第２３卷第７期 ２０１０年７月 传感技，术学报 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ ２０１０ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ＴＤＬＡＳ ｌＡＮＧ Ｂｏ ，ＺＨＵ Ｙｏｎｇ ，ＢＡＯ ＷｅｉＬｙｉ ，ＣＨＥＮ Ｊｕｎｑｉｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ ，ＣＨＥＮ Ｊｕｎ ，１．Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｍｉｎ￣ｔｒｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑ ４ｏｏＯ３Ｏ，Ｃｈｉｎａ；、 ＼２．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ。Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３０，Ｃｈｉｎａ ， Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏ－ ｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｕｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ（ＭＥＭＳ ＶＯＡ）ｗａｓ ｐｕｔ ｕｐ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＶＯＡ，ｔｈｅ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｗａｓ ｄｒｏｐｐｅｄ ｄｏｗｎ ｔｏ １／２０ ｏｆ ｉｔｓ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｌｅｖｅ１．ａｎｄ ａｂｏｕｔ ６０％ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｗａｓ ｒｅ— ｍｏｖｅｄ．Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｔｅｎｔａｔｉｖｅｌｙ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｏｕｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ＥＥＡＣＣ：７２２０ 可调谐激光二极管吸收光谱残余光强调制补偿技术研究木 梁 波 ，朱 永 ，鲍伟义 ，陈俊清 ，张 军 ，陈 俊 ／１．重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆４０００３０；、 ＼２．重庆四联集团技术中心，重庆４０１１２１ ／ 摘 要：分析了可调谐激光二极管吸收光谱仪器中残余光强幅度调制对谐波探测和全数字化信号处理的影响；搭建了基于 电压可调谐光强衰减器（ＭＥＭＳ ＶＯＡ）的光强残余幅度调制的补偿实验系统平台；实验结果表明，本补偿装置可以把残余光强 调制降低到补偿前的１／２０，并将其带来的二次谐波线型畸变降低６０％以上；初步证实了利用本方法消除二次谐波畸变并实 现全数字化处理的可行性。 关键词：吸收光谱；残余光强调制；衰减器；补偿 中图分类号：ＴＮ２４７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—１６９９（２０１０）０７—０９３９—０５ 人电流呈线性变化，在波长调制的同时也引入了光 强的调制，由此产生的残余光强调制信号¨ “ 作为 大气污染日益成为人类面临的严重环境问题。 