基于TDLAS甲烷遙測的數字鎖相電路設計*

張 亮, 李 曉, 王志斌, 張 瑞

(1.中北大學 山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，山西 太原 030051；2.中北大學 電氣與控制工程學院，山西 太原 030051)

0 引 言

傳統的甲烷氣體檢測一般采用熱催化測量法、熱導型測量法、紅外光譜吸收測量法[1]。熱催化測量法需要甲烷氣體接觸傳感器表面且會產生一定的熱量,不利于在天然氣運輸管道附近的甲烷測量。熱導型測量法利用純甲烷或高濃度甲烷的熱導率與空氣的熱導率相差較大，在測量中需要有較高的甲烷濃度，而天然氣傳輸管道處甲烷濃度較低,所以熱導型測量法難以達到要求[2～4]。紅外光譜吸收測量法主要采用鎖相放大器對經過甲烷氣體的帶有調制信號的紅外光進行諧波分量的提取[5]，從而實現天然氣管道附近微量甲烷的檢測要求。

本文提出了一種采用紅外光譜吸收測量法的甲烷測量系統硬件電路設計方法。將激光器驅動電路、控制電路、溫控電路以及探測器驅動電路合理優化從而達到硬件電路小型化，通過調節正交鎖相放大參數使系統能夠達到較高測量精度。

1 工作原理

1.1 光譜吸收原理

Beer-Lambert定理是可調諧激光吸收光譜技術(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)的理論基礎。當一束光強為I0且波長一定的紅外激光穿過特定氣體的吸收池時，其光強會隨著介質的吸收而有所衰減[6]。衰減規律為

I=I0e-PS(T)φ(v)XL

(1)

式中I0為入射激光光強,I為通過氣體吸收后的透射光強度,S(T)為氣體吸收特征譜線的線強度,φ(v)為線型函數,P為壓強,L為樣品吸收程長,X為吸收介質氣體體積濃度。

本設計的分布反饋式激光器(distributed feedback laser，DFB)輸出激光波長在一定范圍內連續可調，且具有單色性好、亮度高、方向性和相干性強、輸出線寬窄等優點。可用于微量氣體以及分辨率要求較高的氣體測量場所。

1.2 諧波檢測

TDLAS技術一般采用特定頻率的窄帶激光進行連續掃描從而得到目標氣體的吸收譜線，再利用DFB激光器波長隨電流改變的特性，實現對氣體的單條或多條距離較近且難以分辨的吸收線精確測量目的。當在激光器的直流驅動信號上調制適當頻率和幅度的正弦信號時，激光器輸出具有調制信號的激光，當通過調制的激光通過氣體吸收池時氣體對調制激光產生吸收作用，即本文實現甲烷檢測的主要理論依據[7～9]。

1.3 數字鎖相原理

鎖相放大器是一種能夠對交變信號進行相敏檢波的放大器，用來檢測淹沒在噪音中的微弱信號。通過用與被測信號具有相同頻率和相位的參考信號作為基準信號，其輸出結果只對與參考信號具有相同頻率(或倍頻)、相同相位關系的信號有響應。因此，能夠抑制無用噪聲，改善檢測信噪比[10，11]。

本文采用四通道相關解調算法，4個通道的信號分別為一倍頻正弦序列、一倍頻余弦序列、二倍頻正弦序列、二倍頻余弦序列。一倍頻正弦序列的參考序列設為rs1(k)，輸入信號的頻率設為f0,模/數(analog to digital conversion,A/D)轉換的采樣頻率設為fS=N×f(N≥3)，對輸入信號S(t)采樣后獲得的數字序列為

S(K)=Asin(2πk/N+θ)

(2)

式中A為模擬信號的幅值,θ為初始相位。則rs1(k)和S(K)對整個周期采樣的互相關函數Rsrs1為

(3)

設一倍頻余弦序列的參考序列為rc1(k)，則rc1(k)和S(K)對整個周期采樣的互相關函數Rsrc1為

(4)

同理，二倍頻正弦序列的參考信號為rs2(k)，二倍頻余弦序列的參考信號為rc2(k)，則可得rs2(k)與rc2(k)分別和S(K)對整個周期采樣的互相關函數為Rsrs2和Rsrc2分別為

(5)

(6)

2 實驗裝置

搭建的用于TDLAS型甲烷遙測的實驗裝置如圖1所示。甲烷遙測系統主要包括3個部分，即光學部分、電學部分和計算處理部分。光學部分是由位于激光器前端和光探測器處的兩個透鏡以及位于探測器前端的濾光片組成；電學部分由近紅外光探測器、FPGA核心控制部分、激光器驅動部分、TEC溫控電路組成；計算處理部分由模數轉換器和FPGA內部NIOS軟核組成。

