專(zhuān)利名稱：?jiǎn)渭す庠粗C波遙感探測(cè)氣體的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體為單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備。
背景技術(shù)：
光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、分辨率高、實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)?？梢蕴綔y(cè)一些不易接近的區(qū)域(如煙囪、危險(xiǎn)物集散地)的污染氣體；對(duì)于連續(xù)監(jiān)測(cè)或是泄漏監(jiān)測(cè)特別有用；可以對(duì)大氣對(duì)流層乃至平流層以上的污染物進(jìn)行測(cè)量；不需要取樣氣體，因此不用象取樣測(cè)量那樣關(guān)心樣氣的準(zhǔn)確性。因此，光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的大范圍連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方式將成為環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和工業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的理想工具。
目前，正在使用及發(fā)展的幾種光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)有傅氏變換紅外光譜技術(shù)(Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR)；差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)(Differential Optical Absorption Spectromter，DOAS)和差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)與激光長(zhǎng)程吸收技術(shù)。
傅氏變換紅外光譜技術(shù)是建立在雙光束干涉度量基礎(chǔ)上，并應(yīng)用傅氏變換原理獲得氣體吸收信息的技術(shù)。紅外光源(紅外發(fā)光棒或熱源)經(jīng)準(zhǔn)直后成平行光出射，經(jīng)過(guò)一百到幾百米的光程距離，由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收，經(jīng)干涉儀后會(huì)聚到紅外探測(cè)器(HgCdTe或Insb)上。接收光束經(jīng)分束后分別射向兩面反射鏡子，一面鏡子固定不動(dòng)，另一面鏡子前后移動(dòng)使兩束光產(chǎn)生相位差，相位差由光束的光譜成分決定，具有相位差的兩束光干涉產(chǎn)生信號(hào)幅度變化，由探測(cè)器測(cè)量得到干涉圖，經(jīng)快速傅氏變換得到氣體成份的光譜信息。然后用多元最小二乘法進(jìn)行光譜分析，對(duì)吸收光譜與實(shí)驗(yàn)室參考光譜進(jìn)行最小二乘擬合，從而得到被測(cè)氣體的濃度。傅氏紅外光譜技術(shù)的主要不足是傅氏變換計(jì)算耗時(shí)，探測(cè)系統(tǒng)需要冷卻；設(shè)備體積龐大，價(jià)格昂貴，需要具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)操作人員，維修不便，需要進(jìn)行大量的校準(zhǔn)工作。
差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)的工作原理是基于氣體分子在紫外和可見(jiàn)光波段的特征吸收光譜為基礎(chǔ)，它以測(cè)量時(shí)的低分辨率光譜為參考光譜，與所接收到的信號(hào)進(jìn)行比較，來(lái)探測(cè)氣體的濃度。差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)一般采用紫外可見(jiàn)光譜燈作為光源(如高壓Xe燈)，因此，差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)只能對(duì)在紫外可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有窄吸收光譜特征的分子進(jìn)行濃度測(cè)量。
激光的高單色性、方向性和高強(qiáng)度，使其成為氣體監(jiān)測(cè)的理想工具。在激光長(zhǎng)程測(cè)量中，激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般有兩種工作方式，一是利用大氣本身的后向散射得到污染氣體隨距離的分布，稱為差分吸收激光雷達(dá)；另一種方式是利用地面物體或角反射器的反射來(lái)獲得光程平均濃度，稱為激光長(zhǎng)程吸收。
