(二)

背景技术

传统气体分析检测系统通常采用的是基于傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪，傅立叶变换红外光谱仪利用其内部的干涉仪产生干涉信息并通过傅里叶变换求得光谱信息，近红外傅里叶变换光谱法具有高信噪比和高灵敏度等优点，但是整个系统庞大并且成本高，缺乏便携性，因此不适合用现场实时检测气体。

重构型光谱仪解决了因光学元件和光程长度等因素限制光谱仪的小型化，这种技术能够补偿小型化带来性能的下降，该类型的光谱仪可利用硬件的技术进步和新的算法处理来提高性能和缩小尺寸。

为了实现具有高性能的便携式气体检测系统，T.Scharf等人采用硅微加工层状光栅的干涉仪应用在微机电系统(MEMS)技术的傅里叶变换红外光谱仪中，设计出一种多气体检测分析的系统，使系统的小型化得到提升(T.Scharf，et al.，“Miniaturized Fouriertransform spectrometer for gas detection in the MIR region”IEEE，2010)；ShaodaZhang等人设计出基于线性可变光学滤波器和基于MEMS的红外热电堆探测器阵列的气体传感系统，热电堆检测器使用p和n型多晶硅或者Al金属作为热电偶材料，光学滤波器作为窄带滤波器阵列安装在热电堆探测器阵列上方形成了微型中红外光谱仪(Shaoda Zhang，etal.，“A COMPACT MEMS-BASED INFRARED SPECTROMETERFORMULTI-GASES MEASUREMENT”IEEE，2019)； Alaa Fathy等人设计一种基于MEMS技术的FTIR光谱仪的气体传感系统，将两个单独MEMS干涉仪通过深反应离子刻蚀技术并行集成在同一个芯片，通过增加扫描光程差OPD提高了系统分辨率(Alaa Fathy，et al.，“ON-CHIP PARALLEL ARCHITECTURE MEMSFTIR SPECTROMETERS ENABLINGHIGH SPECTRAL RESOLUTIONFOR ENVIRONMENTAL GASANALYSIS”IEEE，2019)；Jarkko Antila等人使用基于微光机电系统(MOEMS)的表面微机械可调谐的法布里-珀罗干涉仪开发了一种用于气体传感的小型中红外光谱仪，该干涉仪使用单像素探测器进行高质量的光谱测量，避免了昂贵的线性阵列检测器(Jarkko Antila，et al.，“Miniaturized MOEMS spectrometer technology for gas sensing”IEEE，2013)；沈涛等人于2020 公开了一种“片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器及制作方法”(中国专利： CN202010028965.7)，通过借助制备的片状ZnO/石墨烯敏感材料和强干涉光纤结构使传感器干涉谱因二氧化氮气体浓度变化而产生较大飘移，漂移量可测量对应气体浓度，气体传感器信号经过光纤环形器传送至光谱仪。

以上发明存在以下缺陷和不足：1、傅里叶变换红外光谱仪结构由于其各种光学部件和光程长度等因素限制了其小型化，体积庞大并且价格昂贵，采用微机电系统(MEMS)技术的傅里叶变换红外光谱仪虽然在尺寸上得到一定缩小，但是其分辨率较低；2、将两个迈克尔逊干涉仪并行集成在芯片虽然增加了光谱仪的分辨率，但是对芯片加工要求高，而且增大了系统尺寸，限制了小型化；3、光谱仪采用可调谐的光学滤波器，需要单独制造光学元件，不但增加光谱仪的制造难度和成本，还降低了探测器的吸收效率和灵敏度，并且增加系统尺寸；4、采用表面微机械可调谐的法布里-珀罗干涉仪，虽然采用单像素探测器可以减少了系统尺寸，但是干涉仪依旧采用光学部件等构造导致尺寸较大，而且表面微机械加工技术对芯片加工艺要求高，造价高昂，设计复杂；5、通过制备的片状ZnO/石墨烯敏感材料和强干涉光纤结构相融合制作高灵敏度光纤气体传感器，该方法对材料制备要求高，造价高昂，并且采用传统的红外光谱仪，尺寸大且价格昂贵，不适用于现场便携式实时检测气体。

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于光谱重构型光谱仪的便携式温室气体检测系统，系统设计了基于光谱重构技术的微型光谱仪，通过单个红外探测器并组合不同偏压的方式可以得到大量不同光谱响应情况，得到具有高采样分辨率的光谱响应函数，故该光谱仪具有高分辨率和高集成度的优点，系统通过红外吸收光谱法检测气体，可实现结构简单并且高性能的便携式气体检测系统。

入射光照射到光电探测器，会产生电子空穴对，较短波长的光在表面附近被吸收，而具有较长波长的光则更深穿透半导体材料直到被吸收为止，PN结的表面电子空穴对产生的速率G取决于入射光通量M、入射光的波长λ、材料的光吸收系数α以及与硅表面的距离y，如公式(1)所示：