圖1 甲烷遙測系統原理

測量過程首先由DFB激光器向目標區域發射一束經過調制的激光，激光通過被測氣體后經過反射聚焦于光探測器處。光探測器將接收的光強信號經過A/D轉換進入FPGA內部計算處理。同時采用與調制信號同頻率的標準一次諧波量和二次諧波量作為參考信號即可提取所測信號中一次諧波和二次諧波，再將計算所得的一倍頻和二倍頻數據送入FPGA內NIOS軟核中進行濃度數據的反演即可得到此時光路區域甲烷濃度進而可以得出天然氣濃度信息。

3 數字鎖相放大器電路設計

圖2所示為數字鎖相放大器的原理。在參考時鐘的驅動下，相位累加器對頻率控制字進行線性累加，相位累加器輸出的數據即為合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是數字頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)輸出的頻率信號。用相位累加器輸出的數據作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址，將所要產生信號的幅值離散為不同的數字量放入ROM中，再將對應的相位幅值線性累加，最終產生所需要的一定頻率的數字信號。DDS1cq為調制激光器驅動電流所需要的正弦信號，DDS1 sin 1x,DDS1 sin 2x,DDS1 cos 1x,DDS1 cos 2x分別為一倍頻和二倍頻的正弦、余弦標準參考信號。

圖2 數字鎖相放大器原理

在FPGA內采用DDS技術，使用同一頻率控制字控制激光器驅動信號和數字鎖相放大器參考信號的產生，使驅動信號和參考信號頻率一致。FPGA在參考時鐘驅動下，通過分頻產生數模(D/A)轉換器的采樣時鐘，能夠使檢測信號和參考信號的相位相對穩定。將采集到的一次諧波分量和二次諧波分量存入FPGA內暫存，再與參考信號一起傳輸到乘累加器中進行積分運算，并將處理所得一倍頻數據和二倍頻數據送入FPGA內NIOS軟核中進行計算處理。

4 系統硬件電路設計

針對以往甲烷遙測系統中硬件電路龐大的缺點，本設計對系統中硬件電路進行優化設計。將電源電路與FPGA控制電路、溫度控制電路、激光器驅動電路進行分離設計。避免不同模塊之間噪聲的互相干擾。將FPGA核心控制電路與激光器驅動電路以及激光器TEC溫控電路集成在一塊PCB板上。在以往的設計中電源系統是噪聲的主要來源，因此,本文將電源作為一個單獨的PCB板與核心電路進行隔離設計。

4.1 電源管理電路

系統采用直流(direct current,DC)12 V電源供電，考慮到系統中存在微弱信號,因此在電源處應盡量減少電源噪聲對信號的影響，通過測試在本文采用TI公司的大功率DC-DC轉換芯片作為系統電源轉換芯片。針對系統中存在微弱信號的特點對系統中特定部分采用單獨供電。電源系統可以分為FPGA核心控制模塊、溫控模塊、D/A轉換模塊、激光器驅動模塊、溫控模塊、探測器模塊。考慮到D/A轉換部分和探測器需要共地以減少電源信號干擾，因此D/A轉換模塊與探測器模塊使用同一路電源供電并在電源處進行濾波處理。在本設計中使用吸收式濾波和反射式濾波兩種濾波器結合的方式對電源進行濾波。具體濾波方法是先使用反射式濾波器將電源噪聲反射回電源端，在通過放置于電源端的吸收電容器以及串聯在電路中的磁珠將噪聲吸收。

4.2 溫控電路設計

系統要求激光器能夠長時間穩定工作在固定的波長范圍內。本文采用的DFB是溫度敏感器件，激光器工作波長隨溫度變化而變化，需要針對激光器進行精密溫控器設計。在本設計中采用TEC半導體制冷技術對激光器進行精密溫度控制。對于甲烷遙測系統中要求DFB能夠長時間穩定工作在固定波長處，且要求環境溫度對溫控電路影響最小，這就要求溫度控制電路具有良好的動態性能。本設計采用MAX1968溫控芯片與比例積分(proportional integral,PI)電路相結合的方式進行溫度的控制，如圖3所示為溫控電路原理，在實驗中為確定PI調節參數考慮到激光器內使用熱敏電阻器進行測溫,因此,采用滑動變阻器作為替代品進行模擬溫度變化調節從而確定PI調節參數。經過試驗驗證溫控電路能夠對激光器溫度進行有效控制，本電路設計完全符合要求。

