一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及光信号同步解调的技术，具体为一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法及装置。一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法，包括以下步骤：（a）将经过波长调制的半导体激光器输出的激光分成两束；（b）将一束光作为探测光输入至传感头进行气体检测，并将携带有待测气体信息的信号输入至锁相放大器；（c）将另一束光转换成相应的电信号后滤除噪音，再放大，并进行锁定，传输给锁相放大器同步端；（d）对经过锁相放大器同步解调后的信号进行分析，得到待测气体的浓度信息。本发明实现了在探测系统端提取同步信号，利用光信号在光纤中远距离传输的优势，避免了电信号远距离传输时损耗大、成本高等缺点。
【专利说明】—种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光信号同步解调的技术，具体为一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法及装置。
【背景技术】
[0002]基于光学原理，利用激光作为光源的气体检测技术，由于可靠性强、灵敏度高、选择性好、可连续在线工作和无需人工值守等优点在痕量气体检测方面得到广泛关注和研究。当对诸如电厂、矿井、原始森林等恶劣环境中的微量气体进行检测时，若采用现有的方法，激光器通常放置在距离测量地点不远的地方，众所周知激光器的成本比较高。一般来说激光器的花费在整个系统中超过三分之一，甚至达到50%以上。放置在野外非常不安全，且激光器容易受到环境温湿度、灰尘等因素的影响，在系统运转过程中为了保证激光器出射波长停留在目标吸收线中心，需要用热电制冷器件对激光器进行温控，有时还需要通过反馈系统对其进行波长锁定，这样光源系统对温度变化及机械振动也较敏感。为了避免以上问题，一种有效的方法就是把光源系统放置在温度变化相对小，无振动的适宜的地点，例如:室内。输出的激光通过价格便宜的光纤引导到需要气体检测的外部场所。如果引入光学开关，对输出的光路径进行切换，利用时分复用技术，就可以实现以单/多个光源为中心向周围辐射探安置多个检测点，达到单/多光源多点检测的目的，进一步提高激光使用效率，降低其成本。在基于光学的气体检测技术中，波长调制技术是一种被经常用来进一步提高探测灵敏度的方法。由于在低频段的主要噪声是Ι/f噪声，而Ι/f噪声的特点是噪声水平随着频率升高而下降。采用波长调制技术以高频调制信号调制激光器的波长，将使探测信号从低频的强噪声段转移到弱噪声段，再利用锁相放大器解调出谐波信号，将谐波信号作为最终反演气体浓度的原始信号。
[0003]在锁相放大器解调时需要用到调制源信号，即同步信号。现有的装置都是激光器、调制源(信号发生器)、锁相放大器和传感头距离比较近，同步信号可以直接通过电线从调制源送到和传感头相近的锁相放大器端。然而，在上面提到的单/多光源实现多点探测的装置中，光源和探测点相距很远，可能几十米甚至几公里。这样，如果锁相放大器在激光器和调制源端，除光纤外需要一根额外的导线传送传感头的测量信号。而传感头的测量信号通常来说非常微弱，很容易在传输的过程中被淹没在电子噪声之中。为了马上处理微弱的电子信号，避免在传输过程中引入其它电子噪声，另一种方案是把锁相放大器安置在传感头端进行本地解调，但我们仍旧需要一根除去光纤外的导线把激光器端的信号源的同步传送到传感头端。这就使单/多光源多点检测方法在信号解调部分成本过高，从而极大的限制了光探测技术在实际应用中的推广实用。
[0004]另外电信号远距离传输时，由于电阻等因素的影响，衰减不可避免，而且极容易受到各种干扰，且电信号是通过铜、铝等金属来传输，成本高，同样限制了光探测技术在实际应用中的推广实用。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法及装置，来解决目前以激光为基础的气体传感器光源利用效率低，成本高，检测覆盖范围小，无法适应野外环境，安全系数低等问题。
[0006]本发明所述的一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法是采用以下技术方案实现的:一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法，包括以下步骤:Ca)将经过波长调制的半导体激光器输出的激光分成两束；(b)将一束光作为探测光输入至传感头进行气体检测，并将携带有待测气体信息的信号输入至锁相放大器；(C)将另一束光转换成相应的电信号后滤除噪音，再放大，并进行锁定，传输给锁相放大器同步端；(d)对经过锁相放大器同步解调后的信号进行分析，得到待测气体的浓度信息。
