一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法
技术领域
本发明属于气体检测领域，具体涉及一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法。
背景技术
呼出内源性气体具有与人体生理代谢密切相关的标志性信息，通过检测相应呼出气体成分与浓度可对疾病进行快速无创诊断。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种高灵敏度、高特异性及测量系统简单稳定的光谱学测量方法，易于实现呼出气体的实时在线检测。在吸收光谱法气体检测系统中，气室是光与气体作用的场所，它的有效光程直接决定了系统的检测精度，气室结构的稳定性影响到系统的稳定性。
对比文件1(CN112304899)公开了一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，装置包括可调谐半导体激光器、光学腔、光电探测器、数据采集及处理系统、气体压缩腔、压力传感器、TEC半导体制冷器、微处理器以及显示屏等。该装置使用增强型法布里-珀罗(FP)光学腔，通过压缩气体体积以提升浓度的方式实现较高的检测精确度，但是其腔体尺寸较大，光程/腔体尺寸比值不高，腔体设计过于复杂，并且高反射率的腔镜造价高昂且需要复杂的稳定装置，系统稳定性较差。
对比文件2(CN102706832)公开了一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，包括激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、主探测器和参考探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路；该装置通过在强度调制消除电路中引入除法运算，结合空间双光路差分检测法，能够从根本上消除强度调制的影响，但是，在双光路差分检测法中，两光电探测器的失配问题是导致吸收峰信号发生畸变的根本原因。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，基于TDLAS技术，设计了一种单光路检测系统，通过改进的吸收峰提取算法，配合功率归一化系数，既能解调出气体的吸收信号，又能消除非吸收功率波动对吸收信号的干扰；同时采用光学球形腔，通过增加反射次数增加光程，大大提高了光程/腔体尺寸比值，解决了现有腔增强TDLAS技术中出现的稳定性差、成本高和体积大等问题。
一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，具体包括以下步骤：
步骤一、搭建基于腔增强的单光路痕量气体的在线检测装置，包括信号发生器、激光驱动器、可调谐半导体激光器、光束耦合器、光学球形腔、光电探测器、锁相放大器以及上位机。信号发生器的信号发生端与激光驱动器的输入端相连，激光驱动器的输出端与可调谐半导体激光器的输入控制端相连。光束耦合器将可调谐半导体激光器发出的激光引入光学球形腔，以及将反射后的光引出光学球形腔。光学球形腔上设有气体入口与出口。光电探测器的输入端接收光束耦合器引出的光束，输出端与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与上位机相连。
作为优选，可调谐半导体激光器为辐射波长为9.55μm的量子级联激光器。
作为优选，光束耦合器为棱镜光束耦合器、光栅光束耦合器或微纳结构耦合器中的一种。
作为优选，光学球形腔为二氧化硅腔，直径为150mm，腔内表面镀有金属镜面。
作为优选，光学球形腔内镀的金属镜面为银、金、铝或铂中的一种。
作为优选，所述在线检测装置还包括用于安装可调谐半导体激光器的散热器。
作为优选，光电探测器为光电倍增管。
步骤二、使用信号发生器生成低频梯形波与高频正弦波，并通过高频正弦波对低频梯形波进行调制后，输入激光驱动器，控制可调谐半导体激光器输出激光的波长与光强，并通过高频正弦波对输出的激光的光强进行同步调制。
作为优选，低频梯形波的频率为220Hz，高频正弦波的频率为2.55kHz。
步骤三、将待测气体从光学球形腔的气体入口输入，光束耦合器将调制后的激光信号引入光学球形腔中，激光信号在光学球形腔中经过多次反射与待测气体充分接触后被光束耦合器引出。
作为优选，激光信号在光学球形腔中经过多次反射后的光程不少于6.3m。