差分吸收激光雷達(dá)的基本工作原理是采用波長(zhǎng)相近的兩束激光，其中一個(gè)波長(zhǎng)的激光被待測(cè)氣體強(qiáng)烈吸收，待測(cè)氣體對(duì)另一個(gè)波長(zhǎng)的激光吸收很小或基本不吸收。對(duì)于吸收光程中某一段距離的平均濃度可以由這兩個(gè)波長(zhǎng)的散射回波強(qiáng)度差異確定。差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，要求光源脈沖功率高、脈沖窄，從而使應(yīng)用受到限制。
上述前兩種方法采用普通光源，存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)或分辨率低等不足；后兩種方法采用激光光源，從根本上解決了前兩種方法的不足，從測(cè)量方法的角度看它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們都需要波長(zhǎng)不同的兩束光，通過(guò)兩束光穿過(guò)待測(cè)氣體后形成的差異來(lái)確定被測(cè)氣體的濃度。雙光束必然帶來(lái)設(shè)備龐大復(fù)雜、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，維修費(fèi)用高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的不足，在方法上解決采用雙光束的問(wèn)題，在設(shè)備或裝置上解決設(shè)備龐大復(fù)雜、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等問(wèn)題，提供一種新的光譜遙感監(jiān)測(cè)方法——單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的方法以及實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備。
當(dāng)一束光通過(guò)某一氣體樣品時(shí)，氣體樣品將吸收某些特定波長(zhǎng)的光。精確的測(cè)量氣體樣品吸收的光能量，利用Beer-Lambert定律就可以反演出氣體樣品的濃度。
根據(jù)遙感探測(cè)氣體的一般原理(如附圖1)，為了達(dá)到遙感檢測(cè)的目的，我們將一束激光穿過(guò)氣體樣品，光束經(jīng)反射靶的反射，再經(jīng)過(guò)透鏡使光束聚焦于光電探測(cè)器PD上。根據(jù)Beer-Lambert定律，光電探測(cè)器PD接收到的回波光功率為P＝P0(Sηρ/(2R)2)exp[-σ(v)×2CR](1)其中，P0、P分別為激光的出射功率和經(jīng)過(guò)探測(cè)區(qū)域經(jīng)反射靶反射匯集在探測(cè)器PD上的光功率(單位W)；S為光接收系統(tǒng)的有效接收面積(單位m2)；η為光接收系統(tǒng)的總接收效率；ρ為反射靶的微分反射系數(shù)(單位sr-1)；R為探測(cè)距離(單位m)；σ(v)是被測(cè)量氣體分子在激光頻率v上的吸收系數(shù)(單位atm-1-m-1)；CR為被測(cè)氣體的路徑-積分濃度(Path-integrated concentration)，單位是atm-m。由于探測(cè)光程為探測(cè)距離的兩倍，因此，(1)式指數(shù)部分中濃度CR應(yīng)乘以2。當(dāng)光電探測(cè)器PD探測(cè)到回波光功率即P值后，根據(jù)(1)式就可以反演出氣體樣品的路徑-積分濃度即CR值(路徑-積分濃度即CR值除以探測(cè)距離或光程R得到氣體的平均濃度)。
在弱吸收(即被測(cè)氣體濃度較低)的情況下，一般滿足[σ(v)×2CR]＜＜1。這時(shí)(1)式可表示為P≈P0(Sηρ/(2R)2)[1-σ(v)×2CR](2)從(1)或(2)式可看出，當(dāng)使用直接吸收法遙感測(cè)量氣體濃度時(shí)，由于受S、η、ρ、R等不確定參數(shù)的影響，測(cè)量氣體濃度將變得很不方便。
當(dāng)使用激光二極管作為探測(cè)光源時(shí)，如果用頻率為f的正弦調(diào)制信號(hào)疊加到激光二極管的注入電流上，則二極管輸出的激光頻率也是被調(diào)制的。當(dāng)激光的調(diào)制中心頻率調(diào)諧在氣體吸收峰上時(shí)，其頻率可由下式表示v=v0+Δvcos(2πft) (3)其中，v0是吸收峰的中心頻率，Δv是調(diào)頻的頻偏，f是調(diào)制頻率。
式σ(v)=σ(v0+Δvcos(2πft)，可以分解成如下Fourier余弦級(jí)數(shù)σ(v)=σ(v0+Δvcos(2πft))]]>=σ0ΣN=0∞HN(v0)cosN(2πft)---(4)]]>這里HN(v0)是調(diào)制吸收系數(shù)的第N次Fourier系數(shù)；σ0是被探測(cè)氣體在吸收中心線上的吸收系數(shù)(單位atm-1-m-1，)。由(2)、(4)兩式可以得到從靶目標(biāo)反射回的激光束直流分量和其他各次諧波分量。如果回波光束被聚焦到探測(cè)PD上，并利用相敏檢測(cè)器檢測(cè)諧波信號(hào)，那么得到接收信號(hào)中的一次諧波分量和二次諧波分量P1f≈K1(Sηρ/(2R)2)P0(5)P2f＝K2(Sηρ/(2R)2)P0σ0H2(v0)×2CR(6)其中K1和K2是比例系數(shù)，由(5)和(6)式可得CR＝(K1/K2)×(P2f/P1f)/(2σ0H2(v0))＝K(P2f/P1f) (7)由上式可看出，只要測(cè)得回波光束中的一次諧波分量功率和二次諧波分量功率即可確定探測(cè)區(qū)域的路徑-積分氣體濃度CR。這里，K由定標(biāo)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定。