[0007]由于半导体激光器的电流与波长成正比，即与频率成反比(A=c/V，c是光速，V频率，λ波长)，谐波探测技术中，对半导体激光器的波长进行调制可以通过对其电流进行调制来完成，假设调制?目号为正弦?目号a (t) =AmCos ω Vtl是激光器中心频率，0^=2 31/是施加的调制角频率，Δ V是波长变化幅值，其激光波长输出能够用下式来表示:
V (t) = V 0+ Δ V cos ω 0t
而半导体激光器的光强也与激光器的电流成正比关系，这样激光器在被波长调制的同时其强度也被调制，其光强输出可以用下式来表示:1(0=1-Λ Icos Cocit
其中Itl是激光器在未调制时的光强输出，Δ I是光强变化幅值，这样可以从被使用调制光源的光强信号中来提取同步信号，省去同步信号的电缆传输的同时，实现了在探测系统端的光学信号本地解调。而激光的光强可以直接用探测器来探测。图1显示了当激光波长被调制时，激光光强随时间的输出。其上的正弦波能够被提取用来作为同步信号。
[0008]本发明所述的一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置是采用如下技术方案实现的:一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，包括光源系统、通过光纤与光源系统出射端相连的探测系统以及与探测系统输出端相连接的信号采集显示系统；所述光源系统包括半导体激光器以及驱动半导体激光器的激光驱动；激光驱动的调制端口连接有信号发生器；半导体激光器的出射端与光纤入射端口相连接；所述探测系统包括与光纤出射端口相连接的光纤分束器、与光纤分束器一个输出端相连接的光电探测器、顺次连接在光电探测器信号输出端的带通滤波器、前置放大器、锁相环以及锁相放大器；所述锁相环的信号输出端与锁相放大器的同步信号输入端相连接；光纤分束器的另一个输出端连接有传感头，传感头的输出端与锁相放大器的信号输入端相连接；所述锁相放大器的信号输出端与信号采集显示系统的信号输入端相连接。
[0009]激光器的调制一般是使用信号发生器来产生特定的调制信号，并加载在激光驱动上来产生所需的光信号。此处对光的调制主要是减少在检测中噪音的影响，特别是I//噪音的影响，I//噪音随着频率的升高而减少，因此在高频的时候I//噪声就可以忽略不计。
[0010]光纤分束器输出的强光信号被送给传感头检测气体的浓度，分束器输出的弱光信号，用光电探测器接收后变为弱电信号，且此时携带的噪音信号也比较大，因此先用一个带通滤波器滤除噪音的影响，带通滤波器的中心频率与调制激光器波长的频率一致。此时的电信号比较弱，因此 用一个前置放大器来放大信号，并送给锁相环锁定信号，此时锁定的信号就可以作为同步信号，送给锁相放大器的同步端，锁相放大器就可以对传感头输出的电信号进行解调，并输出与浓度成正比的电信号。对传感头输出的电信号进行解调，并输出与浓度成正比的电信号以及对电信号进行分析得出待测气体浓度的方法是本领域技术人员所公知的技术，可参见CN 103411898 A以及CN 103149681 A。
[0011]光信号在光纤中的传输每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里的衰减要低一个数量级以上，而且光纤体积小，重量轻，有利于施工和运输，防干扰性能好，保密性好，另外光纤材料来源丰富，成本相对很低。利用光纤通信的优势，从光纤传输光束中提取同步信号，不仅能够省去一根传输电缆，从而降低成本，而且能够有效排除电子噪声的侵入和串扰，提高设备最终的稳定性，保证其检测灵敏度。
[0012]进一步的，信号采集显示系统包括与锁相放大器的信号输出端相连接的无线发射模块、与无线发射模块相配的设在光源系统附近的无线接收模块以及与无线接收模块相连接的计算机。这样如果设备中有多个探测系统，只需要一个无线接收模块和一台计算机就可以记录所有探测系统的数据，降低了成本。
[0013]锁相放大器输出的与浓度成正比的电信号可以直接送给采集卡采集后传给计算机记录，也可以使用无线发送模块，并在激光器处安置一个无线接收模块，用来接受发送模块发送的数据，并送给计算机记录数据，这样只需要一台计算机就可以调制激光器和记录采集回来的数据，降低了成本。
