用于在吸收光譜法中修正入射光波動的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明一般地設及吸收光譜法且特別地設及可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法。特別 地，本發(fā)明應用于由諸如工業(yè)、醫(yī)學或生理過程之類的人工或自然過程產(chǎn)生的氣體中的一 個或多個種類（species)的檢測和測量。
【背景技術】
[0002] 可調(diào)諧激光器波長調(diào)制光譜法在各種應用中被廣泛地使用。一個此類應用是物質(zhì) 中的化學種類（被測對象）的量的量化，特別是在其中傳統(tǒng)技術不適當或拙劣的人工或自 然過程中，諸如工業(yè)、醫(yī)學或生理過程氣體分析。
[000引典型系統(tǒng)包括可調(diào)諧激光源，諸如可調(diào)諧二極管激光器CTOL)，其發(fā)射聚焦在檢測 器上的光束。將要分析的物質(zhì)放置在可調(diào)諧激光源與檢測器之間，使得入射在檢測器上的 光由于通過物質(zhì)的光通路而改變。對光的修改使得能夠由被禪合到檢測器的信號處理系統(tǒng) 來確定被測對象的各種參數(shù)。在某些情況下，要分析的物質(zhì)是由工業(yè)過程產(chǎn)生的氣體，并且 被測對象可W是存在于此過程氣體中的一個或多個化學種類。被測對象種類的示例包括但 不限于氣態(tài)水、化、CO和C02和諸如甲燒之類的碳氨化合物?？墒褂靡粋€或多個IDL來確定 該些被測對象種類中的一個或多個的存在和/或量分數(shù)（濃度）。
[0004] 在激光氣體分析儀系統(tǒng)的操作中，在被測對象的一個或多個吸收線上掃描由TDL 發(fā)射的光束的波長。在所掃描波長范圍內(nèi)的某些特定波長下，光被被測對象吸收，并且可W 通過測量通過要分析物質(zhì)透射的光來檢測該些光譜吸收線。該允許獲取所需光譜信息W不 僅確定被測對象的量分數(shù)，而且確定壓力、溫度或背景混合物組成的影響。在某些情況下， 可W使用單個激光源來測量多個被測對象。在該些情況下，跨包括用于所述多個被測對象 中的每一個的至少一個可分辨吸收線的波長范圍掃描激光源的輸出波長。
[0005] 在設計得很好的系統(tǒng)中，波長調(diào)制技術提供非常高的靈敏度和增強的光譜分辨 率。特別地，二次諧波波長調(diào)制光譜法由于其應對在包括擁擠吸收光譜、靈敏痕量級測量和 遮蔽光學透射的工業(yè)過程中遇到的多種光譜情況的能力而非常適合于氣體分析。
[0006] 檢測器響應與通過被測試物質(zhì)透射的光強度成比例，其依賴于通過被測試物質(zhì)透 射的光強度W及吸收波長下的被測對象的量分數(shù)。因此，由激光源或通過被分析物質(zhì)的透 射引起的光強度的波動將引起被測對象的量分數(shù)測量結果中的不確定性。
[0007] 該用W下關系式示出，其中，等式[1]表示光學吸收的比爾-朗伯定律，其中，U是 被測對象的每單位長度的分子密度，I是所檢測光量，I。是入射光量（當分子密度為零時， 等于未吸收量），V是光的頻率且k是吸收系數(shù)。
[000引
[1]
[0009] 在任何特定頻率下檢測到的光量的變化fi/C;'))與分子密度變化技有關，如由等 式[2]給出，等式[2]還示出了由于入射光量的變化巧/?)而引起的不確定項。
[0010]
[2]
[0011] 檢測器處的入射光強度的變化可由除被測對象的濃度之外的許多因素引起。例 如，變化可W由激光輸出的固有波動、過程樣本流中的環(huán)境光強度水平和/或遮蔽的變化 而引起，該變化可由灰塵、柏油、腐蝕或光束不對準的任何組合而引起。環(huán)境光強度的遮蔽 和改變在烙爐中是可預期的。如果入射光的變化未被修正，則該將導致已處理被測對象濃 度的測量不確定性。已開發(fā)了某些現(xiàn)有技術W處理該些誤差來源。然而，該技術并不非常 適合于與T化一起使用。
[0012] 減小來自環(huán)境光的誤差的一個已知技術是使用干擾濾波器來阻擋來自環(huán)境光源 的大量寬帶光。然而，少但顯著的量的環(huán)境光將通過被用于測量的濾波器通帶是不可避免 的。用于消除由此殘余環(huán)境光引入的誤差的現(xiàn)有技術將周期性地關掉激光器。該允許測量 并修正殘余環(huán)境光的水平。具體地，開和關狀態(tài)之間的檢測器信號的差指示入射激光的量， 因此允許確定并補償殘余環(huán)境光。然而，為了利用該種技術，必須頻繁地關掉激光器，因為 環(huán)境光水平通常將在相對短的時間標度內(nèi)不可預測地改變，并且該種技術并不非常適合于 與可調(diào)諧二極管激光器一起使用。問題是反復地開啟和關掉二極管激光器引起二極管激光 器內(nèi)的顯著歐姆加熱，該是有問題的，因為歐姆加熱還影響激光器的輸出光束的波長。此動 態(tài)響應稱為歐姆加熱擾動。因此，當將該種技術與T化一起使用時，激光波長掃描遭受大的 線性誤差，其使測量的吸收線形狀失真。