我們進(jìn)行如下的實(shí)驗(yàn)，用20cm×20cm的膠木板作反射靶，其與實(shí)驗(yàn)裝置的光接收面的距離可在1-5米之間變化(受實(shí)驗(yàn)室空間限制)。為了方便實(shí)驗(yàn)，以空氣中的水汽濃度為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。為此，將激光器的輸出波長(zhǎng)調(diào)諧在1.392μm(對(duì)應(yīng)于水的v1+v2吸收波帶)。當(dāng)反射靶的距離位置按一定規(guī)律進(jìn)行改變時(shí)，對(duì)接收到的光回波信號(hào)的一次諧波信號(hào)和二次諧波信號(hào)進(jìn)行逐一測(cè)量并記錄，其數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)附圖2。從附圖2中我們可以看出兩個(gè)信號(hào)都與探測(cè)光程R有關(guān)，且變化趨勢(shì)基本一致。在1.2米的附近兩個(gè)信號(hào)各有一個(gè)最大值，在最大值之前，接收的光信號(hào)隨距離增加而增大。在最大值之后，接收的光信號(hào)隨距離增加而減少，且基本遵循平方反比律的關(guān)系。附圖3所示的是比率P2f/P1f隨距離變化的關(guān)系。由此可知，雖然P2f、P1f兩個(gè)信號(hào)隨距離的變化具有顯著的非線性變化的特點(diǎn)，但比率P2f/P1f隨距離變化的關(guān)系卻呈線性關(guān)系。由于空氣中的水汽基本上均勻分布于所測(cè)量的光程中，因此，所測(cè)量的水汽路徑-積分濃度應(yīng)正比于測(cè)量光程，這與式(7)所表述的關(guān)系一致。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了(7)式的正確性。
根據(jù)上述的推導(dǎo)，本發(fā)明所述的探測(cè)氣體的方法是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的方法，用一確定頻率的正弦信號(hào)去調(diào)制具有被探測(cè)氣體吸收峰的中心頻率的二極管激光器發(fā)出的激光作為探測(cè)光，該探測(cè)光穿過(guò)被探測(cè)區(qū)域后被角反射器或墻面等自然靶材料反(散)射，其反(散)射光被接收裝置接收并聚焦于一光電探測(cè)器上進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換來(lái)的電信號(hào)由兩個(gè)相敏檢測(cè)器分別進(jìn)行一次諧波信號(hào)和二次諧波信號(hào)的檢測(cè)，其中相敏檢測(cè)器的參考信號(hào)頻率與正弦調(diào)制信號(hào)的頻率一致，被探測(cè)區(qū)域的氣體路徑-積分濃度將由下式確定CR＝K(P2f/P1f)這里K由定標(biāo)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定。
不同的被測(cè)氣體有不同的參數(shù)K值，其由定標(biāo)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定。定標(biāo)校準(zhǔn)是通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置在一系列已知標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體下的輸出P2f/P1f來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定標(biāo)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是一種最經(jīng)常采用的、公知的確定某些參數(shù)或系數(shù)等的技術(shù)手段，在一些技術(shù)領(lǐng)域的科研中經(jīng)常被采用。
本發(fā)明所述方法是通過(guò)用一定頻率的正弦調(diào)制信號(hào)疊加到激光二極管的輸入電流上來(lái)完成激光頻率的調(diào)制的。從理論上講，正弦調(diào)制信號(hào)的頻率對(duì)探測(cè)氣體濃度的結(jié)果不產(chǎn)生影響，但在某一氣體吸收峰的中心頻率下，激光二極管的輸入電流上疊加不同頻率的正弦調(diào)制信號(hào)將影響激光二極管的發(fā)射輸出功率，進(jìn)而影響激光的探測(cè)距離，因此，在激光頻率(通常為針對(duì)不同待測(cè)氣體的吸收峰的中心頻率)確定的情況下，正弦調(diào)制信號(hào)的頻率應(yīng)保證激光二極管所發(fā)出的激光功率最大，以保證有最大的探測(cè)距離。由于不同的激光二極管甚至同一廠家生產(chǎn)的同一型號(hào)的激光二極管，在調(diào)制正弦信號(hào)后其輸出功率具有極大的離散性，實(shí)際操作過(guò)程中，每一個(gè)二極管激光器在一定激光頻率下，保證其輸出功率最大所對(duì)應(yīng)的正弦調(diào)制信號(hào)的頻率需通過(guò)調(diào)試來(lái)確定。
