激光气体遥测的方法和装置制造方法及图纸

激光气体遥测的方法，采用对注入的电流直接调制的半导体激光器作为发射的测量光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，采用对数二次谐波探测方法对气体吸收信号进行探测和处理；测量光源即测量主激光器（１）发出被调制的连续的窄线宽激光，经过光纤合波器（３），从置于透镜（５）轴心部位的光纤准直器（４）出射，出射的激光通过待测气体（６）后被反射目标（７）反射，反射光经过透镜（５）汇聚于光电探测器（８）转换为电信号，经过探测模块（９）的放大和滤波，由微处理器控制系统（１３）采集并采用对数二次谐波算法处理后得到待测气体浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种气体检测的方法和装置，特别涉及到基于激光光谱技术的气体遥 测方法与装置，主要用于气态物质浓度的遥测。
技术介绍
气体的探测，尤其是可燃、易爆、有毒有害气体的探测，对工农业生产、人民生 活、科学研究和国家安全至关重要。目前，监测气体的技术有多种方案，如光学式、接触燃烧式、半导体式、酶和 生物式、电化学直接氧化式等。光学式传感器的具有许多其他传感器无法比拟的优点， 如灵敏度高、响应速度快、动态范围大等。光学传感器的检测原理大致有(1)吸收光 谱法，探测被测气体的特征吸收谱线。(2)折射率法，探测被测气体引起的折射率变化。(3)拉曼光谱法，探测被测气体的拉曼光谱。(4)荧光光谱法，探测被测气体在光激发下产生的荧光光谱。相比之下，吸收光谱式具有选择性高、可靠性高、寿命长、成本 低等优势，因此受到广泛重视。激光具有的高单色性、方向性和高强度，使其成为气体探测的理想工具。现有技 术之一提出一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技 术的气体检测方案，通过采用多次反射吸收池，获得了较高的甲垸气体的检测精度。 其系统的光学部分主要包括作为光源的近红外可调谐半导体激光器、参考气体吸收池 和多次反射气体吸收池。但该方案由于采用封闭式结构的气体吸收池，只能用于单点 的气体检测，不能实现气体的遥测。现有技术之二中提出了一种使用单一外腔可调谐半导体激光光源，利用谐波 探测技术进行遥感探测甲垸的方案，该方案采用开腔样品池结构和光收发同轴结构， 以地形靶的反射光谱为检测信号，可实现一定区域的甲烷遥感监测。但该方案使用了 结构复杂的外腔式半导体激光器作为光源，体积较大，不适合便携式应用。而且采用 了一次谐波与二次谐波比值法进行浓度计算，测量信噪比和线性度不高。
技术实现思路
本专利技术目的为克服现有技术的不足，提出利用激光对气体进行遥测的方法和装 置，尤其是提出一种基于半导体激光器注入电流直接调制的对数二次谐波技术的激光 气体遥测方法，以及提供一种具有高稳定度、高灵敏度的适合便携式应用的激光气体 遥测装置。激光气体遥测的方法，采用对注入的电流直接调制的半导体激光器作为发射的测量 光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，采用对数二次谐波探测方法对气体吸 收信号进行探测和处理，为气体遥测技术提供了新的实现方法具体方法是，测量光200710133945.0说明书第2/5页源即测量主激光器1发出被调制的连续的窄线宽激光，经过光纤合波器3，从置于透镜 5轴心部位的光纤准直器4出射，出射的激光通过待测气体6后被反射目标7反射，反 射光经过透镜5汇聚于光电探测器8转换为电信号，经过探测模块9的放大和滤波， 由嵌入式控制系统13采集并采用对数二次谐波算法处理后得到待测气体浓度，由显示 单元14显示测量结果。注入测量激光器的(电流)调制波形低频三角波或锯齿波对高频正弦扫描波调制构成，正弦波频率一般大于lKHz，尤其1KHZ-1000KHz，典型的是10-100KHz，图例为 10kHz;三角波的频率一般小于100Hz，尤其l-100Hz，图例为10Hz;正弦波频率应该 远远大于三角波的频率， 一般至少在两个数量级以上。在一个三角波或锯齿波周期中， 波长调制中心与气体吸收峰重合一次。取得此时刻对数二次谐波的幅度，计算出气体 浓度。本专利技术的激光气体遥测方法的工作原理光源1的驱动电流是在一个直流偏置上 被一个正弦波形调制，同时叠加一个锯齿波或低频三角波，激光器输出光强和工作波长相应地被调制<formula>formula see original document page 5</formula>式中w为调制的角频率，AA为波长调制幅度。