[0014]一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，包括一个光源系统、位于光源系统出射光路上的ι:η路光学开关；ι:η路光学开关的每个出射端均通过光纤连接有一个探测系统；每个探测系统的信号输出端均连接有一个无线发射模块；光源系统旁设有与无线发射模块相配的无线接收模块以及与无线接收模块相连接的计算机；所述光源系统包括半导体激光器以及驱动半导体激光器的激光驱动；激光驱动的调制端口连接有信号发生器；所述探测系统包括与相对应的光纤出射端口相连接的光纤分束器、与光纤分束器一个输出端相连接的光电探测器、顺次连接在光电探测器信号输出端的带通滤波器、前置放大器、锁相环以及锁相放大器；所述锁相环的信号输出端与锁相放大器的同步信号输入端相连接；光纤分束器的另一个输出端连接有传感头，传感头的输出端与锁相放大器的信号输入端相连接；所述锁相放大器的信号输出端与对应的无线发射模块信号输入端相连接；所述计算机的信号输出端与1: η路光学开关控制输入端相连接。
[0015]使用1:η路的光学开光，其单路那端连接到激光器输出端上，η路那端连接到η个探测系统端。光学开光对发出的光路径进行切换，通过时分复用技术，以达到单点光源多点检测的效果。
[0016]一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，包括η个光源系统、与η个光源系统的出射端相连接的η:η路光学开关，η:η路光学开关的每个出射端均通过光纤连接有一个探测系统；每个探测系统的信号输出端均连接有一个无线发射模块；光源系统旁设有与无线发射模块相配的无线接收模块以及与无线接收模块相连接的计算机；所述光源系统包括半导体激光器以及驱动半导体激光器的激光驱动；激光驱动的调制端口连接有信号发生器；所述探测系统包括与相对应的光纤出射端口相连接的光纤分束器、与光纤分束器一个输出端相连接的光电探测器、顺次连接在光电探测器信号输出端的带通滤波器、前置放大器、锁相环以及锁相放大器；所述锁相环的信号输出端与锁相放大器的同步信号输入端相连接；光纤分束器的另一个输出端连接有传感头，传感头的输出端与锁相放大器的信号输入端相连接；所述锁相放大器的信号输出端与对应的无线发射模块信号输入端相连接；所述计算机的信号输出端与n:n路光学开关控制输入端相连接。
[0017]使用一个η:η路的光学开光，其一 η路端连接到η个激光器输出上，另一 η路端连接到η个探测系统端。每个激光器对应一种被测气体，光学开光对发出的光路径进行切换，通过时分复用技术，以达到多点光源多点检测的效果。采用计算机对1:η路的光学开光或η:η路的光学开光进行切换的技术是本领域技术人员的公知技术，是容易实现的。
[0018]本发明克服了目前传统的解调光信号装置需要在调制器处提取同步信号，使用电信号远距离传输等技术问题，实现了在探测系统端提取同步信号，利用光信号在光纤中远距离传输的优势，避免了电信号远距离传输时损耗大、成本高等缺点。且在目前传统光学检测气体浓度装置的基础上加了无线传输模块，并巧妙的在激光器处加了光学开关，大大的节约了成本，提高了系统的安全系数，整个装置结构简单，增加了实用性；同时使单光源多点探测以及多光源多点探测技术更加实用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1波长被调制的激光光强随时间变化图。
[0020]图2本发明所述从调制光信号中提取同步信号的装置结构示意图。
[0021]图3本发明所述单光源多点检测装置结构示意图。
[0022]图4本发明所述多光源多点检测装置结构示意图。
[0023]1-光源系统，11-半导体激光器，12-激光驱动，13-信号发生器,3_光纤,2_探测系统，21-99:1光纤分束器，22-光电探测器，23-带通滤波器，24-前置放大器，25-锁相环，26-传感头,27-锁相放大器,4-信号米集显不系统,51-1:η路光学开关,52_η:η路光学开关，6-无线发射模块，7-无线接收模块。
【具体实施方式】
[0024]一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法，包括以下步骤:(a)将经过波长调制的半导体激光器11输出的激光分成两束；(b)将一束光作为探测光输入至传感头26进行气体检测，并将携带有待测气体浓度信息的信号输入至锁相放大器27 ; (c)将另一束光转换成相应的电信号后滤除噪音，再放大，并进行锁定，传输给锁相放大器27同步端；Cd)对经过锁相放大器27同步解调后的信号进行分析，得到待测气体的浓度信息。
