[发明专利]基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，涉及可调谐二极管激光吸收光谱分析的方法和装置，特别是用于痕量气体检测的可调谐二极管激光器的调制方法和装置，本发明可以用于气体浓度、温度、压力或流速的高精度测量，具体讲，涉及基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法和装置。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱分析（Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛用于工业流程中的气体监控、环境大气检测以及科学研究等领域。它利用二极管激光器的波长调谐特性，即通过改变二极管激光器的温度或注入电流，改变激光器的输出波长。在波长调谐范围内，检测待测气体的特征吸收光谱，在气体吸收光谱的线形（spectral line profile）中包含有与气体浓度、压力、温度、流速等相关的信息，通过对吸收光谱的线形分析，可以在线测量气体的浓度、温度、压力或流速。

对于高浓度或吸收系数较大的气体，通常采用直接吸收光谱检测方法。直接吸收光谱是检测通过被测气体后光强度随波长的变化，通过对吸收信号的强度分析，由朗伯-比尔(Beer-Lambert)定律计算被测气体的浓度。这种测量方法受光源的光强波动、检测器和放大器噪声、外界干扰等影响，其测量误差较大、灵敏度和精度较低。

为了提高检测灵敏度，通常采用波长调制光谱（Wavelength modulation spectroscopy,WMS）技术。WMS技术对激光做波长扫描和高频调制，经气体吸收后的激光由光电探测器转换为电信号，利用相敏检测（通常使用锁相放大器）技术检测气体吸收光谱的高频调制谐波信号。WMS可以抑制激光强度起伏、系统1/f噪声、漂移等各种噪声的影响，极大地提高了信号的信噪比，检测灵敏度比直接吸收光谱分析技术高两个数量级以上。

通常，在激光吸收光谱分析中技术中采用锯齿波对激光波长做线性扫描，这种线性扫描过程中将吸收光谱线形直接传递到检测器，在不同的温度和压力条件下，气体吸收光谱的线形呈现为高斯线形（Gaussian profile）、洛仑兹线形（Lorentzian profile）或福伊特线形（Voigt profile），要采集完整的线形信息，一方面需要足够多的采样点数，即AD转换器采样率和数据存储器要足够大，这与处理器的速度、运算能力及成本有较大关系，另一方面也需要抑制信号传递通道的寄生幅度干扰、非线性、相位噪声等对谱线线形的干扰。目前采用锯齿波的线性波长扫描技术中，由于受AD采样率以及数据处理速度的限制，对气体吸收谱线大多是欠采样。这影响了光谱信息的准确采集和处理，尤其是存在噪声和干扰时，对测量精度的影响很大。

德国慕尼黑工业大学的J.Chen等人提出一种非线性波长扫描方法，通过使在吸收光谱峰值附近的波长扫描速率为零，以增加对吸收谱峰值的采样点数，并通过数据拟合提高光谱分析的灵敏度。这种方法理论上可以将测量简化、优化，但是，它需要准确获取并保持吸收光谱的峰值相对位置，任何小的温度或注入电流扰动（噪声）都可能将产生较大的影响，这在实践中实现的技术要求高，另外，这种检测方法只记录了气体吸收谱线的线强信息，而丢弃了吸收光谱中的线形信息，只能用于气体浓度的测量，并需要对温度和压力进行补偿。不能用于气体温度、压力及流速的测量。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种提高可调谐激光吸收光谱检测精度的方法和装置。基于本发明的方法和装置，可以在不增加系统硬件开销的情况下，完整的采集、记录谱线的全部信息，从而提高TDLAS系统的测量精度，并适合于气体浓度、压力、温度及流速在线（及原位）或离线检测或监测应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法，步骤是：检测气体对激光的吸收谱线，对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数进行测量，其中，在激光激发阶段施加某种变换，在检测气体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换。

施加某种变换采用的变换函数包括但不限于高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数中的一种，所施加变换函数的特征参数与气体吸收谱线参数、激光器的调制特性以及激光驱动器的传输特性参数相关。