不同的被測(cè)氣體有公知的激光吸收峰的中心頻率或中心波長(zhǎng)。下面是幾種經(jīng)常被探測(cè)氣體的吸收峰的中心波長(zhǎng)甲烷～1.653μm，一氧化碳～1.581μm，二氧化碳～1.580μm，氨氣～1.99μm。
將上述的(1)式和(7)式進(jìn)行比較可以看出，與(1)式對(duì)應(yīng)的直接吸收法遙感測(cè)量氣體濃度所不同的是，以本發(fā)明所述方法確定的氣體濃度基本不受外界多種不確定因素的影響，其路徑-積分濃度只與探測(cè)到的一、二次諧波功率的比值有關(guān)，因此，探測(cè)器探測(cè)到的值是否是全部光回波的真實(shí)值對(duì)確定被測(cè)氣體的濃度不產(chǎn)生影響，不同反射靶的不同反射率所帶來(lái)的光回波信號(hào)強(qiáng)弱對(duì)確定被測(cè)氣體濃度也不會(huì)產(chǎn)生影響，因?yàn)?，回波信?hào)強(qiáng)弱變化，其一、二次諧波功率的比值保持不變，因此，本發(fā)明所述方法測(cè)量方便，測(cè)量精確度高。且具有靈敏度高、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。由于只發(fā)射單束激光，也使實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低。
與差分吸收激光雷達(dá)等方法探測(cè)氣體濃度相比，本發(fā)明所述的方法由于使用單一激光源從而使系統(tǒng)成本大大降低。大的激光探測(cè)功率可能導(dǎo)致空氣電離，從而影響激光在煤礦等特殊環(huán)境下的應(yīng)用，而本發(fā)明所呈現(xiàn)出的低探測(cè)功率和高靈敏度特性，使這種應(yīng)用成為可能。同時(shí)，本發(fā)明使用的激光波長(zhǎng)為1.44μm以上，對(duì)人眼是安全的。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供實(shí)現(xiàn)上述方法的設(shè)備，并只以提供該設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)為目的。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的設(shè)備，包含殼體和內(nèi)部電路，在殼體的前端面上固定有其中心開(kāi)有光孔的透鏡，在殼體內(nèi)透鏡的焦距處固定有光電探測(cè)器，在內(nèi)部電路中包含一個(gè)二極管激光發(fā)射模塊，二極管激光發(fā)射模塊的激光發(fā)射出口與傳導(dǎo)光纖相連，傳導(dǎo)光纖的另一端置于透鏡中心的光孔內(nèi)，在內(nèi)部電路中還包含正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊，正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊的信號(hào)輸出端與二極管激光發(fā)射模塊的調(diào)制信號(hào)輸入端口相連，內(nèi)部電路還包含兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊，每個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的檢測(cè)信號(hào)輸入端分別與光電探測(cè)器的電信號(hào)輸出端相連，同時(shí)，每個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的參考頻率信號(hào)的輸入端分別與正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊的信號(hào)輸出端相連，兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的輸出端與以微處理器CPU為核心的信號(hào)處理、顯示電路相連并受該信號(hào)處理、顯示電路的控制。