高消耗、高排放工矿企业在生产过程中所排放的煤 烟、粉尘及有害化合物为能源利用效率的重要指 标 Ｊ，因此，对这些气体的浓度进行准确、快速的 在线测量监测则显得尤为重要 。相比各种气体 检测技术 Ｊ，可调谐二极管激光吸收光谱技术＿５ ］ （Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）具有 谐波探测的主要背景信号严重地影响弱吸收信号的 探测¨ 。具体而言，引入光强余弦调制，增加了探 测的奇次谐波成份，使检测到的二次谐波信号不对 称导致线型的畸变，给检测造成了一定的误差；其 次，吸收信号非常微弱，与余弦调制光强噪声相差 恶劣环境适应性强，精度高，响应快，可同时检测多 种气体参数等优点，已经被广泛应用于环境监测、大 气科学、痕量分析、光谱测量等领域＂ Ｊ。 目前采用的可调谐激光二极管通过注入电流改 变波长实现对激光波长的调制，但输出光强也随注 项目来源：国家“８６３”计划项目资助（２００６ＡＡ０４０３１１） 收稿日期：２０１０一Ｏ１—２０ 修改日期：２０１０—０３—０１ ３～４个数量级，不易检测；如前端信号放大后直接 采用Ａ／Ｄ处理，则需要采用位数很高的Ａ／Ｄ芯片 来保证测量精度，这也对实现全数字化信号解调的 电路设计提出了更高的要求。 针对以上两个问题，本文分析了残余光强调制 ９４０ 传感技术学报 第２３卷 对信号处理的影响，提出了基于电压可调谐光强衰 减器（ＭＥＭＳ ＶＯＡ）的光强补偿方案，对残余光强调 制的干扰信号进行抑制。 ｉ 重 １ 理论分析 １．１波长调制 尝 昼 在未饱和的弱吸收情况下，气体对光的吸收可 以用Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔ定律 来描述： ，（ ）＝Ｉｏ（ ）ｅｘｐ［一Ｓ（ｒ）ｇ（ｖ一 。）Ｐ／ｐ］ （１） 其中，，ｎ，，（ ）分别为激光输入光强和透射光强，Ｓ（Ｔ） 为气体吸收谱线在温度 时候的谱线强度，ｇ（ ， 。） 为气体该吸收谱线的线型函数Ｉ ｇ（ ， 。）ｄｖ＝１， Ｐ为工作气体压力，Ｐ为气体浓度， 为激光穿过气 体的长度。 气体的吸收线型函数是Ｖｏｉｇｔ函数，它是洛伦 兹函数（Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ）和高斯函数（Ｇａｕｓｓｉａｎ）的卷积， 在不同的温度和气压情况下，可以等效为高斯函数 或洛伦兹函数，对压力展宽占优的环境，ｇ（ ）用洛 伦兹函数表示｜ｌ ： ０） ） 十 其中 为吸收谱线中心频率， 为谱线宽度的一 半。激光的中心频率 受到频率为 的调制波调 制时，瞬时频率可以表示为： ＝Ｖ ＋ ￡＋ｔ￣ｖｃｏｓｍｔ （３） 其中，劬为频率调制幅度。激光通过气体吸收后探 测强度可以用，（ ）的余弦傅里叶级数来表示： Ｉ（Ｖ， ）＝１０∑Ａｎ（ ）ＣＯＳ（ｎｗｔ） （４） 考虑理想情况下厶不变，通过扫描得到吸收 线，同时忽略调制给，ｎ带来的幅度调制成份，当 Ｓ（ｒ）ｇ（ 一 ）Ｐ／ｔｏ＜＜ｌ时，谐波分量４ 通过锁相放 大器傅里叶ｎ阶分量可以表述如下 ： ，０ ）Ｐ等口 ｎ＞Ｉ１（５） 其中由锁相放大器检测出来的二次谐波分量为： （ ）＝÷，０ ５（Ｔ）Ｐａ （６） 半导体激光器波长调制是通过注入电流的变化 来实现调制的。理想情况下，不考虑残余光强幅度 调制的影响，波长调制下气体吸收信号如图１所示。 １．２残余光强调制分析 电流变化必然会引起一定的激光器输出光功率 的能量起伏。在大多数情况下，对于多数激光器可 图１ 气体吸收的光强信号示意 以认为在波长调制的工作区域内引起的幅度调制相 对于注入电流是线性的，则输出光强可以表示为： Ｉｏ＝，ｃ＋ ￡＋８Ｉｃｏｓｔｏｔ （７） 其中， 为平均输出激光光强， 为光强调制幅度。 由此得出经过气体吸收的探测光强如图２所示。