[0013] 解決由激光輸出功率中的固有波動引起的誤差的一個可能技術是在正在進行測 量的同時監(jiān)視激光輸出功率?？蒞在未被被測對象或其他干擾化學種類吸收的'中性'波 長下監(jiān)視激光輸出功率，并且可W將此信號與參考值相比較W允許修正任何變化。該導致 測量信號被標準化成用于入射光量的參考值。該種技術在擁擠吸收光譜中可能是不切實際 的且可能導致誤差。
[0014] 補償由激光輸出功率中的波動引起的入射光的變化的替換方法是同時地執(zhí)行二 次諧波波長調(diào)制光譜法和一次諧波調(diào)制光譜法。一次和二次諧波調(diào)制光譜法對于本領域的 技術人員而言是已知的且在該里將不會進一步描述。通過取二次諧波信號與一次諧波信號 的比，獲得理論上獨立于用于光學薄體系、即弱吸收的入射光變化的量。然而，第一諧波信 號的包括消除了單獨使用二次諧波信號的增強光譜分辨率優(yōu)點。因此，任何干擾背景吸收 將引起該比的測量不確定性。該意味著該種技術并不非常適合于其中在被測對象旁邊存在 許多不同種類的情況，特別是如果該些種類具有接近于被測對象的那些甚至與之重疊的吸 收線的話。例如，在從工業(yè)過程輸出的過程氣體中情況常常如此。另外，實現(xiàn)比標準波長調(diào) 制光譜法系統(tǒng)更加困難，因為要求兩個單獨的信號處理通道W用于同時的第一和第二諧波 檢測。
[0015] 當與TOL-起使用時，此技術的另一復雜化是當使用偏流來調(diào)制激光二極管時始 終存在的殘余振幅調(diào)制（RAM)向上述比添加附加的測量不確定性。雖然可W通過表征二極 管激光器強度調(diào)制性質(zhì)來修正RAM不確定性，但該些調(diào)制特性隨二極管激光器溫度和偏流 設置而改變。二極管激光器正常地是溫控的，該是實現(xiàn)頻率穩(wěn)定性所必需的，并且在理想情 況下，二極管激光器溫度是無條件穩(wěn)定的，并且調(diào)制特性因此也是穩(wěn)定的。然而，對于必須 應對很寬的環(huán)境溫度擺動的粗趟工業(yè)分析儀而言，甚至最好的二極管激光器溫度控制也將 經(jīng)歷由于有限的熱控制增益而引起的某些殘余溫度變化。在某些情況下，殘余溫度變化可 能顯著到足W要求二極管激光器頻率到測量吸收線上的重新調(diào)諧。
[0016] 此外，RAM的量取決于二極管激光器的頻率調(diào)制靈敏度，因為調(diào)整偏流調(diào)制振幅W 實現(xiàn)充分的頻率調(diào)制范圍，W便從波長調(diào)制光譜法獲得適當?shù)男盘?。然而，頻率調(diào)制靈敏度 在不同類型的二極管激光器之間改變。例如，分布式反饋值FB)結構激光二極管具有相當 低的頻率調(diào)制靈敏度，通常小于每毫安偏流0.Icnfi，導致大的RAM,而垂直腔半導體發(fā)射二 極管（VCSEL)趨向于具有大得多的頻率調(diào)制靈敏度，通常大于每毫安偏流Scnfi，導致低得 多的RAM。仍需要一種吸收光譜氣體分析儀系統(tǒng)，其可W產(chǎn)生高度準確的測量結果，盡管有 透射光強度的波動。還需要能夠在如通常在許多工業(yè)過程中、諸如在烙爐或烙爐排氣管中 可能遇到的惡劣環(huán)境中產(chǎn)生高度準確的測量結果的此類分析儀系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 在本發(fā)明的第一方面，提供了一種修正吸收光譜系統(tǒng)內(nèi)的入射光的強度波動效應 的方法，包括步驟：
[0018] 控制光源發(fā)射波長調(diào)制光束；
[0019] 施加至少一個調(diào)制突發(fā)信號W調(diào)制波長調(diào)制光束和/或調(diào)制與波長調(diào)制光束同 步的單獨光束，所述至少一個調(diào)制突發(fā)信號是錐形信號調(diào)制；
[0020] 在通過測試介質(zhì)的透射之后檢測一個或多個調(diào)制光束；
