[发明专利]一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法及装置

说明书

技术领域

  本发明涉及光信号同步解调的技术，具体为一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法及装置。

背景技术

基于光学原理，利用激光作为光源的气体检测技术，由于可靠性强、灵敏度高、选择性好、可连续在线工作和无需人工值守等优点在痕量气体检测方面得到广泛关注和研究。当对诸如电厂、矿井、原始森林等恶劣环境中的微量气体进行检测时，若采用现有的方法，激光器通常放置在距离测量地点不远的地方，众所周知激光器的成本比较高。一般来说激光器的花费在整个系统中超过三分之一，甚至达到50%以上。放置在野外非常不安全，且激光器容易受到环境温湿度、灰尘等因素的影响，在系统运转过程中为了保证激光器出射波长停留在目标吸收线中心，需要用热电制冷器件对激光器进行温控，有时还需要通过反馈系统对其进行波长锁定，这样光源系统对温度变化及机械振动也较敏感。为了避免以上问题，一种有效的方法就是把光源系统放置在温度变化相对小，无振动的适宜的地点，例如：室内。输出的激光通过价格便宜的光纤引导到需要气体检测的外部场所。如果引入光学开关，对输出的光路径进行切换，利用时分复用技术，就可以实现以单/多个光源为中心向周围辐射探安置多个检测点，达到单/多光源多点检测的目的，进一步提高激光使用效率，降低其成本。在基于光学的气体检测技术中，波长调制技术是一种被经常用来进一步提高探测灵敏度的方法。由于在低频段的主要噪声是1/f噪声，而1/f噪声的特点是噪声水平随着频率升高而下降。采用波长调制技术以高频调制信号调制激光器的波长，将使探测信号从低频的强噪声段转移到弱噪声段，再利用锁相放大器解调出谐波信号，将谐波信号作为最终反演气体浓度的原始信号。 

在锁相放大器解调时需要用到调制源信号，即同步信号。现有的装置都是激光器、调制源（信号发生器）、锁相放大器和传感头距离比较近，同步信号可以直接通过电线从调制源送到和传感头相近的锁相放大器端。然而，在上面提到的单/多光源实现多点探测的装置中，光源和探测点相距很远，可能几十米甚至几公里。这样，如果锁相放大器在激光器和调制源端，除光纤外需要一根额外的导线传送传感头的测量信号。而传感头的测量信号通常来说非常微弱，很容易在传输的过程中被淹没在电子噪声之中。为了马上处理微弱的电子信号，避免在传输过程中引入其它电子噪声，另一种方案是把锁相放大器安置在传感头端进行本地解调，但我们仍旧需要一根除去光纤外的导线把激光器端的信号源的同步传送到传感头端。这就使单/多光源多点检测方法在信号解调部分成本过高，从而极大的限制了光探测技术在实际应用中的推广实用。

另外电信号远距离传输时，由于电阻等因素的影响，衰减不可避免，而且极容易受到各种干扰，且电信号是通过铜、铝等金属来传输，成本高，同样限制了光探测技术在实际应用中的推广实用。

发明内容

   本发明提供一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法及装置，来解决目前以激光为基础的气体传感器光源利用效率低，成本高，检测覆盖范围小，无法适应野外环境，安全系数低等问题。

本发明所述的一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法是采用以下技术方案实现的：一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法，包括以下步骤：（a）将经过波长调制的半导体激光器输出的激光分成两束；（b）将一束光作为探测光输入至传感头进行气体检测，并将携带有待测气体信息的信号输入至锁相放大器；（c）将另一束光转换成相应的电信号后滤除噪音，再放大，并进行锁定，传输给锁相放大器同步端；（d）对经过锁相放大器同步解调后的信号进行分析，得到待测气体的浓度信息。

由于半导体激光器的电流与波长成正比，即与频率成反比（λ=c/ν, c是光速，ν频率，λ波长），谐波探测技术中，对半导体激光器的波长进行调制可以通过对其电流进行调制来完成，假设调制信号为正弦信号a(t)=A_mcosω₀t，ν₀是激光器中心频率，ω₀=2πf是施加的调制角频率，Δν是波长变化幅值，其激光波长输出能够用下式来表示：

ν(t)= ν₀+Δνcosω₀t

而半导体激光器的光强也与激光器的电流成正比关系，这样激光器在被波长调制的同时其强度也被调制，其光强输出可以用下式来表示：                     I(t)=I₀+ΔIcosω₀t