中紅外諧波檢測背景信號漂移的修正方法

鄒麗昌，黃 俊，李崢輝，鄧 瑤，邵國棟，阮 真，盧志民,2,3,姚順春,2,3*

1.華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640 2.廣東省能源高效清潔利用重點實驗室，廣東 廣州 510640 3.廣東省能源高效低污染轉化與工程技術研究中心，廣東 廣州 510640 4.廣州珠江電力有限公司，廣東 廣州 511458

引 言

可調諧激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)利用激光器窄線寬和波長可調諧等特性，具有高靈敏度、高分辨率、實時檢測等優點，已被廣泛應用于大氣環境痕量氣體檢測[1]、工業生產過程氣體檢測[2]、燃燒診斷[3]等眾多領域。TDLAS檢測通常分為直接吸收法(direct absorption spectroscopy,DAS)和基于波長調制的諧波檢測法(wavelength modulation spectroscopy,WMS)。在對檢測系統靈敏度要求更高，檢測下限要求更低的情況下，諧波檢測法因其可以有效降低檢測系統中低頻噪聲的干擾，而具有更大的優勢。偶數次諧波信號的峰值與氣體吸收譜線的中心位置對應，在實際應用中通常選擇信號峰值最大的2f信號用于氣體濃度的檢測。

在實際長期檢測過程中，可調諧激光器受內、外部溫度變化等因素的影響，會導致波長漂移和激光光強抖動等。當激光的輸出波長產生漂移時，不僅會影響吸收信號的振幅，還會引起氣體吸收譜的畸變。信號幅度的波動以及頻域內諧波信號的漂移和抖動效應會導致系統性能顯著下降，使氣體的反演濃度產生誤差，并惡化檢測極限[4]。為了保持激光輸出波長的穩定，袁松等[5]設計了溫度補償電路，通過實時調整激光器的工作溫度，對激光器的波長漂移進行補償和穩定。陳昊等[6]設計搭建了一套高精度恒溫控制系統，對激光器管殼進行恒溫控制，有效消除了由于室溫變化引起的背景信號漂移。以上研究是從激光器溫度控制的角度來消除波長漂移，對控溫系統提出了更高的要求，在一定程度上增加了檢測系統的復雜性和成本。Werle等[7]采用激光/樣品雙調制技術有效地抑制了漂移效應引起的背景波動。Kluczynski等[8]和Ruxton等[9]采用雙光束系統，即設置參考光路來對背景信號的漂移情況進行跟蹤，進而對背景進行采集和消除。這些研究是通過增加系統裝置與復雜性來減少系統背景信號漂移對測量結果的影響。唐七星等通過對光譜信號進行相關性分析來修正背景信號漂移。趙迎等提出了背景信號實時搜索方法，通過調整激光器的掃描電流范圍使得激光器波長在吸收區域和無吸收區域來回移動，采用相關性分析方法提取無吸收區域的諧波信號作為背景信號，從而消除波長漂移引起的背景信號改變帶來的反演誤差。這些方法(請參閱本刊38卷11期和35卷11期)修正了波長在頻域上的漂移，但同時產生的信號幅值波動而導致的反演濃度誤差并未有效解決，其中一種消除方法還需要頻繁改變掃描電流范圍，對設備性能要求較高。

因此，在不增加裝置和系統復雜性的前提下，提出了一種采用2f信號平均峰峰值替代2f信號峰值，并結合以信噪比最優為波長漂移修正原則的綜合修正方法，旨在克服2f背景信號漂移的影響。通過搭建中紅外TDLAS-WMS檢測NO的實驗系統，驗證該方法的可行性。

1 理論分析

1.1 2f背景信號理論分析

WMS技術已被廣泛應用于TDLAS痕量氣體檢測中，通過在激光器低頻鋸齒波掃描信號的基礎上加載高頻正弦波調制信號，使激光發射波長發生調制。激光器的出光頻率為

ν(t)=νc+δvcos(ωt)

(1)

式(1)中，νc為中心頻率，δv為頻率調制幅度。出射激光經過待測氣體后被探測器探測后輸入鎖相放大器進行2f信號解調。

隨著注入電流的改變，激光器頻率被調制的同時，激光光強也會被調制[10]。激光強度存在線性和非線性調制

(2)

式(2)中，I0為平均激光強度，K1和K2為線性強度調制系數和非線性強度調制系數，φ1和φ2為強度調制和頻率調制之間的線性和非線性相移。

通常在無目標氣體吸收的情況下，由于光學系統中存在有限頻率相關傳輸β(νc，δv，t)，它對探測器上總激光強度調制有貢獻，所以經過檢測系統后的激光強度可以寫成

I(νc，δv，t)=β(νc，δv，t)I0(νc，δv，t)

(3)

β(νc，δv，t)具有波長和長度依賴性，其主體結構一般擁有較穩定的特性。在標準具長度不變的情況下，背景信號和波長存在對應關系。因此，隨著波長在時域上的漂移，背景信號也產生相同程度的漂移，導致系統的信噪比不斷降低。