[0021] 處理一個或多個所檢測光束W獲得至少一個所檢測突發(fā)信號，并測量一個或多個 被測對象的吸收效應，其中，該處理包括將所述至少一個所檢測突發(fā)信號與施加的至少一 個調(diào)制突發(fā)信號相比較W確定與一個或多個被測對象的吸收效應分離的入射光強度波動， 并修正所確定強度波動效應W獲得一個或多個被測對象的吸收效應的增加的測量準確度。
[0022] 在實施例中，針對期望的突發(fā)信號位置和持續(xù)時間選擇波長區(qū)。該可設及到選擇 與一個或多個被測對象的吸收線分離、并且可能與測試介質(zhì)的任何組分的吸收線分離的一 個或多個波長區(qū)。該可W基于已知光譜吸收數(shù)據(jù)，或者可使用校準過程來選擇最佳突發(fā)信 號位置，W識別"中性"波長區(qū)。
[0023] 該方法非常適合于針對人工或自然過程、諸如針對醫(yī)學、生理或工業(yè)過程氣體分 析而測量包含氣體的體積中的一個或多個被測對象種類的量分數(shù)。此測量可W在原地，諸 如跨烙爐或烙爐的排氣管或其他工業(yè)過程室或氣室，或者其可W在提取系統(tǒng)中發(fā)生，例如 包括諸如設及到溫度控制和/或減濕的氣體調(diào)節(jié)裝置。該測量可W設及到單遍光束測量和 多遍測量，其使用諸如White或化riott蜂窩裝置之類的向后反射器或其他適當裝置來在 有限長度內(nèi)延長有效光程。用于延長光程的此類裝置對于本領域的技術人員而言是已知 的，并且在該里將不會進一步討論。
[0024] 該修正方法特別適合于可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜法，其中，可W通過向二極 管激光器的偏流施加已調(diào)制控制信號來控制二極管激光器。在實施例中，突發(fā)信號的施加 設及到向激光源的已調(diào)制控制信號施加調(diào)制突發(fā)信號。在實施例中，使用在沒有尖銳信號 躍遷的情況下實現(xiàn)錐形信號調(diào)制的平滑窗函數(shù)或包絡函數(shù)來控制突發(fā)信號。該窗函數(shù)可 w用來經(jīng)由固定相位下的振幅調(diào)制或固定振幅下的相位調(diào)制或振幅和相位調(diào)制的組合來 控制可調(diào)諧二極管激光器的偏流的變化速率和信號躍遷的銳度。該是有利的，因為諸如通 過中斷二極管激光器偏流引起的突然信號躍遷可W引起顯著的歐姆加熱擾動，其改變由可 調(diào)諧二極管激光器發(fā)射的光的波長，W及在檢測電子裝置的解調(diào)濾波器處引起"振鈴"（花 費時間W穩(wěn)定的振蕩振幅變化）或波紋（相位變化）。此類問題降低強度波動計算的準確 度。本發(fā)明的發(fā)明人已確定平滑錐形突發(fā)調(diào)制信號的施加可W避免不期望的波長變化和信 號處理錯誤，使得可W經(jīng)由施加突發(fā)信號的測量來實現(xiàn)改善的錯誤修正。
[0025] 在實施例中，反復地使可調(diào)諧二極管激光器的偏流斜坡向上和向下W產(chǎn)生波長調(diào) 制激光束，其跨一定范圍的波長、W具有周期T的掃描速率反復地掃描，并且向偏流施加突 發(fā)信號調(diào)制。突發(fā)信號的持續(xù)時間小于周期T。雖然到二極管激光器的偏流斜坡向上和向 下，但優(yōu)選地將偏流保持為連續(xù)電流而不是周期性地中斷和再接通，W避免由于反復地接 通和關斷激光器將引起的歐姆加熱擾動效應。如果施加多個突發(fā)信號，則所述多個突發(fā)信 號的總持續(xù)時間優(yōu)選地小于T。該突發(fā)信號可在與被測對象吸收特征相同的掃描內(nèi)或在單 獨掃描內(nèi)發(fā)生，不包括被測對象吸收特征，但是與被測對象掃描相比在時間方面是接近的。
[0026] 在實施例中，通過向激光二極管的偏流施加調(diào)制而在二極管激光器的輸出光束中 對信息進行編碼，其在激光二極管的輸出光束中產(chǎn)生相應的已調(diào)制突發(fā)信號。此突發(fā)信號 可被光學檢測裝置檢測，并且可向由光學檢測裝置產(chǎn)生的信號施加后續(xù)處理W提取在激光 束中編碼的信息。將提取的信息與已知輸入信息相比較給出背景福射（例如由在烙爐中加 熱的物質(zhì)發(fā)射的光）和遮蔽（例如由于灰塵而未被透射的光）效應的指示。通過測量激光 器的輸出光束的強度波動并對其進行修正，可W更準確地測量被測對象的量分數(shù)?？蒞使 用在光束中編碼的信息來修正環(huán)境光水平