步骤四、光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号后传输给锁相放大器，锁相放大器通过改进的吸收峰提取算法，采集到激光信号中因被气体吸收而产生的凹陷，配合功率归一化系数解调出气体的吸收信号。具体方法为：
步骤4.1、锁相发大器采集激光信号经气体吸收后产生的凹陷：
A＝[P1,P2,.....,PN-1,PN] (1)
其中，A表示锁相放大器采集到的信号，P1,P2,.....,PN-1,PN分别代表一个上升沿采集周期内的采集的N个数据点。对采集到的信号进一步处理得到S1,S2,.....,SN-1,SN：
步骤4.2、引入光功率归一化系数m：
其中，Lbot和Ltop分别为采集到的梯形波信号的上下底幅值，归一化系数m用于表示激光信号与待测气体吸收后的实时光功率情况。因此处理后的气体吸收信号B为：
步骤五、锁相放大器将处理、解调后的气体吸收信号传输到上位机中，上位机通过算法反演，得到被测气体的浓度，实现气体的在线检测。
本发明具有以下有益效果：
采用单光路吸收峰解调方法，通过密封气孔充入被测气体，根据激光器的电流、温度调谐特性，使用低频率梯形波在一定范围进行扫描，同时叠加高频正弦信号作为载波进行调制，由量子级联激光器发出经高频调制后的高功率激光从光束耦合器的一边射入光学球形腔内，在光学球形腔内经过若干次反射被被测气体所吸收，然后激光通过光束耦合器的另一边射入光电探测器，光电探测器将带有被测气体信息的激光从光信号转为电信号，然后经锁相放大器用于通过一种特殊的吸收峰提取算法，配合功率归一化系数既能解调出气体的吸收信号，由上机位获得吸收信号信息，然后进行数据处理并通过算法进行目标呼出气体浓度反演，并将信号数据等显示并保存，具备高灵敏度、高分辨率、多组分气体同时实时连续在线检测的优势，能广泛应用于公共环境、医疗等领域。
附图说明
图1为气体在线检测方法流程图；
图2为实施例中在线检测装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，具体包括以下步骤：
步骤一、搭建如图2所示的基于腔增强的单光路痕量气体的在线检测装置100，包括信号发生器10、激光驱动器20、可调谐半导体激光器30、光束耦合器40、光学球形腔50、光电探测器60、锁相放大器70、上位机80。信号发生器10的信号发生端与激光驱动器20的输入端相连，激光驱动器20的输出端与可调谐半导体激光器30的输入控制端相连。光束耦合器40将可调谐半导体激光器30发出的激光引入光学球形腔50，以及将反射后的光引出光学球形腔50。光学球形腔50上设有气体入口51与出口52。光电探测器60的输入端接收光束耦合器40引出的光束，输出端与锁相放大器70的输入端相连，锁相放大器70的输出端与上位机相连80。可调谐半导体激光器30为安装在散热器上的辐射波长为9.55μm的量子级联激光器，其扫描范围内可覆盖氨气、乙烯和二氧化碳等气体的吸收。光束耦合器40为棱镜光束耦合器。光学球形腔50为二氧化硅腔，直径为150mm，腔内表面镀有银镜面。光电探测器60为光电倍增管。
步骤二、使用信号发生器生成220Hz的梯形波与2.55kHz的正弦波，并通过正弦波对低频梯形波进行调制后，输入激光驱动器，控制可调谐半导体激光器输出激光的波长与光强根据驱动电流和温度进行变化，并通过2.55kHz的正弦波对输出的激光的光强进行同步调制。
步骤三、将待测气体从光学球形腔的气体入口51输入，光束耦合器40将调制后的激光信号引入光学球形腔50中，激光信号在光学球形腔50中经过多次反射与待测气体充分接触后被光束耦合器40引出，激光信号在光学球形腔50中经过多次反射后的光程不少于6.3m。
步骤四、光电探测器60将接收到的激光信号转换为电信号后传输给锁相放大器70，锁相放大器70通过改进的吸收峰提取算法，采集到激光信号中因被气体吸收而产生的凹陷，配合功率归一化系数解调出气体的吸收信号。具体方法为：
步骤4.1、锁相发大器70采集激光信号经气体吸收后产生的凹陷：
A＝[P1,P2,.....,PN-1,PN] (1)
其中，A表示锁相放大器70采集到的信号，PN代表一个上升沿采集周期内的采集的第N个数据点。对采集到的信号进一步处理：
步骤4.2、引入光功率归一化系数m：
其中，Lbot和Ltop分别为采集到的梯形波信号的上下底幅值，归一化系数m用于表示激光信号与待测气体吸收后的实时光功率情况。因此处理后的气体吸收信号B为：
通过以上数据处理，梯形波凹陷部分会被拉平，同时，能够消除非吸收功率波动对测量结果的影响。
步骤五、锁相放大器70将处理、解调后的气体吸收信号传输到上位机80中，上位机80通过算法反演，得到被测气体的浓度，实现气体的在线检测。
