[发明专利]用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统，作用于待测气体的扫描信号采用三角波，当扫描信号处于顶点时，可调谐激光器的输出波长位于待测气体的吸收中心波长处，将调制信号加载到扫描信号上得到叠加信号，作用于可调谐激光器产生激光，入射到气室，将气室出射的光信号转化为电信号，再将电信号经过数据处理得到携带有气体浓度信息的二次谐波，通过提取所述二次谐波的强度变化，实现气体浓度的检测。本发明提供的半波扫描与传统扫描相比，在同周期内仅测到一组二次谐波，不会出现两组二次谐波，避免了吸收峰交叠的现象，便于观察气体谱线线型变化以及对谱线半高宽的测量，从而实现对气体的温度和压强变化检测。

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，更具体地，涉及一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统。

背景技术

可调谐激光气体吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术一般利用低频的锯齿波或三角波作为扫描信号，在扫描信号上加载高频正弦调制信号以驱动窄线宽可调谐激光器，产生的激光通过待测气体，气体对于不同波长的光吸收强度不同，因此输出的激光强度会随着激光波长的改变而变化。通过提取激光强度变化中的二次谐波信号，可以得到与气体浓度相关的信息。在2000年，T.nakaya Iseki等人就已经实现了利用1.66μm的DFB激光器实现大气中甲烷浓度的连续测量。而在国内，哈尔滨工程大学张可可在《光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究》一文中分析了二次谐波的检测原理，并得出在气体吸收线中心频率处，二次谐波的幅值与待测气体的浓度成正比。

传统的TDLAS技术中激光器输出波长对准气体吸收峰的中心波长位置，通过完整扫描覆盖整条吸收谱信息，但实际上，常用的谐波检测法中只有二次谐波的峰值与待测气体浓度直接相关，其余旁瓣处的扫描过程对气体浓度的测量没有提供实用信息，反而增加系统的扫描时间间和数据量。此外，在二次谐波检测中，一个采样周期内来回需要对吸收峰采样两次，采样过程重复，而且二次谐波容易受到环境的干扰，一个采样周期出现两个吸收峰容易引起吸收峰的交叠。另一方面，激光器光源温度、待测气体环境温度和待测气体环境压强的变化都会影响气体检测的准确度。光源温度变化是影响激光器稳定工作的关键因素之一，直接影响气体浓度信息检测的准确性和有效性。待测气体环境温度变化会导致气体吸收峰的漂移。传统的TDLAS技术通过三角波或锯齿波扫描的方法来解决光源波长漂移后无法对准气体吸收线的漂移问题，但是不能实时反映出待测气体环境温度的具体变化量，对于气体环境压强信息也无法感知，还有可能出现多气体检测时由于吸收峰串扰而产生气体交叉干扰。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统，旨在解决现有气体的温度和压强测量准确率低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法，包括扫描信号采用低频三角波，且扫描信号在顶点时可调谐激光器输出波长位于待测气体的吸收中心波长处，将调制信号加载到所述扫描信号上，叠加的信号作用于可调谐激光器产生的激光通过待测气体，气体对于不同波长的光吸收强度不同，因此输出的激光强度会随着激光波长的改变而变化，通过提取激光强度变化中的二次谐波，可以得到气体相关的信息。

优选地，调制信号为高频正弦波信号。

本发明定义全波扫描为激光器输出波长范围的中心值对准气体吸收峰的中心波长，三角波由于在上升沿叠加高频正弦信号，在相同检测周期内能检测到一个峰值信息。三角波两侧都叠加高频正弦信号，因此在相同周期能够等距检测到两个二次谐波峰值信息，这是目前TDLAS测量气体浓度最常用的方法之一。

本发明定义半波扫描为激光器输出波长的扫描范围最大值与气体吸收峰中心波长严格对准，在三角波一个扫描周期内恰好出现一个吸收峰。