[发明专利]一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法

权利要求书

1.一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其特征在于：

步骤一、驱动信号的产生，采用LABVIEW程序开发环境，在电脑中产生驱动信号，由内置的数据采集卡的DAQ驱动模块驱动采集卡的模拟输出端口产生电压信号，所述电压信号由BNC线加载到DFB激光器的驱动器上，用以驱动该DFB激光器发射经过调制的激光；

步骤二、气体吸收及探测，经过调制的激光通过气体吸收池后携带有气体的浓度信息；经光电探测器将携带有气体浓度的信号的光信号转化成电信号，再由采集卡的模拟输入端口采集到电脑中；

步骤三、软件锁相及解调，输入到电脑中的数据，经过软件锁相放大滤波算法，解调出此时气体吸收池的气体浓度信息。

2.根据权利要求1基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其中，步骤一中包括：驱动信号的产生，以及驱动信号对激光器的调制，采集卡在此步骤中具有信号发生的器的功能；根据朗伯比尔定律：

I(υ)=I₀(υ)exp(-α(υ)cL)      (1)

I₀是未经气体吸收时的光强，α(υ)是气体吸收系数，c为吸收气体浓度,L为气体的吸收光程长；

当激光中心频率υ_c受到频率为ω的调制波调制时，其瞬时频率为：

υ=υ_c+δυcosωt      (2)

其中：δυ为调制幅度，ω为调制频率；

采用LABVIEW虚拟仪器技术实现扫描激光器的波长调制和调谐，所述激光器的波长调制和调谐采用锯齿波上叠加高频余弦实现的，可调谐激光器的驱动电压表示为

v(t)=v₀(t)+v_m(2πft)      (3)

其中，驱动电压的慢变包络v₀(t)为锯齿波，调谐信号v_m(2πft)为余弦波；驱动电压函数由LabVIEW软件生成并通过数据采集卡AO端口输出，对于锯齿波v₀(t)上的每一个值，采用振幅v_m、频率f的余弦波进行调制。

3.根据权利要求1基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其中，步骤二中激光通过对不同浓度气体的吸收，经探测器转化得到不同吸收度的电压信号，具体如下：

光经过气体吸收后的强度用I(υ_c)的余弦Fourier级数表示，即

I(υ)=I(υc,t)=Σn=0∞An(υc)cos(nωt)---(4)]]>

常温常压下，气体的吸收谱线是Lorentzian线型，气体吸收谱线的吸收系数关于中心频率υ₀对称，偶次谐波分量关于υ₀对称且在υ₀处幅值达到最大，奇次谐波在υ₀处为0，而偶次谐波随着谐波次数的增加会以10的幂级数衰减，故将二次谐波作为气体浓度的衡量。

4.根据权利要求1基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法，其中，步骤三中软件锁相放大滤波算法是将采集卡采集到电脑中信号根据设定的阈值来判断信号的第一个点是否与参考信号同相位，如果同相位，进行锁相计算，否则，将后移一点重新判断，直至找到同相位点；

其中，进行锁相计算过程如下：

每个谐波分量A_n由下式表达：

An(υc)=2π∫0πI0(υc+δυcosθ)exp[-α(υc+δυcosθ)cL]cosnθdθ---(5)]]>

其中，θ=ωt；采用离散Fourier级数计算周期光功率信号的二次谐波分量及其幅值，调制信号v_m(2πft)在每个周期内只能输出有限个数据点，设每个调制周期包含N个数据点，则二次谐波分量的幅值表示为：

R2=Σk=0N-1I(k)cos(4πkN)---(6)]]>

其中，I(k)代表每个数据点对应的光功率值，R₂代表每一个锯齿波点v₀(t)上的二次谐波幅值；此处的采集卡具有锁相放大器的作用，且数据采集卡的输入和输出端采用同步工作方式；当激光器在气体吸收带内扫描一个周期时，与v₀(t)之间的关系曲线即为气体吸收光谱的二次谐波曲线。