[发明专利]一种玻璃容器内TDLAS气体检测的多光束干涉抑制方法

说明书

本发明公开了一种玻璃容器内TDLAS气体检测的多光束干涉抑制方法。因玻璃容器两壁造成入射光多次反射和透射，形成多光束干涉，严重影响信号波形和检测精度。通过将被检测玻璃容器沿激光光路方向倾斜一定角度，以增大入射角使各次透射光之间距离变大，来有效抑制多光束干涉。激光透射后的能量主要集中在直接透射光与经过反射后第一次透射光上，规范使两相干光束叠加部分在接收探测范围外的入射角度表达式，并求出入射角的最小值。在此基础上以二次谐波信号特征值的信噪比最大为优化指标，获得实际系统中的最佳入射角。本发明在不加入复杂光学器件和额外信息抗干扰处理前提下，能高效提取二次谐波信号特征值进行玻璃容器内气体分析。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别涉及基于TDLAS技术开放单光路短光程进行玻璃容器内气体检测的系统。

背景技术

玻璃容器内的气体检测应用非常广泛，如医药行业中所使用的玻璃药瓶一般采用抽真空或充氮的方法使药品与氧气隔绝，从而保证药品的稳定性和无菌性。但由于加塞及轧盖工艺不稳定、包材自身破损及人为因素等，无法保证玻璃瓶内绝对真空，使氧气浓度过高而导致药物变质速度加快，影响药效，甚至危害药品使用者的安全。目前对于玻璃药瓶内的氧气检测手段主要为破坏性的抽样检测，其漏检率高，分辨率低，操作不方便，无法满足在线检测要求。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)因具有高精度、高灵敏度和响应快速等特性在痕量气体的实时检测系统中得到广泛应用。而对于玻璃容器内气体检测，系统除电子仪器设备的系统噪声外，还存在光学干涉条纹噪声(标准具效应)，即因玻璃容器两壁造成入射光多次反射和透射，形成多光束干涉，这是影响系统检测精度最主要的因素。国内外文献对于“标准具效应”仅解释其产生于两平行光学表面，未进一步开展深入探究。Persson和Andersson提出了一种应用探测器非线性补偿的平衡气体检测方法来抑制光学干涉条纹影响，但要求双光路检测，且需要光衰减滤波器等复杂仪器，不符合实时检测系统的要求。Hanson等则提出应用小倾角的楔形窗或离轴抛物镜方法来抑制干涉条纹，但也未就其抑制原理进行详细说明，且该方法只适用于气体样品在光学气室中的情况，需要额外的光学元器件，不适用于自由空间即光学领域中所称的大气空间中的开放单光路短光程检测密闭玻璃容器内气体。

发明内容

本发明的目的是为开放单光路短光程进行玻璃容器内气体检测的系统提供一种准确方便的多光束干涉抑制方法，克服因玻璃容器壁带来的光学噪声，高效获取二次谐波信号特征值，提高系统检测精度和稳定性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种玻璃容器内TDLAS气体检测的多光束干涉抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

使激光照射并穿透玻璃容器，且玻璃容器沿激光光路方向倾斜一定角度，接收激光透射玻璃容器后产生的直接透射光和经过玻璃容器两壁反射后再透射的第一次透射光，根据这两次透射光之间距离的表达式，求出入射角的最小值，在此基础上以二次谐波信号特征值的信噪比为优化指标，获得实际系统中信噪比最大时的最佳入射角。

所述的方法，激光穿透玻璃容器的两壁在沿光路的方向平行，激光相对玻璃容器两壁有一定入射角度。

所述的方法，直接透射光与经过反射后第一次透射光之间距离X为：

X＝2d·sinθ (1)

其中，d表示玻璃瓶横截面直径长度即干涉腔长，θ为激光入射角。

所述的方法，为使接收的直接透射光不受第一次透射光干扰，X满足：

X≥r+ω₁′ (2)

其中r为探测器感光半径，ω′₁为激光光束，也即高斯光束的第一次反射后的透射光光斑最大半径。