在檢測過程中，由于背景信號含有非線性部分，而非線性部分就會引起與氣體吸收無關的剩余幅度調制(residual amplitude modulation,RAM)，其存在會引起2f信號的畸變，造成基線漂移[10]，從而導致2f信號的對稱性變化及幅值抖動。

1.2 信噪比計算

采用信噪比最優作為波長漂移的修正原則，信噪比的定義為

(4)

式(4)中，(Average Vpp)2f signal為2f吸收峰兩側峰峰值的平均值，即2f吸收信號平均峰峰值；SD2f Background為2f吸收信號未吸收段，即背景信號的標準偏差。

1.3 2f背景信號漂移修正方法

一般而言，先在氣體池中通入零氣采集2f背景信號，然后將其近似作為測量所得2f吸收信號的背景信號進行扣除[11]。然而，激光器在長期連續運行過程中，由于溫度波動等原因，其中心波長會在一定的范圍內來回漂移，造成背景信號不斷發生變化，信噪比也會隨著漂移程度的加劇而呈現下降趨勢。因此，這種情況下如果直接使用通入零氣時的背景信號進行扣除反而會引入額外的噪聲，增大測量誤差。在測量過程中，背景信號主體結構比較穩定，在一定時間內其形狀大小不會發生較大改變，只是會隨著時間產生波長和基線漂移。為減少背景信號漂移的影響，采用2f信號平均峰峰值替代2f信號峰值建立氣體濃度反演標定模型來修正基線漂移，并同時以信噪比最優作為波長漂移修正原則，這種背景信號漂移綜合修正方法的具體流程如圖1所示。

圖1 背景信號漂移修正算法流程圖Fig.1 Flow chart of background signal drift correction algorithm

首先用諧波信號平均峰峰值替代諧波信號峰值，利用其和測量濃度成正比的關系建立系統標定模型，然后利用程序將背景信號數據在指定的采樣點范圍內連續移動，在此過程中氣體2f吸收信號不斷扣除背景信號并計算信噪比。當2f背景信號在指定移動范圍內扣除和計算完畢時，便得到了信噪比在指定移動范圍內的變化，信噪比曲線中的最大值即代表2f吸收信號未吸收段與對應的2f背景信號形狀最為吻合，即此時2f背景信號與2f吸收信號的波長是一一對應。其信噪比最大值對應移動的采樣點數即為由于溫度變化等因素所導致的波長漂移距離。

2 實驗部分

選用NO氣體作為檢測對象，所搭建的實驗系統如圖2所示。光源為分布反饋式連續波量子級聯激光器(DFB-CW QCL)，發射波長位于5.18 μm附近的激光。激光經過平面鏡反射后入射到25 cm單光程的氣體池被池內氣體吸收，從氣體池出射出來的激光經過離軸拋物面鏡聚焦后，由中紅外探測器探測并將光信號轉換為電信號后輸入多通道鎖相模塊進行2f信號解調，解調后的2f信號由數據采集卡采集，最后傳輸至計算機進行數據處理。

圖2 TDLAS實驗裝置圖Fig.2 Experimental schematic of TDLAS

實驗中，設置鋸齒波掃描頻率為2 Hz，正弦調制頻率為5 kHz，調制電壓為0.15 V，數據采集模塊的采集速率為10 kHz。

3 結果與討論

3.1 譜線選擇

吸收譜線的選取一般有兩個原則：(1)線強足夠強，以獲得較高的檢測靈敏度；(2)避開其他氣體吸收譜線如H2O和CO2的干擾。如圖3所示為常壓、室溫條件下NO氣體分子在中紅外區域波數為1 927～1 932 cm-1范圍內的吸收譜線及模擬的吸光度，可見在這個波數范圍內沒有H2O和CO2等譜線的干擾，NO氣體分子在1 929.021 cm-1的吸收譜線強度最大。因此，本實驗選擇了波數為1 929.021 cm-1的NO吸收譜線。

圖3 HITRAN數據庫中1 927～1 932 cm-1范圍內NO，H2O和CO2吸收譜線強度及吸光度Fig.3 Absorption line strengths and absorbances of NO,H2O and CO2 with wavenumber from 1 927 to 1 932 cm-1 in HITRAN database

3.2 基于諧波信號平均峰峰值的濃度反演模型建立

利用配氣系統，采用高純(99.99%)N2稀釋100.4×10-6的NO標氣，分別配置體積濃度為100×10-6，80×10-6，60×10-6，45×10-6，30×10-6，25×10-6，15×10-6，10×10-6和7×10-6的NO樣氣。為避免殘余氣體干擾，在每一個濃度的樣氣測量前，先往氣體池內通入高純N2吹掃，待吹掃完全后，通過數據采集卡采集2f信號作為背景信號。之后在氣體池中通NO樣氣，待穩定后采集2f信號。標定時，由于2f背景信號和其對應的2f吸收信號采集時間間隔很短，2f背景信號的漂移可忽略不計，該2f背景信號可直接作為對應的2f吸收信號的背景來扣除。扣除原先所采集的背景信號后的2f吸收信號如圖4所示。由于峰值吸收波長處氣體吸收增強，2f信號的平均峰峰值隨著氣體濃度的增加而增大。