[0025]一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，包括光源系统1、通过光纤3与光源系统I出射端相连的探测系统2以及与探测系统2输出端相连接的信号采集显示系统4 ;所述光源系统I包括半导体激光器11以及驱动半导体激光器11的激光驱动12 ;激光驱动12的调制端口连接有信号发生器13 ;半导体激光器11的出射端与光纤3入射端口相连接；所述探测系统2包括与光纤3出射端口相连接的光纤分束器21、与光纤分束器21 —个输出端相连接的光电探测器22、顺次连接在光电探测器22信号输出端的带通滤波器23、前置放大器24、锁相环25以及锁相放大器27 ;所述锁相环25的信号输出端与锁相放大器27的同步信号输入端相连接；光纤分束器21的另一个输出端连接有传感头26，传感头26的输出端与锁相放大器27的信号输入端相连接；所述锁相放大器27的信号输出端与信号采集显示系统4的信号输入端相连接。结构如图2所示。[0026]信号采集显示系统4包括与锁相放大器27的信号输出端相连接的无线发射模块
6、与无线发射模块6相配的设在光源系统I附近的无线接收模块7以及与无线接收模块7相连接的计算机。信号采集显示系统4也可以包括一个采集卡和计算机，实现对数据的采集以及分析。
[0027]—种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，包括一个光源系统1、位于光源系统I出射光路上的1:n路光学开关51 ;l:n路光学开关51的每个出射端均通过光纤3连接有一个探测系统2 ;每个探测系统2的信号输出端均连接有一个无线发射模块6 ;光源系统I旁设有与无线发射模块6相配的无线接收模块7以及与无线接收模块7相连接的计算机；所述光源系统I包括半导体激光器11以及驱动半导体激光器11的激光驱动12 ;激光驱动12的调制端口连接有信号发生器13 ;所述探测系统2包括与相对应的光纤3出射端口相连接的光纤分束器21、与光纤分束器21 —个输出端相连接的光电探测器22、顺次连接在光电探测器22信号输出端的带通滤波器23、前置放大器24、锁相环25以及锁相放大器27 ;所述锁相环25的信号输出端与锁相放大器27的同步信号输入端相连接；光纤分束器21的另一个输出端连接有传感头26，传感头26的输出端与锁相放大器27的信号输入端相连接；所述锁相放大器27的信号输出端与对应的无线发射模块6信号输入端相连接；所述计算机的信号输出端与1:n路光学开关51控制输入端相连接。可以实现η个远程监测点的气体探测。结构如图3所示。
[0028]一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，包括η个光源系统1、与η个光源系统I的出射端相连接的η:η路光学开关52，η:η路光学开关52的每个出射端均通过光纤3连接有一个探测系统2 ;每个探测系统2的信号输出端均连接有一个无线发射模块6 ;光源系统I旁设有与无线发射模块6相配的无线接收模块7以及与无线接收模块7相连接的计算机；所述光源系统I包括半导体激光器11以及驱动半导体激光器11的激光驱动12 ;激光驱动12的调制端口连接有信号发生器13 ;所述探测系统2包括与相对应的光纤3出射端口相连接的光纤分束器21、与光纤分束器21 —个输出端相连接的光电探测器22、顺次连接在光电探测器22信号输出端的带通滤波器23、前置放大器24、锁相环25以及锁相放大器27 ;所述锁相环25的信号输出端与锁相放大器27的同步信号输入端相连接；光纤分束器21的另一个输出端连接有传感头26，传感头26的输出端与锁相放大器27的信号输入端相连接；所述锁相放大器27的信号输出端与对应的无线发射模块6信号输入端相连接；所述计算机的信号输出端与η:η路光学开关52控制输入端相连接。可以实现η个远程监测点的不同气体的探测。结构如图4所示。
[0029]所述光纤分束器为1:99光纤分束器。
[0030]所述传感头26可以是基于石英增强光声光谱的传感头，也可以是基于直接吸收原理的传感头。
【权利要求】
1.一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测方法，其特征在于，包括以下步骤:Ca)将经过波长调制的半导体激光器(11)输出的激光分成两束；(b)将一束光作为探测光输入至传感头(26)进行气体检测，并将携带有待测气体浓度信息的信号输入至锁相放大器(27); (c)将另一束光转换成相应的电信号后滤除噪音，再放大，并进行锁定，传输给锁相放大器(27)同步端；(d)对经过锁相放大器(27)同步解调后的信号进行分析，得到待测气体的浓度信息。