根据比尔-朗伯定理，经过空间分布长度为1的气体吸收并被反射目标反射后的光强 为/。w"/exp，式中c为气体浓度，A:为收光系数(即没有被测气体情况下，系统的接收到的功率和出射功率的比值)，"("为气体的吸收线，在常温常压下具有洛 仑兹线型"-"。^ + (义—、)"(^0"。其中^A为半高半宽。输出光强可以写为<formula>formula see original document page 5</formula>式中/^ = (^-^j/^为激光波长相对于吸收峰值的偏离度；肘=八^^^为波长调制度((3)式中指数项的分式可以作傅里叶级数展开，得到 -^-T = X!《"cos(薩。<formula>formula see original document page 5</formula>对式(3)两边取对数，ln/。 '=ln^-""。其中lnW可以展开为In = In fe/"。 + ln(l + ^ cos " + a2 cos=lnA7。 cos加+ a) cos2必f +......式中《，(";是激光器调制参数A， A的函数。记C"n/。w数坐标下光信号谐波的表达式= 7: + "〖cos oZ + cos 2<y/" - a。c/^^ cos(歸0"=o (6)可以看出，取对数的过程将总光强表示为各次谐波幅度线性组合的形式。从(6)式得到二次谐波的幅度为^ 由此可得气体的路径积分浓度的计算公式为(7)式各量与光源功率^和收光系数k无关，不仅方便了处理，而且还大大减弱了光源 光强波动、反射目标反射系数、光电探测电路增益系数改变等因素引入的误差。c/、 S^a。的定义cl为气体的路径积分浓度；S2为二次傅里叶系数，见式(4)和(4a);a。为气体的峰值吸收系数。激光气体遥测装置，如图l框图所示，包括测量光源l，目标指示光源2，光纤合 波器3，光纤准直器4，透镜5，待测气体6，反射目标7，光电探测器8，探测模块9， 激光器温控模块IO，激光器直流驱动模块ll，激光器交流驱动模块12，微处理器控制 系统13，显示单元14构成；接收光学模块中的光电探测器8经放大和滤波的探测模块 9并经放大器连接微处理器控制系统13，微处理器控制系统13包括嵌入式控制及信号 处理电路，输出接口连接显示电路、通讯接口电路、键盘、报警电路；嵌入式控制系 统的输出其输出端连接激光控制电路；激光控制电路包括激光高频调制电路、激光温 度控制电路、激光低频扫描电路、激光器直流驱动电路；激光控制电路的输出驱动测 量主激光器。微处理器尤其是采用嵌入式控制及信号处理电路(如ARM处理器)。本专利技术的激光气体遥测装置的基本工作过程如下如图1所示，由激光器温控模块IO、激光器直流驱动模块1K激光器交流驱动模 块12为测量光源1提供温度控制、直流偏置和交流调制，测量光源l发出被调制的连 续的窄线宽激光，该窄线宽激光和从目标指示光源2发出的指示激光经过光纤合波器 3 ，从置于透镜5轴心部位的光纤准直器4出射，出射的窄线宽激光通过待测气体6 后被反射目标7反射，反射光经过透镜5汇聚于光电探测器8转换为电信号，经过探 测模块9的放大和滤波，由嵌入式控制系统13采集并采用对数二次谐波算法处理后得 到待测气体浓度，由显示单元14显示测量结果。上面所说的测量光源1为半导体激光器，其线宽应该远远小于待测气体6的吸收峰 宽度，其波长扫描范围应该大于待测气体6的吸收峰本文档来自技高网...

【技术保护点】
激光气体遥测的方法，其特征是采用对注入的电流直接调制的半导体激光器作为发射的测量光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，采用对数二次谐波探测方法对气体吸收信号进行探测和处理；测量光源即测量主激光器（１）发出被调制的连续的窄线宽激光，经过光纤合波器（３），从置于透镜（５）轴心部位的光纤准直器（４）出射，出射的激光通过待测气体（６）后被反射目标（７）反射，反射光经过透镜（５）汇聚于光电探测器（８）转换为电信号，经过探测模块（９）的放大和滤波，由微处理器控制系统（１３）采集并采用对数二次谐波算法处理后得到待测气体浓度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张国林，蔡圣闻，
申请(专利权)人：南京树声科技有限公司，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]