一种基于制造技术

本发明专利技术公开了一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的多组分痕量气体检测解调方法


[0001]本专利技术属于气体检测领域，更为具体地讲，涉及一种基于
FPGA
的多组分痕量气体检测解调方法
。

技术介绍

[0002]痕量气体是气体浓度低于
10E
‑6的粒种
。
波长调制吸收光谱技术
(Wavelength Modulation Spectroscopy
，
WMS)
是一种高效的痕量气体检测技术，该方法具有选择性好
、
检出限低
、
检测速度快等优点
。
检测时信号发生器输出低频三角波叠加高频正弦信号，其中低频三角波用于改变激光器输出波长，高频正弦信号用于调制，激光器穿过待测气体后，由锁相放大器对二次谐波信号进行解调，解调出的二次谐波幅值和待测气体浓度成正相关
。
[0003]由于气体在中红外吸收强度要远大于近红外波段，因此目前采用量子级联激光器
(Quantum Cascade Laser
，
QCL)
作为检测光源，
QCL
波长覆盖
2.7
～
14
微米，并且其输出波长会随着驱动电流发生改变
。
但是普通的
DFB
‑
QCL
波长扫描范围只有几个波数，通常只能检测1种气体，若对多种气体进行检测，则在光路设计时需要多支
QCL
合束处理
。r/>在进行检测时，需要依次点亮每支
QCL
并进行调制，探测器接收到吸收后的光强后依次进行解调
。
该方法虽然可以检测多种气体，但是
QCL
不能同时工作，因此检测时间较长
。
[0004]综上所述，如何进行多支
QCL
的同步调制解调是多组分痕量气体准确检测的重点及难点
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有气体检测技术中的不足，提供一种基于
FPGA
的多组分痕量气体检测解调方法
。
该技术同时对两支
QCL
进行调制，在
FPGA
内部搭建解调架构，该技术在同时对光强信号进行解调的同时，节省了
FPGA
内部的
ROM
和
DSP
资源，在具有高性能信号解调的同时具有低成本的显著优势
。
[0006]为实现上述专利技术，本专利技术一种基于
FPGA
的多组分痕量气体检测解调方法，其特征在于包括
ADC
模块，
ADC
驱动模块，
DAC
模块，
DAC
驱动模块，
ROM
模块，互相关运算模块，
FIR
模块，运算模块及上位机模块，其中：
[0007]ADC
模块用于采集探测器接收到的光电信号
。ADC
为量化位宽
W
位，采样率为
f
的高精度
ADC。
当
ADC
模块收到
ADC
驱动模块发出的
CNV
信号有效时，
ADC
对光强信号进行一次采集，并将数据发送到
ADC
驱动模块；
[0008]ADC
驱动模块用于驱动
ADC
进行数据采集
。
驱动模块输出
CNV
信号有效驱动
ADC
进行一次信号采集，并将采集到的数据
adc_data
发送给互相关运算模块；
[0009]DAC
模块用于输出模拟电压给
QCL
驱动模块
。DAC
为双通道器件，将
DAC
驱动模块输出的数据转换成双通道模拟电压给
QCL
驱动模块；
[0010]DAC
驱动模块用于驱动
DAC
工作
。
该模块输出低频三角波叠加高频正弦数据，其中低频三角波
Trig
用于激光器波长扫描，高频正弦波
sin
用于对激光器光强进行高频调制
。
由
于
DAC
模块为双通道器件，驱动模块
CH0
输出三角波频率为
ft
，正弦波频率为
fs
，
CH1
输出三角波频率为
ft
，正弦波频率为
2*fs
；
[0011]ROM
模块存储用于二次谐波解调的正弦信号
。
该模块选用双口
ROM
，
ROM
位宽
W
位，深度为
D
＝
f/fs/2
，内部存储一个完整的正弦信号
。
当对光强信号进行解调时，
ROM
从0，1，2…
D
‑1地址中读取数据
sin_data
发送给互相关运算模块，同时从
D/4
，
D/4+1
…
D
‑1，0，1，2…
地址中读取数据
cos_data
发送给互相关运算模块；
[0012]互相关运算模块对
ADC
输出的数据
adc_data
和
ROM
模块输出的数据
sin_data
和
cos_data
分别做乘法运算，记
adc_data*sin_data
＝
A0
，
adc_data*cos_data
＝
B0
，将
A0、B0
输出给
FIR
模块，同时对采集数据
adc_data
进行
4*fs
频率进行解调，记
2*A0*cos_data
＝
A1
，
2*B0*cos_data
‑
adc_data
＝
B1
，将
A1、B1
输出给
FIR
模块；
[0013]FIR
模块将互相关运算模块输出的
A0、B0、A1、B1
进行滤波，然后将滤波后的数据
AF0、BF0、AF1、BF1
发送给均方根运算模块；
[0014]运算模块对
AF0、BF0
进行方和根运算，同时对
AF1、BF1
进行方和根运算，并将运算结果发送给上位机模块；
[0015]上位机模块将数据换算成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
FPGA
的多组分痕量气体检测解调方法，其特征在于包括
ADC
模块，
ADC
驱动模块，
DAC
模块，
DAC
驱动模块，
ROM
模块，互相关运算模块，
FIR
模块，运算模块及上位机模块，其中：
ADC
模块用于采集探测器接收到的光电信号
。ADC
为量化位宽
W
位，采样率为
f
的高精度
ADC。
当
ADC
模块收到
ADC
驱动模块发出的
CNV
信号有效时，
ADC
对光强信号进行一次采集，并将数据发送到
ADC
驱动模块；
ADC
驱动模块用于驱动
ADC
进行数据采集
。
驱动模块输出
CNV
信号有效驱动
ADC
进行一次信号采集，并将采集到的数据
adc_data
发送给互相关运算模块；
DAC
模块用于输出模拟电压给
QCL
驱动模块
。DAC
为双通道器件，将
DAC
驱动模块输出的数据转换成双通道模拟电压给
QCL
驱动模块；
DAC
驱动模块用于驱动
DAC
工作
。
该模块输出低频三角波叠加高频正弦数据，其中低频三角波
Trig
用于激光器波长扫描，高频正弦波
sin
用于对激光器光强进行高频调制
。
由于
DAC
模块为双通道器件，驱动模块
CH0
输出三角波频率为
ft
，正弦波频率为
fs
，
CH1
输出三角波频率为
ft
，正弦波频率为
2*fs
；
ROM
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨云鹏，李奇峰，张润泽，马翔云，郜峰，刘新楠，李志鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：