2.一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括光源系统(I)、通过光纤(3)与光源系统(I)出射端相连的探测系统(2)以及与探测系统(2)输出端相连接的信号采集显示系统(4);所述光源系统(I)包括半导体激光器(11)以及驱动半导体激光器(11)的激光驱动(12);激光驱动(12)的调制端口连接有信号发生器(13);半导体激光器(11)的出射端与光纤(3)入射端口相连接；所述探测系统(2)包括与光纤(3)出射端口相连接的光纤分束器(21)、与光纤分束器(21)—个输出端相连接的光电探测器(22)、顺次连接在光电探测器(22)信号输出端的带通滤波器(23)、前置放大器(24)、锁相环(25)以及锁相放大器(27);所述锁相环(25)的信号输出端与锁相放大器(27)的同步信号输入端相连接；光纤分束器(21)的另一个输出端连接有传感头(26),传感头(26)的输出端与锁相放大器(27)的信号输入端相连接；所述锁相放大器(27)的信号输出端与信号采集显示系统(4)的信号输入端相连接。
3.如权利要求2所述的一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，其特征在于，信号采集显示 系统(4)包括与锁相放大器(27)的信号输出端相连接的无线发射模块(6)、与无线发射模块(6)相配的设在光源系统(I)附近的无线接收模块(7)以及与无线接收模块(7)相连接的计算机。
4.一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括一个光源系统(I )、位于光源系统(I)出射光路上的1: η路光学开关(51) ;1:η路光学开关(51)的每个出射端均通过光纤(3)连接有一个探测系统(2);每个探测系统(2)的信号输出端均连接有一个无线发射模块(6);光源系统(I)旁设有与无线发射模块(6)相配的无线接收模块(7)以及与无线接收模块(7)相连接的计算机；所述光源系统(I)包括半导体激光器(11)以及驱动半导体激光器(11)的激光驱动(12);激光驱动(12)的调制端口连接有信号发生器(13);所述探测系统(2)包括与相对应的光纤(3)出射端口相连接的光纤分束器(21)、与光纤分束器(21)—个输出端相连接的光电探测器(22)、顺次连接在光电探测器(22)信号输出端的带通滤波器(23)、前置放大器(24)、锁相环(25)以及锁相放大器(27);所述锁相环(25)的信号输出端与锁相放大器(27)的同步信号输入端相连接；光纤分束器(21)的另一个输出端连接有传感头(26),传感头(26)的输出端与锁相放大器(27)的信号输入端相连接；所述锁相放大器(27)的信号输出端与对应的无线发射模块(6)信号输入端相连接；所述计算机的信号输出端与1:η路光学开关(51)的控制输入端相连接。
5.一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括η个光源系统(I)、与η个光源系统(I)的出射端相连接的η:η路光学开关(52)，η:η路光学开关(52)的每个出射端均通过光纤(3)连接有一个探测系统(2);每个探测系统(2)的信号输出端均连接有一个无线发射模块(6);光源系统(I)旁设有与无线发射模块(6)相配的无线接收模块(7)以及与无线接收模块(7)相连接的计算机；所述光源系统(1)包括半导体激光器(11)以及驱动半导体激光器(11)的激光驱动(12 );激光驱动(12)的调制端口连接有信号发生器(13);所述探测系统(2)包括与相对应的光纤(3)出射端口相连接的光纤分束器(21)、与光纤分束器(21) —个输出端相连接的光电探测器(22)、顺次连接在光电探测器(22)信号输出端的带通滤波器(23)、前置放大器(24)、锁相环(25)以及锁相放大器(27);所述锁相环(25)的信号输出端与锁相放大器(27)的同步信号输入端相连接；光纤分束器(21)的另一个输出端连接有传感头(26),传感头(26)的输出端与锁相放大器(27)的信号输入端相连接；所述锁相放大器(27)的信号输出端与对应的无线发射模块(6)信号输入端相连接；所述计算机的信号输出端与n:n路光学开关(52)的控制输入端相连接。
6.如权利要求2-5任一项所述的一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，其特征在于，所述光纤分束器(21)为1:99光纤分束器。
7.如权利要求2-5任一项所述的一种基于本地解调调制光信号技术的气体探测装置，其特征在于，所述传感头(26)可以是基于石英增强光声光谱的传感头，也可以是基于直接吸收原理的传感头。
【文档编号】G01N21/17GK103994975SQ201410274233
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】董磊 申请人:山西大学