本發(fā)明所述設(shè)備由于其激光發(fā)射部件以及各功能電路都采用了現(xiàn)有的電路模塊，各功能電路模塊可以選用不同廠家、不同型號(hào)的產(chǎn)品，但各電路模塊的各線端的功能是已知的，因此，各模塊之間如何連接對(duì)電學(xué)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的且無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)。以微處理器CPU為核心的信號(hào)處理、顯示電路實(shí)際上就是以CPU為核心的一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件組合，其工作過(guò)程為適時(shí)采集兩個(gè)相敏檢測(cè)電路檢測(cè)到的激光回波一、二次諧波的功率信號(hào)(實(shí)際上檢測(cè)到的是與一、二次諧波功率相關(guān)的參數(shù)，相關(guān)參數(shù)即可計(jì)算出兩諧波功率的比值)，在相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件的支持下計(jì)算出兩諧波功率的比值，以此最終得到被測(cè)氣體的濃度，并對(duì)濃度值加以顯示。完成上述功能的計(jì)算機(jī)硬件電路在計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的普通技術(shù)來(lái)說(shuō)是無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)即可完成的，因此，本發(fā)明在權(quán)利要求中對(duì)模塊之間的具體連接(哪個(gè)線端連接哪個(gè)線端)以及信號(hào)處理、顯示電路具體的電路連接結(jié)構(gòu)未作詳細(xì)描述，但在說(shuō)明書(shū)附圖中給出了信號(hào)處理、顯示電路的具體電路原理圖。
該設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本低，同時(shí)具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、不用采樣等特點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生傳感元件的“中毒”現(xiàn)象。該設(shè)備可以很方便地探測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域或不便于安裝普通探測(cè)器區(qū)域的氣體濃度，可應(yīng)用于礦井瓦斯監(jiān)測(cè)，石油化工、天然氣等行業(yè)對(duì)甲烷等有害氣體泄露的監(jiān)測(cè)


圖1為遙感探測(cè)氣體原理圖；圖2為一、二次諧波信號(hào)與遙感探測(cè)距離的關(guān)系圖；圖3為二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)的比率與檢測(cè)距離的關(guān)系圖；
圖4為氣體理論探測(cè)極限與光電探測(cè)器接收功率關(guān)系圖；圖5為探測(cè)甲烷氣體的定標(biāo)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中路徑積分濃度與P2f/P1f關(guān)系圖；圖6為本發(fā)明所述設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明所述設(shè)備內(nèi)各電路模塊間線端連接的示意圖；圖8為信號(hào)處理、顯示電路的具體電路原理圖；圖9為與圖8連接的信號(hào)處理、顯示電路的另一部分；圖10為設(shè)備殼體圖；圖11為設(shè)備殼體后面板結(jié)構(gòu)圖；圖12為設(shè)備殼體前面板結(jié)構(gòu)圖；具體實(shí)施方式
方法實(shí)施例本實(shí)施例以探測(cè)甲烷氣體為例。
單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的方法，用一確定頻率的正弦信號(hào)去調(diào)制具有被探測(cè)氣體吸收峰的中心頻率的二極管激光器發(fā)出的激光作為探測(cè)光，該探測(cè)光穿過(guò)被探測(cè)區(qū)域后被角反射器或墻面等自然靶材料反(散)射，其反(散)射光被接收裝置接收并聚焦于一光電探測(cè)器上進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換來(lái)的電信號(hào)由兩個(gè)相敏檢測(cè)器分別進(jìn)行一次諧波信號(hào)和二次諧波信號(hào)的檢測(cè)，其中相敏檢測(cè)器的參考信號(hào)頻率與正弦調(diào)制信號(hào)的頻率一致，被探測(cè)區(qū)域的氣體路徑-積分濃度將由下式確定CR＝K(P2f/P1f)這里K由定標(biāo)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定。
采用Littman結(jié)構(gòu)的外腔式二極管激光(ECDL)器(TEC500型，德國(guó)Sacher公司)作為激光源。甲烷氣體的中心波長(zhǎng)為1.653μm。在此激光頻率下，通過(guò)調(diào)試確定正弦調(diào)制信號(hào)的頻率為10KHZ，幅度為1.2V。
