第33卷，第4期 2013年4月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 33,No. 4,pp881-885
April，2013
可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波信号的模拟与分析李晗，刘建国，何亚柏，何俊峰，姚路，许振宇，陈玖英，袁松，阐瑞峰”
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽合肥230031
摘要可调谱二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术，具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点。波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号，用于气体浓度信息的反演。利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink，模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号，利用锁相放大原理提取二次谐波分量。采用数字锁相，正交双通道结构实现锁相算法。通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况，分析了二次谐波信号与调制系数的关系，以便确定最佳参数，用于二次谱波的提取。
关键词可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)；二次谐波；Simulink；锁相
DOI; 10. 3964/j. issn. 10000593(2013)04-0881-05
中图分类号：O433
引言
文献标识码：A
1谐波检测原理[36]
可调谱二极管激光吸收光谱技术（TDLAS)，是利用半导体激光器波长调谐特性，通过电流控制波长扫描获得被测气体特征吸收光谱，从而对痕量气体进行测量的一种技术。这种技术具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点，已经广泛应用于工业过程监测控制、痕量气体检测、分子光谱研究等领域(12)
TDLAS可以分为直接吸收光谱技术和调制吸收光谱技术，在波长调制光谱(WMS)技术中，激光器的注人电流受到慢变的扫描锯齿信号和快变的高频正弦信号共同作用，使激光器的输出波长在气体的吸收峰附近调谐。光束通过气体吸收池后产生吸收信号，该信号可以利用锁相放大器进行谐波检测，解调出二次谱波信号，获得气体吸收的信息。与直接吸收光谱技术相比，波长调制光谱技术提高了检测精度和灵敏度，减少了系统的不稳定性。利用数字锁相进行二次谐波解调，数字锁相灵活应用各种数字信号处理技术，与模拟锁相相比，可以避免模拟锁相存在的温度漂移、相位漂移等缺点，减少信号质量的损失。本工作提出了波长调制吸收光谱二次谐波信号的模拟方法，利用数字锁相算法提取二次谐波信号，分析了相关参数对二次谐波信号的影响。
根据Beer-Lambert定律，当一束频率为强度为I。的激光通过气体样品，输出光强「可以表示为
I() = I()exp(—()LN)
(1)
其中，α()是吸收系数，L是吸收光程长，N是吸收气体的浓度。
当激光的中心频率.受到频率为%的正弦波调制时，
其瞬时额率可表示为
w = cn, +&ucos(ant)
(2)
式中，&是调制幅度，其典型值与吸收线宽一个量级。光通过样品吸收池后的强度可以用I(c元）的余弦傅里叶级数来表示
I(or,t)
CA.(ar.)cos(romt)
每个谱波分量A,(n>0)可以用锁相放大器测得 A. (an,) =,I (a. +&cos) exp(-a(a +
元J
&ecos)LN)cos()d
式中，=ant。
(3)(4)
当I。（α)和。(α)已知时，上式可以计算得出。在I。不变的理想情况下可以扫描得到吸收线，对于ppm量级的痕量气体弱吸收面言，aLN<1，可得到
收搞日期：2012-07-18，修订日期：2012-09-25
基金项目：国家自然科学基金项目（61108034)，（973)前期先导专项（2010CB234607)，中国科学院先导专项(XDA05040102)资助
作者简介：李略，1987年生，中国科学院安微光学精密机械研究所硕士研究生
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