G(y)＝Mα(λ)exp(-α(λ)y) (1)

由于电子空穴对的产生，光照射到PN结会产生光电流，由光照引起的光电流如公式(2)所示：

I_L＝-qAG(y)×(Ln+Xd+Lp) (2)

其中A为PN结的结面积，Xd为势垒宽度，Lp和Ln分别是空穴和电子扩散长度，光电探测器的光产生电流取决于入射光和PN结结构性质；在无辐射作用的情况下，光电探测器的特性与普通的光电二极管相同，外置偏压为V时其电流方程如公式(3)所示：

其中I₀为反向饱和电流，KT为热压当量并且其常温下的值为26mev，光电探测器一般外置负电压，反向偏压不能超过击穿电压，通过上述公式(2)和(3) 的可知，在外置偏压为V时光辐射作用到光电二极管产生的电流如公式(4)所示：

光谱响应度指的是光电探测器对单色光的响应能力，光谱响应函数表示在某偏置电压下产生的光电流随着波长的变化而变化的情况，通过公式(4)可以得到在偏压为V时典型的光谱响应曲线。

PN结的势垒宽度X_d与半导体的外置偏压V有关，其公式如(5)所示，

其中N₀为约化浓度，ε_s为介电常数，V_bi为内建电势,通过公式(4)和 (5)可知外置偏压会影响光电探测器产生的光电流，会改变公式(3)和公式(2) 表示的光电流，外置偏压主要改变的是由光照产生的光电流，随着外置负压的绝对值增加，光电探测器产生的电流会相应增加，也就是光谱响应度会增加，并且光谱响应度与偏置电压呈现的单调关系不是简单成正比，即不同偏压下光电探测器的光谱响应具有特殊性，故采用不同偏置电压可以使探测器具有不同的光谱响应。

在某固定波长的入射光照射下，通过测量在固定偏压下光电探测器产生的光电流来得到探测器在某固定偏压下的光谱响应函数，光电流需要归一化处理 (将光电流值比上入射光的光强值)，探测器在外置偏压值为V_j时的光谱响应为 R_j(λ)。

F(λ)表示入射光的光谱信息，包含的参数为光强和波长，由入射光F(λ) 照射到光电探测器，探测器在外置偏压为V_j时测量得到的光电流I_j可以用公式(6) 表示：

F(λ)表示入射光在波长为λ时光强，在低于击穿电压的工作条件下，探测器形成的光电流与光强度成正比，光谱响应函数的归一化电流值表示光电流与光强的比例系数，所以F(λ)R_j(λ)代表着在偏置电压为V_j和波长为λ的入射光照射下探测器产生的光电流，光谱仪可检测的波长范围是从λ_min到λ_max，所以探测器在偏压为V_j的情况下产生的光电流I_j是在整个波长范围内对F(λ)R_j(λ)的积分，公式(6)也可写成离散形式，如公式(7)表示：

I＝R×F (7)

其中R表示探测器的光谱响应函数矩阵，I是通过测试得到的光电流数据矩阵，所以通过求解方程(7)可以重构未知的目标光谱F。

红外光谱是一种分子光谱，物质分子结构具有单一性，所以可以通过检测样品的光谱数据来确定该物质的分子结构，通过分析未知样品的光谱吸光度、吸收峰区域与形状对其进行定性定量分析，红外光谱定量分析法的理论基础是朗伯-比尔定律，温室气体主要包括CO2、CH4、N2O和水蒸气，这些气体成分吸收峰区域均在红外光谱区域。

当光照射到气体分子时，如果光谱与气体分子吸收峰谱线有交集，则一部分光会被消耗掉，导致总光强的减小，朗伯-比尔定律的具体阐述为当红外光以光强度为P₀入射到未知的气体样本中时，出射光P的光强度可以表示为公式(8)：

P(t)＝P₀(t)×exp[-α(λ)LC] (8)

式中C为气体浓度，α为气体的吸收系数，L为光路长度，P₀为入射光的强度，P为出射光的强度，通过对被测气体分子特征吸收峰的研究，选择合适的检测波段的宽带红外光源，让待测气体和传输光路完成吸收作用，利用朗伯- 比尔定律计算出待测气体的浓度。

设计好系统结构后往气室充入同一气体，气体的吸收系数α和光程L确定不变，检测出输入和输出的光强差就可以反映出气体浓度，气体浓度C的表达式可以表示为(9)：

系统得到待测气体的吸收光谱，通过与标准气体吸收光谱数据库进行比较得到气体成分，再测试得到气室两端得到的光强差，通过朗伯-比尔公式得出气体成分的浓度。