理論上可探測(cè)氣體(甲烷)的最小濃度與光電探測(cè)器PD的接收功率有關(guān)。附圖4給出了理論探測(cè)極限與光電探測(cè)器接收功率的關(guān)系。本實(shí)施例使用G8605-23 PD(HAMAMATSU公司，s＝0.9AW-1，Rsh＝200MΩ，Idark＝2.5nA)作光電探測(cè)器，理論最小可探測(cè)甲烷濃度大約是8.7×10-8atm-m，即相當(dāng)于87ppb-m。
定標(biāo)校準(zhǔn)是通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置在一系列已知標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體下的輸出P2f/P1f來(lái)實(shí)現(xiàn)的。將一個(gè)長(zhǎng)度為300mm，直徑為25mm，兩端裝有HB850玻璃窗的銅管做樣品池放在激光出射端和發(fā)射靶之間的探測(cè)光程中，分別將標(biāo)準(zhǔn)濃度c為10，50，100，300，500，1000ppm的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣(以氮?dú)庾髌胶鈿?，氣壓?atm)導(dǎo)入樣品池，然后分別測(cè)得相應(yīng)的P2f/P1f由(7)式可知，測(cè)量結(jié)果與探測(cè)光程無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)在無(wú)其它甲烷氣源干擾的情況下，實(shí)驗(yàn)裝置的輸出P2f/P1f僅與樣品池中的甲烷氣體濃度有關(guān)。由于回波信號(hào)基本不通過(guò)樣品池，因此，樣品池中對(duì)應(yīng)于這些標(biāo)準(zhǔn)濃度的路徑-積分濃度CR＝0.3c/2，即分別為1.5、7.5、15、45、75、150ppm-m。圖5顯示了在這些不同樣品路徑-積分濃度下測(cè)得的相應(yīng)的P2f/P1f值，其中的斜線為擬合曲線。由此可計(jì)算出(7)式中的K＝0.2197，從而完成了定標(biāo)校準(zhǔn)。
在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)測(cè)最小可分辯輸出P2f/P1f在5×10＝5的量級(jí)左右，由此可估計(jì)出實(shí)驗(yàn)最低可探測(cè)濃度為420ppb-m。這個(gè)實(shí)驗(yàn)值約是最小理論可探測(cè)濃度的五倍。
設(shè)備實(shí)施例單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的設(shè)備，包含殼體9和內(nèi)部電路，在殼體9的前端面上固定有其中心開(kāi)有光孔的透鏡4，在殼體內(nèi)透鏡4的焦距處固定有光電探測(cè)器5，在內(nèi)部電路中包含一個(gè)二極管激光發(fā)射模塊2，二極管激光發(fā)射模塊的激光發(fā)射出口與傳導(dǎo)光纖3相連，傳導(dǎo)光纖3的另一端置于透鏡4中心的光孔內(nèi)，在內(nèi)部電路中還包含正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊1，正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊1的信號(hào)輸出端與二極管激光發(fā)射模塊2的調(diào)制信號(hào)輸入端口相連，內(nèi)部電路還包含兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊6、7，每個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的檢測(cè)信號(hào)輸入端分別與光電探測(cè)器5的電信號(hào)輸出端相連，同時(shí)，每個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的參考頻率信號(hào)的輸入端分別與正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊1的信號(hào)輸出端相連，兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊6、7的輸出端與以微處理器CPU為核心的信號(hào)處理、顯示電路8相連并受該信號(hào)處理、顯示電路的控制。本實(shí)施例的透鏡選用菲涅爾透鏡；在光纖伸入透鏡光孔的一端上連接一個(gè)GRIN光纖準(zhǔn)直器10，光纖準(zhǔn)直器的一端伸入透鏡光孔內(nèi)，使出射光與光發(fā)射平面垂直。