经 过气体吸收的有用信号为光强调制信号的包络，由 于吸收信号非常微弱，不容易检测，需要对其放大进 行检测解调，在一个周期内波长扫描信号又引起光 强线性调制；整个信号的信噪比很小，如直接数字 一．ｒｒ０ Ｉｓ ＩｌＩＩ≈ＩＩ暑Ｉ∞ 化，并锁相放大器实现全数字化信号调理，对Ａ／Ｄ Ｍ ｍ ８ ６ ４ ２ ０ 采样电路提出了很高的要求。 Ｕ ４－ １Ｚ ｌ６ ＺＵ ｔｉｍｅ／ｓ ×１０一 图２激光经过气体吸收的探测光强示意 对常见的ＤＦＢ激光二极管，激光器驱动电流的 余弦变化，产生一个余弦的残余光强调制，其频率为 ，幅值为激光器输出光功率的ｋ倍，即８１＝ｋｌ 。考 虑幅度调制以后的透射光强即可表示为： ，（ ，ｔ）＝（Ｉｃ＋ｋｔ＋８Ｉｃｏｓｍｔ）∑Ａ （ ）ｃ０ｓ（ｎｅａｔ）（８） 在二次谐波检测时，通过隔直电路处理可以将 波长扫描引起的线性调制的部分滤除，这样可以主 要考虑余弦调制的非线性部分对二次谐波检测输出 信号的影响，忽略线性调制 的影响，对应的波长 调制吸收信号二次谐波分量则可以表示成： Ｉ２／（ ，ｆ）： （ ）＋ｌｅＡ：（ ）＋ ，（ ）（９） 从式（９）可以看到，检测到的２厂信号除了包括 起主要作用的吸收线形的二阶傅里叶分量４ 外，还 包括由于线性幅度调制引入的奇次谐波分量 ．Ａ 。 这些项的引人，使２厂信号失去了原来的对称性。 第７期 梁 波，朱永等：可调谐激光二极管吸收光谱残余光强调制补偿技术研究 ９４１ 图３为利用上式的数值解得到的实际ｚ厂信号 以及各次谐波分量的模拟关系，考虑到压力展宽占 优势的情况下，吸收谱线取洛伦兹线型，１＇Ｉ１取二次谐 波最优调制参数。 芎 、 ’一ｌ 厂 ‘晶 一 图３各次谐波分量和实际二次谐波 从图中可以看出，实际二次谐波２厂信号由于光 强残余调制引入的奇次谐波分量Ａ 和Ａ，，相对于 理想的二阶傅里叶分量 ：在线型上发生了改变，但 只影响到了线型的两翼，由于对称吸收线型的奇次 谐波分量在中心频率处为零，所以对ｚ厂信号的中心 频率处的峰值并没有影响。 但在实际光电检测的中，并没有谐波分量为零 的基准，一般采用波峰值与波谷值来表示信号幅值。 其幅值表达式为： Ｓ２＝Ａ２（Ｖ０）一Ａ２（ ） ｉ （１Ｏ） 由于线型的改变，通过计算，相对于理想二次谐 波分量幅值，如果取实际２厂信号波峰值与第一个波 谷值，其误差为５．０６％；如果取２厂信号波峰值与第 二个波谷值，其误差为４．９４％。由此可见，光强的 残余调制引起信号线型的畸变对于检测信号精度有 较大影响。 ２ 补偿方案 考虑残余光强调制的影响，为了不改变原有电 路数据处理部分，我们在光路中加入可调衰减器，使 调制电压信号与波长调制信号同步匹配，以实现对 残余光强幅度干扰信号相应的抑制。图４为光路中 的补偿方案，采用电压可调谐光强衰减器，对光强残 余调制的幅度变化进行对应的衰减。 实验采用浙江海宁华平公司ＭＥＭＳ ＶＯＡ，其衰 减和驱动电压的关系为： ＝０．０４ ｕ 一０．６８ ＋４．３９ 一８．４４（１１） 其中 为衰减度，单位ｄＢ，“为调制电压，单位Ｖ。 实验中，根据衰减器特性曲线与残余光强调制 的关系在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立如图５所示的 信号仿真模型，产生时间同步波长调制信号和衰减 器驱动电压信号。 图４光路补偿方案示意 图５ 同步信号仿真模型 ３补偿实验 ３．１补偿实验系统 图６为利用电压可调ＭＥＭＳ ＶＯＡ对波长调制中 引人的光强残余调制的补偿实验系统装置示意图。可 调谐分布反馈激光器（ＤＦＢ）由激光二极管控制器（／ＴＩＣ ｓｏ２）设定运转于恒定工作温度（２２ ｃ（＝）模式，ｄＳＰＡＣＥ 实时仿真系统产生激光二极管波长１００ Ｈｚ的余弦调制 信号和１ Ｈｚ的锯齿扫描电压信号，以及可调ＶＯＡ的驱 动电压信号。调制信号送入激光驱动器的频率调制输 入口ＭＯＤＥｌ，转换成对应的半导体二极管电流调制信 号。