圖4 不同NO配置濃度水平下的2f信號Fig.4 The 2f signal for different NO concentration levels

采用諧波信號平均峰峰值替代諧波峰值獲得的NO標定曲線如圖5所示，可見諧波信號平均峰峰值和NO濃度呈現了很好的線性關系，線性擬合度R2達到了0.999 9，諧波信號平均峰峰值不受2f信號基線漂移的影響，因此可以有效降低檢測過程中因2f信號基線漂移而產生的測量誤差。NO的標定曲線表示為

圖5 NO配置濃度和2f信號平均峰峰值的實測數據點和線性擬合Fig.5 Measured data dots and linear fitting of NO concentration and (Average Vpp)2f

y=13.006 13x+1.263 57

(5)

3.3 系統背景信號漂移分析

實驗設置參數不變，持續向氣體吸收池內通入NO含量為100.4×10-6的標準氣體，3 h內共采集到7 251組數據。2f吸收信號峰值對應的采樣點位置即為氣體吸收中心波長對應的位置。峰值對應的采樣點位置隨連續采樣次數(運行時間)的變化，如圖6所示。由此可知，激光器在連續運行的3 h內，氣體吸收峰對應的采樣點位置先向小采樣點數方向漂移，達到最大漂移量后，再逐漸往回大采樣點數方向漂移。以圖7所示結果為例，在連續采樣過程中，兩個不同時刻的2f吸收信號都發生了不同程度的漂移，采樣時刻2的漂移比采樣時刻1的嚴重，扣除背景后的2f吸收信號噪聲較大，且信號峰值也產生了抖動，最終導致系統信噪比和反演濃度精度降低。與此同時，也可以從未吸收段信號看出波長漂移和光強發生波動過程中背景信號結構比較穩定。

圖6 吸收峰采樣點位置的漂移Fig.6 The drift of the sampling point position of absorption peak

圖7 氣體吸收時的2f背景信號與兩個不同時刻背景信號扣除前后的2f吸收信號Fig.7 The 2f background signal without gas absorption and the 2f signals before and after background signal subtraction at two different moments

3.4 系統連續檢測中背景信號漂移修正

在進行連續測量前，先采集背景信號。然后利用配氣系統配置NO含量為20×10-6的樣氣，通入氣體池內，等待氣體池內氣體穩定后，連續60 min采集NO吸收的2f信號。

利用圖1所述方法對波長漂移進行修正，即以信噪比最優作為波長漂移修正原則，2f吸收信號連續逐個扣除移動的背景信號，同時計算信噪比SNR，得到信噪比隨2f背景信號移動點數的變化關系。圖8所示為某一時刻采集的2f吸收信號修正過程中其信噪比隨2f背景信號移動點數的變化關系。信噪比最大值對應的移動點數即為由于溫度變化等因素導致的波長漂移距離，此時得到的扣除背景后的諧波信號已消除了波長漂移的影響。

圖8 信噪比隨2f背景信號移動點數的變化關系Fig.8 The relationship between SNR and the moving sampling point of 2f background signal

利用式(5)標定模型，計算得到背景信號波長漂移修正前和修正后的NO濃度隨時間的變化過程，如圖9所示。由圖9所示實驗數據計算可得，背景信號波長漂移修正前和修正后反演濃度的平均值分別為20.97×10-6和20.63×10-6，最大相對誤差分別為6.30%和3.85%，標準差分別為0.19×10-6和0.07×10-6，反演濃度相對誤差的均方值分別為24.39%和9.99%。實驗結果表明，該修正方法有效地抑制了背景信號漂移的干擾，提高了測量結果的準確性和檢測系統的穩定性。

圖9 背景信號漂移修正前后連續測量得到的NO濃度Fig.9 NO concentration obtained by continuous measurement before and after background signal drift correction

4 結 論

針對TDLAS-WMS系統連續檢測中的2f背景信號漂移的問題，分析了背景信號漂移隨時間變化的特點，提出了以2f信號平均峰峰值替代2f信號峰值來建立標定曲線以修正背景信號基線漂移，并同時以信噪比最優為2f背景信號波長漂移修正的原則，建立了諧波背景信號漂移綜合修正模型。搭建了中紅外激光吸收光譜氣體濃度檢測實驗系統，通過實驗比較了2f背景信號漂移修正前后反演濃度的精度和長時間連續檢測中反演濃度的準確性和系統穩定性。在標定實驗中，修正方法有效地提高了系統的靈敏度和擬合曲線的線性度；在長時間的連續檢測實驗中，背景信號漂移修正后反演濃度的最大相對誤差由6.30%降低到了3.85%，標準差由0.19×10-6降低到了0.07×10-6，相對誤差的均方值由24.39%降低到了9.99%。