本實(shí)施例中光電探測(cè)器選用日本濱松公司生產(chǎn)的G8605-23。二極管激光發(fā)射模塊選用美國(guó)Power Technology公司生產(chǎn)的IQ1A(1654-5)F2X46，相敏檢測(cè)電路模塊選用德國(guó)FEMTO公司生產(chǎn)的LIA-BVD-150H，此型號(hào)的相敏檢測(cè)電路模塊中就帶有一個(gè)調(diào)制信號(hào)可選插接芯片，本實(shí)施例直接選用插接于一個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊中的該可選插接芯片作為內(nèi)部電路中的正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊(該模塊為德國(guó)FEMTO公司生產(chǎn)的SOM-1)。每一個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊有32對(duì)輸入、輸出線端，每對(duì)中的兩個(gè)線端用A、C區(qū)分，這樣，每個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的32對(duì)輸入、輸出線端就表示為PinA1一PinA32和PinC1-PinC32，在每個(gè)線端標(biāo)號(hào)的后面標(biāo)注-1或-2，用以區(qū)分兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的線端。帶有調(diào)制信號(hào)可選插接芯片的相敏檢測(cè)電路模塊的線端PinA30、PinA17(即正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊1的信號(hào)輸出端)與二極管激光發(fā)射模塊2的調(diào)制信號(hào)輸入端口相連，帶有調(diào)制信號(hào)可選插接芯片的相敏檢測(cè)電路模塊的線端PinA30、PinA17同時(shí)與另一個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的參考頻率信號(hào)輸入端PinA32、PinA31相連，兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊6、7的輸出端PinA12-1、PinC15-1和PinA12-2、PinC15-2與以微處理器CPU為核心的信號(hào)處理、顯示電路8的相應(yīng)端相連，每個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的檢測(cè)信號(hào)輸入端PinC2-1和PinC2-2分別與光電探測(cè)器5的電信號(hào)輸出端相連。
以微處理器CPU為核心的信號(hào)處理、顯示電路8包含CPU芯片(U1W78E58)、收發(fā)器(U2 74HCT245)、鎖存器(U3 74HCT573)、存儲(chǔ)器(U4 62256)、譯碼器(U5 74HCT138)、接口擴(kuò)展芯片(U6 8255)、鎖存器(U13 74HCT574)、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(U12 ADC7874)和顯示器(128X64LCD)。在CPU的P1.0-P1.5線端上分別連接有開(kāi)關(guān)SW1-SW6，開(kāi)關(guān)SW1-SW6置于殼體的后面板上并分別對(duì)應(yīng)于自檢、校準(zhǔn)、單測(cè)、連測(cè)、地址+1、存儲(chǔ)的功能，在CPU的RESET線端連接有包含開(kāi)關(guān)SW0的開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)SW0也置于殼體的后面板上并對(duì)應(yīng)于電源開(kāi)關(guān)。液晶顯示器的顯示屏置于殼體的后面板上，以顯示被測(cè)氣體的濃度值。兩相敏檢測(cè)電路模塊的的輸出端PinA12-1、PinC15-1和PinA12-2、PinC15-2與模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)端相連；接口擴(kuò)展芯片的相應(yīng)線端與兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的相應(yīng)線端相連(相互對(duì)應(yīng)關(guān)系在附圖中有詳細(xì)的顯示)，用以對(duì)兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的控制。
在調(diào)制信號(hào)的控制作用下，二極管激光模塊發(fā)出調(diào)制的激光探測(cè)光，經(jīng)光纖并經(jīng)激光準(zhǔn)直器從透鏡的中心光孔發(fā)射出去，激光照射到探測(cè)區(qū)域，并由自然靶材料表面反射回，由接收透鏡匯聚至光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)連同調(diào)制信號(hào)一同送給兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊，解調(diào)出一次諧波信號(hào)和二次諧波信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)由數(shù)據(jù)處理顯示電路處理后得到被探測(cè)區(qū)域的氣體平均濃度，并給予顯示。
權(quán)利要求
