TDLAS系统方案01-基本原理

介绍TDLAS基本原理前，先介绍几个相关的概念：

1. TDLAS 技术的光谱吸收原理

TDLAS 技术，主要利用气体分子对激光的选择性吸收特性，通过调制半导体激光器的出射光波长，分析经过气体后的激光光谱来计算气体浓度。因此可见气体分子对光谱的选择吸收是基于 TDLAS 气体检测技术的基础。

TDLAS属于红外检测技术，红外线属于不可见光范畴。按照波长可具体分为：

近红外线：| (Near Infra-red，NIR)| 0.7~2.5 μm

中红外线：| (Middle Infra-red，MIR)| 2.5~25 μm

远红外线：| (Far Infra-red，FIR)| 25~500μm

极远红外线：15~1000μm

2.朗伯-比尔定律

作为光吸收的基本定律，比尔-朗伯定律是由 Lambert 于 1760 年提出的观点与August Beer 于 1852 年提出的观点相结合形成的，该定律表明，在外部环境不变的前提下，一束光通过均匀且无散射的溶液时，溶液对这束光的吸收度和溶液浓度、液体厚度两者的乘积成正比，此定律也适用于气体。当光通过气体时，朗伯-比尔定律可以表示为如下图1：

      图 1 朗伯-比尔定律

由上式可发现，此过程中，对于特定气体其吸收系数一定，压强 P 和光程 L都是可以测得的，只要测量入射光强 I 和透射光强 Io就并求得比值，就能计算出气体浓度的大小。这也从理论上证明了 TDLAS 技术在气体测量中的可行性。

3. 吸收谱线的选择

要研究某种气体，就要着重研究其分子吸收光谱，因为能级在气体分子内部的排布因种类而异。很多彼此分开的吸收线组成了分子的吸收谱，只有当入射光束的频率与分子所选择吸收的频率相符，才会发生光束的衰减。气体分子的吸收光谱的特点可以概括为以下 3 点： 

(1)发射的激光波长变化，吸收强度也会发生变化，而在某个频率处吸收呈

现极大值，出现吸收峰谱线； 

(2)一些分子在一定波长范围存在数量庞大的吸收线，从光谱图上看不出彼此分立，即使有间隔也极小，很难从中选出独立且吸收强度大的谱线；

(3)在某些频率间隔之间有很多相互重叠的吸收谱线，重叠的多少通过谱线之间的距离、谱线中心所在的频率，半峰宽度来决定。 要想获得精确的测量效果，尤其是痕量气体，谱线的选择十分重要。针对以上特点，选择吸收谱线时要注意以下 3 点： 

a.检测痕量气体时，要尽量选择强吸收谱线，可以提高检测的灵敏度；

b.尽量挑结构对称的吸收谱线，形状要尽量规整；

c.与其他谱线有一定频率差，不能靠的太近。

本文的研究对象是 CH4 气体，通过查询 HITRAN 数据库可以发现 CH4 在近红外波段 1653nm 附近有较强的吸收峰，光纤在此波段损耗低，光源技术也较成熟。综合考虑各因素，最终选定对应波长为 1653.72nm 的吸收谱线。

4 . 波长调制技术

早期的吸收光谱检测技术采用的是直接吸收的方法，但是由于要把激光的频率定在吸收光谱的吸收峰处，实际操作时由于受到环境、激光器、探测器等影响，激光输出频率很难保持在一个值，偏离吸收峰，导致检测灵敏度和精度的下降。因此在实际测量过程中，为了提高气体测量的精度，常采用对激光器用驱动电流来调节的方式来检测。

TDLAS 技术中的调制技术，主要 WMS 和 FMS两种。FMS 虽然频率高，能达到数百 MHz，但是调节幅度小，所用设备也非常昂贵。市面上常见的检测产品中，大部分采用的都是 WMS 技术。它虽然频率只有数k Hz 到几十 k Hz，与 FMS 相比较较低，但是调节幅度大，最终通过数据处理，它也能获得很高的灵敏度。

对于激光器，有两种方法来改变其输出光频率：调节温度和调节电流。温度调节对输出频率改变的幅度比较大，而电流调节对其影响较小。在 TDLAS 气体检测系统中，一般采用电流调节的方式。波长调制技术在激光器驱动电流中叠加信号用来使其规律变化，让输出光的频率覆盖气体吸收强度最大的频率并来回变化，其中叠加的信号为调制信号，通常是基波信号和调制信号两者的叠加。其中基波信号频率较低，通常为锯齿或三角波，它起着对激光器的波长有规律地来回改变，本文采用的是锯齿波；调制信号频率较高，通常采用正余弦信号。将激光器波长

通过温度和驱动电流调节至气体吸收峰附近，再在驱动电流中注入调制信号，可以实现激光在吸收峰附近的扫描，调制原理如下图2所示

图 2 激光波长调制图

图 3 谐波检测系统示意图

测量时减少激光器的噪声对于提高灵敏度至关重要。而激光器自身的 1/f 噪声主要集中在低频区，往高频区噪声大小呈指数衰减。波长调制正是利用此点，高频调制信号注入后，成功将检测信号也拉到高频率上。之后再提取高频窄带信号，获得所需光谱信息。这样就避开了低频高噪声区，大大提高了检测的信噪比。检测示意图如图 3所示。与传统的直接检测相比，有以下三方面优点：

首先，测得的谐波信号正比于气体的吸收强度，不再受限于背景信号的强弱；

其次，检测对频率进行了迁移，频率的提高削弱了噪声带来的影响，提高了信噪比和探测

灵敏度；

最后，所用到的可调谐二极管激光器结构简单、体积小巧，对于叠加高频调制信号操作很方便。

5. 谐波检测技术

谐波检测的原理就是通过对激光光源波长的调制，使待测信号被其扫描，再以倍频信号或者调制信号作为参考信号，产生与气体浓度信息有关的谐波信号。谐波检测就是要提取这些高次谐波信号来用于后续的计算。通常的提取方法有：傅里叶变换/快速傅里叶变换（DFT/FFT）算法、带通滤波器、锁相放大器等。

6.TDLAS 系统整体方案

根据谐波检测原理，所设计的 TDLAS 气体检测系统总体框架结构如图 4所示。系统主要由四个部分组成。

第一部分是图中标识的模块 1，是系统的光源驱动部分。低频锯齿波控制激光器波长扫过的范围，一般要覆盖吸收峰所在的区域，高频正弦波对激光器进行调制，配合温度控制模块，使激光器能够按照要求正常工作，此处须知，温度调节属于粗调，电流调节属于细调。

第二部分是信号转换部分，见图中模块 2，输出的激光通过气室发生吸收而衰减，从气室出来后的信号携带了气体的浓度信息，为了后续处理用光电探测器（PD）将光信号接受后再转变为电信号，接着用 AD 转换为数字信号来输入到数字电路中处理。在此之前要使得电压达到 AD 采样电压的最低标准，因此要进行电信号的放大。 

第三部分是信号的处理部分，见模块 3，放大后的信号，一路直接低通滤波得到直流分量，另外一路先通过带通滤波得到 2f 信号，再通过锁相放大器得到 2f 信号的幅值；之后利用得到的二次谐波分量幅值和直流分量进行后续的信号处理 ，计算出气体浓度。

第四部分见图中的模块 4，是对提取得到的二次谐波幅值进行平滑滤波处理和反演运算，最终计算所测得的气体的浓度值。

图 4 TDLAS 气体检测系统结构图