第34卷，第5期 2014年5月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
准连续激光调制吸收光谱的解调方法研究
邵欣1，2，刘福贵1，杜振辉3*，王维”
1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300401
2.天津机电职业技术学院电气电子技术应用系，天津300131 3.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072
Vol. 34 ,No. 5 -pp1186-1190
May,2014
摘要针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调，设计了一种专用的准连续软件锁相放大器，对采集的数据做有效性判断、无效数据滤除、数学相墩检测、数学滤波等处理，实现广准连续微光调制吸收光谱的谐波信号解调。构建气体检测实验系统，对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验，结果表明，使用准连续软件锁相放大器的AHan方差比后者小1个数量级、检测限低2倍。并能够解决小占空比时的信号失锁问题，具有小的信号波形失真。
关键词可调谐激光吸收光谱；准连续信号；谐波检测；软件锁相放大器
中图分类号：0433.5
引言
文献标识码：A
DOI : 10. 3964 /j. issn. 1000-0593(2014 )05-1186-05
滤波器参数设置受准连续信号的频率、占空比影响，使得输出信号的波形畸变失真、幅度降低，尤其是脉冲占空比较小时（例如0.2），还会出现信号失锁、无法输出正确的信号。针
调谐微光吸收光谱（TDLAS）属现今分析痕量气体的高灵敏检测技术之一。激光波长在气体吸收谱线周围做连续的线性扫描，同时叠加高频调制，使用锁相放大器对光电转换后的谐波（通常为2次)信号进行解调，获得气体的吸收强度信息，籍此可以计算气体的浓度、压力和温度等信息。TD-LAS技术在环境监测、工业过程、科学研究等领域得到产泛应用-53
近年来，为拓宽TDLAS可使用二极管激光器(LD)的种
类和波长范围，以准连续（或脉冲)LD进行痕量气体检测的 T作受到重视，早期应用脉冲LD的TDLAS技术采用直接吸收光谱分析，但是受激光强度波动和外部干扰的影响，其检测灵敏度不高。Namjou*和Weidmann（7研究表明利用准连续调制谱可获得比直接吸收光谱更高的检测灵敏度。本科研组重点对LD在准连续工作模式下的调制谱机理、多谐波检测方法进行了分析，实验表明LD在连续和准连续两种模式下的气体检测技术的灵敏度相当。实际上，连续LD也能以准连续模式工作，并具有调谐范围宽、热稳定性好、微光输出峰值功率高等优点[8-10]，准连续激光调制谱成为TD-LAS的重要形式[10-12]
然而，在准连续激光的谐波检测系统中，锁相放大器的收稿日期：2013-07-17，修订日期：2013-10-25
基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ06016501)资助
对这一难题，本文设计了一种适用于准连续激光调制吸收光谱分析的软件锁相放大器，并将其与普通锁相放大器的检测
结果进行了比较研究。 1工作原理
在准连续激光的谐波检测中，对半导体激光器的脉冲注入电流叠加高频正弦波，准连续调制信号表达式为
M(t) = Acos (fi t+ a) · Pulse(D, fz t)
(1)
其中，4为正弦信号的幅度，f和f分别为正弦和脉冲信号的频率，Pulse（)为脉冲函数，f=1/脉冲频率，D为脉冲函数的占空比，D<1。
对LD施加如式(1)所示准连续电流，LD有源区的热效应使输出波长在目标气体的吸收谱线附件调谐。尤其工作脉宽较窄情况下，此波长调谐更趋于线性[13}，故LD在t时刻输出的瞬态频率为
t) = (x+ kt+ cos(fi t)) · Pulse(D, fz t)
(2)
式中，为LD输出之中心频率，仅受脉冲幅值影响，为 LD有源区热效应导致的输出激光频率调谐系数
假设气体吸收线型为Lorentz线形，在弱吸收以及在激
作者简介：邵欣，1980年生，天津机电职业技术学院电气电子技术应用系讲师，河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室
e-mail : shaoxinme@ hotmail. com
博士研究生
e-mail ; duzhenhui@ tju. edu, cn
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