圖3 激光器溫控電路原理

4.3 激光器驅動電路

DFB為電流型負載需要有電流源進行驅動。本設計中采用MAX3669激光器驅動芯片作為電流源對FPGA產生的正弦信號進行調制輸出。輸出電流調節范圍可以達到0～1 A。在激光器連接中使用一端接5 VDC另一端接MAX3669輸出的調制信號的接線方式。在實驗中發現激光器對于電壓沖擊非常敏感，通過分析知道產生沖擊電壓的原因是系統上電初始階段因為主控制器及驅動電路的初始化需要時間導致激光器5 VDC接線端直接加載在激光器上而另一端處于不確定狀態，在設計時針對激光器供電端進行上電延時設計通過在激光器供電端串聯RC延時電路如圖4所示為激光器驅動電路原理。

圖4 激光器驅動電路原理

4.4 信號采集模塊

激光器發出的通過調制的特定波長激光經過天然氣中甲烷氣體吸收到達反射物后,在返回光路中再次通過待測氣體,再經過透鏡進行聚焦到達傳感器，可以保障光束能夠在探測器處聚焦以提高探測器的靈敏度。在探測器接收到激光信號后將光信號轉換為電信號經過濾波器濾波處理后通過A/D轉換后進入FPGA內進行鎖相放大計算，通過鎖相放大計算產生的一倍頻及二倍頻數據,再在NIOS中進行甲烷濃度的計算。

5 實驗驗證與結果分析

實驗中將激光器工作溫度設定為20 ℃，電流設定在500 mA，中心波長為1 650.910 nm。為使激光器能夠有效探測到甲烷氣體,使用頻率為5 kHz的正弦波對激光器進行調制，接收端選用InGaAs近紅外探測器。

在測試過程中,為了保護激光器，使用具有相同特性的二極管作為替代品進行電測試。如圖5為未加保護電路與加入延時保護電路以后二極管兩端電壓波形，通過對比可以發現加入延時保護電路以后能夠有效減少對激光器的沖擊，達到保護激光器的目的。

圖5 添加保護電路前后上電波形

在實驗室條件下進行通過調節反射物距離進行調節測試，實驗中發現將距離調節達到40～45 m范圍內激光散射度已經很大,通過示波器觀測接收信號具有大量的噪聲，而在35～40 m范圍內通過調節位于探測器前端的透鏡可以在示波器中觀察到比較明顯的接收波形，通過用標準氣體為5 %的甲烷氣體在35～40 m范圍內進行測試再通過計算可以得出甲烷濃度較標準氣體濃度偏差在0.01 %～0.06 %范圍波動，隨著距離較少甲烷濃度測量濃度逐步升高。

通過改變環境變量(溫度、濕度)根據實驗室所在地外界環境條件模擬了在冬季極限溫度零下10 ℃，夏季最高溫度40 ℃范圍內隨機溫度調節，并進行連續5天，每天測試10組數據共50組數據進行激光器輸出波長分析，可以觀察到激光器波長沒有發生明顯的偏移達到實驗設想要求。對InGaAs近紅外探測器接收到的調制信號，圖6為使用示波器進行觀察分析后得出激光器波長沒有發生明顯偏移。表明溫控電路及激光器驅動電路穩定運行滿足系統要求。

圖6 激光波長隨環境變化

為驗證甲烷吸收的靈敏度,實驗使用美國NI公司標準數字鎖相放大器進行檢測測量，使用白板作為反射板，采用擠壓裝有天然氣氣體的透明氣球進行靈敏度檢測。實驗中，將白板與激光器距離逐漸調遠，分別在10，20,30,40,50 m 處通過不同程度擠壓氣球來進行檢測，圖7為在 40 m處采用示波器接收到激光波形。

圖7 激光器調制波形和探測器接收波形

通過LabVIEW上位機進行二倍頻數據采集反演甲烷濃度，實驗中，將氣體通過標準配比濃度為5 %，6 %，7 %，8 %，9 %，10 %的6種甲烷氣體，在10～40 m范圍內進行測量，通過諧波檢測計算反演濃度可得氣體濃度平均偏差為0.006 %～0.06 %范圍內。滿足高精度、高穩定性的實測要求。

6 結 論

長時間的運行測試結果顯示系統能夠穩定運行。通過對探測精度距離進行測試可得利用紅外吸收原理的激光甲烷遙測儀實現了精確測量的目的。