1.一種單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的方法，用一確定頻率的正弦信號(hào)去調(diào)制具有被探測(cè)氣體吸收峰的中心頻率的二極管激光器發(fā)出的激光作為探測(cè)光，該探測(cè)光穿過(guò)被探測(cè)區(qū)域后被角反射器或墻面等自然靶材料反(散)射，其反(散)射光被接收裝置接收并聚焦于一光電探測(cè)器上進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，其特征為轉(zhuǎn)換來(lái)的電信號(hào)由兩個(gè)相敏檢測(cè)器分別進(jìn)行一次諧波信號(hào)和二次諧波信號(hào)的檢測(cè)，其中相敏檢測(cè)器的參考信號(hào)頻率與正弦調(diào)制信號(hào)的頻率一致，被探測(cè)區(qū)域的氣體路徑-積分濃度將由下式確定CR＝K(P2f/P1f)這里K由定標(biāo)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定。
2.如權(quán)利要求1所述的單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的方法，其特征為在激光頻率確定的情況下，正弦調(diào)制信號(hào)的頻率應(yīng)保證激光二極管所發(fā)出的激光功率最大。
3.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述方法的單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的設(shè)備，包含殼體(9)和內(nèi)部電路，在殼體(9)的前端面上固定有其中心開(kāi)有光孔的透鏡(4)，在殼體內(nèi)透鏡(4)的焦距處固定有光電探測(cè)器(5)，在內(nèi)部電路中包含一個(gè)二極管激光發(fā)射模塊(2)，二極管激光發(fā)射模塊的激光發(fā)射出口與傳導(dǎo)光纖(3)相連，傳導(dǎo)光纖(3)的另一端置于透鏡(4)中心的光孔內(nèi)，其特征為在內(nèi)部電路中還包含正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊(1)，正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊(1)的信號(hào)輸出端與二極管激光發(fā)射模塊(2)的調(diào)制信號(hào)輸入端口相連，內(nèi)部電路還包含兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊(6)、(7)，每個(gè)相連，同時(shí)，每個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊的參考頻率信號(hào)的輸入端分別與正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊(1)的信號(hào)輸出端相連，兩個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊(6)、(7)的輸出端與以微處理器CPU為核心的信號(hào)處理、顯示電路(8)相連并受該信號(hào)處理、顯示電路的控制。
4.如權(quán)利要求3所述的單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的設(shè)備，其特征為相敏檢測(cè)電路模塊選用德國(guó)FEMTO公司生產(chǎn)的LIA-BVD-150H，此型號(hào)的相敏檢測(cè)電路模塊中就帶有一個(gè)調(diào)制信號(hào)可選插接芯片，直接選用插接于一個(gè)相敏檢測(cè)電路模塊中的該可選插接芯片作為內(nèi)部電路中的正弦調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路模塊。
全文摘要
本發(fā)明為單激光源諧波遙感探測(cè)氣體的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備。所述的方法為，用一確定頻率的正弦信號(hào)去調(diào)制具有被探測(cè)氣體吸收峰的中心頻率的二極管激光器發(fā)出的激光作為探測(cè)光，該探測(cè)光穿過(guò)被探測(cè)區(qū)域后被反(散)射，其反(散)射光聚焦于一光電探測(cè)器上進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換來(lái)的電信號(hào)由兩個(gè)相敏檢測(cè)器分別進(jìn)行一次諧波信號(hào)和二次諧波信號(hào)的檢測(cè)，其中相敏檢測(cè)器的參考信號(hào)頻率與正弦調(diào)制信號(hào)的頻率一致，被探測(cè)區(qū)域的氣體路徑－積分濃度將由下式確定C
文檔編號(hào)G01N21/25GK1470863SQ0313872
公開(kāi)日2004年1月28日 申請(qǐng)日期2003年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月20日
發(fā)明者賈鎖堂, 尹王保, 馬維光, 肖連團(tuán), 李昌勇, 趙建明 申請(qǐng)人:山西大學(xué)