)制使激光器輸出光 的波數(shù)呈正弦變化，激光器輸出光的波數(shù)如下： u=u6"?cos(cot- ￥) (7) 其中^為半導(dǎo)體激光器的中心波數(shù)，S"為波數(shù)調(diào)制幅度，V為頻率調(diào)制和幅度調(diào)制 相位差； (8) 令 0 =cot-v(8) 所以u(píng)=u汴 5 " ?cos0 (9) 令吸收系數(shù)a(v) =aQ?f(0) (10) 其中
a0=N〇S/ 3iy(12) 上述（11)、（12)式中m為調(diào)制深度，隊(duì)為單位壓強(qiáng)、單位體積吸收氣體的總粒子數(shù)，S為分子吸收線強(qiáng)度； (9) 利用傅里葉級(jí)數(shù)把f( 0 )展開：
(10) 把（10)、（13)式帶入到中（6)式中，得到輸出Iwt如下： I〇ut=l_a 〇CLa〇(U：)-〇oCLa^U1)cos(wt-￥) (16) -a〇GLa2 〇jcos(2wt_2 ￥) _ajcos(3wt-3 ￥) _? ? ? (11) 通過鎖相電路檢出（16)式中含有2?的項(xiàng)，其中二次諧波信號(hào)為： I2u=-a0CLa2(u1)cos(2c〇t-2 ￥) (17) 從（17)式中可以看出，鎖相電路輸出的信號(hào)只含有2?的頻率分量，不含有其他的頻 率成分，因此利用除法電路和鎖相電路能消除剩余幅度調(diào)制對(duì)二次諧波的影響。
【專利摘要】一種消除光纖傳感系統(tǒng)中二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法，屬于光纖氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器作為氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的光源，其發(fā)出的光通過耦合器一分為二，一路經(jīng)氣室后打到光電探測(cè)器a上，另一路直接打到光電探測(cè)器b上，兩路光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，一路是含有氣體濃度信息的信號(hào)光I，另一路是不含氣體濃度信息的參考光I0。利用除法電路將兩路信號(hào)相除，其結(jié)果輸入到鎖相電路，得到?jīng)]有剩余幅度調(diào)制的二次諧波信號(hào)。除法是一種預(yù)處理技術(shù)，將兩路信號(hào)相除，能完全消除剩余幅度調(diào)制對(duì)二次諧波的影響，同時(shí)還能消除強(qiáng)度噪聲提高信噪比。因此利用除法電路處理兩路信號(hào)能提高氣體濃度檢測(cè)的精度。
【IPC分類】G01N21-39
【公開號(hào)】CN104568835
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510031243
【發(fā)明人】常恒泰, 常軍, 田長彬, 賈傳武, 姜浩
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日