由于本实验系统将用于ＣＯ 的测量，因此实验中 采用波长为１ ５８０ ｎ／ｎ的ＤＦＢ激光二极管，并通过温度 控制将其中心波长控制在１ ５７９．７４ ｎｍ附近，在此波长 附近进行波长扫描和余弦调制。 经过调制的输出光，接人中心波长为１ ５８０± ５ Ｆｉｎ的光隔离器。为了对比补偿前后的效果，通过 Ｙ型耦合器分为两路光信号，其中，未进行补偿处理 的信号直接接入硅光电探测器作为对比信号由示波 器显示；另一路信号则接人ＶＯＡ，经过补偿的信号 接入光电探测器，再由示波器显示，根据显示结果在 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中修正输人衰减器的驱动电压 信号模型，由ＡｕｔｏＢｏｘ产生所需波形调制衰减器，达 到期望的残余光强调制的补偿效果。 根据图６的系统原理图，搭建了如图７的补偿 实验系统平台。 ９４２ 传感技图６ 实验系统原理框图 图７ 买验系统平台 ①ＡｕｔｏＢｏｘ信号仿真箱；②激光二极管控制器；③带尾 纤的ＤＦＢ激光器；④ＭＥＭＳ ＶＯＡ；⑤硅光电探测器；⑥可 调直流电源；⑦光路系统。 ３．２实验结果 激光器工作温度２２℃，以１ Ｈｚ的锯齿波和 １００ Ｈｚ余弦信号调制，调制后激光通过同步驱动的 衰减器经光电探测器，示波器实测的光强补偿效果 如图８所示。图中，Ｃ 为经过衰减补偿的光强波 ｔｉｍｅ／ｓ （ａ）线性的补偿 塑 ｔｉｍｅ／ｓ （ｂ）余弦调制幅度的补偿 ：＝＝＝ 蝴 …ｎ嘲＿ ：”’ 一 一” 一 ■＿■娜■置豳圈 （ｃ）光强整体补偿效果 图８残余光强幅度调制补偿效果 术学报 第２３卷 形，Ｃ 为未经过衰减的光强波形，ｃ 为衰减器加载 的电压驱动波形。 图８（ａ）中可以看出Ｃ 较于Ｃ 光强有整体的衰 减，光强斜坡部分明显趋于平缓。Ｃ 、Ｃ 的最大的幅 度动态范围分别是０—２０ ｍＶ和０～４００ ｍＶ，由此可 知，采用相同的Ａ／Ｄ转换器满量程采样，经过补偿残 余光强调制下降为原来的１／２０，提高了系统信噪比。 图８（ｂ）为加上余弦调制的激光光强补偿效果。通过 衰减器补偿，光强的残余余弦调制的幅值约为原来的 １／１０。图８（ｃ）为包含线性调制和余弦调制的残余光 强调制的整体补偿后效果。把补偿前后的余弦调制 信号幅值带人公式（９），可计算出信号左右两边谷值 畸变比未补偿的信号分别改善６１．４２％和６７．４９％； 初步证明了这种补偿方法对二次谐波畸变的抑制 效果。 ４ 结论 本文从理论上分析了可调谐激光二极管光谱测 量系统中残余光强调制的影响，提出了利用可调光 衰减器对该光强调制进行同步抑制的补偿方案；并 搭建了相关实验系统平台，进行了补偿实验。实验 结果表明，补偿后波长线性扫描的引起的强度调制 降低为补偿前的１／２０，光强余弦调制信号幅度降低 为补偿前的１／１０；在提高系统信噪比的同时，将使 二次谐波左右波谷畸变分别改善了６１．４２％和 ６７．４９％；初步证实了本方法的有效性。 实验中仍然存在一些不足，如所采用的ＭＥＭＳ 衰减器调制响应速度比较慢，只在低频下进行了波 长调制的补偿实验；此外，衰减器驱动电压与衰减度 为非线性关系，采用经验公式补偿，余弦幅度调制补 偿效果不是很理想；下一步工作将选用具有高调制 频率的衰减器以及优化电压驱动模型，以期完善补 偿的效果，并进行实际的过气体检测验证。 参考文献： ［１］Ｆｒｉｓｈ Ｍ Ｂ，Ｗｈｉｔｅ Ｍ Ａ，Ａｌｌｅｎ Ｉ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｈａｎｄｈｅｌｄ Ｌｓｅｒｂａｓｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｒｅｍｏｔｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｏｘｉｃ ａｎｄ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｇａｓｅｓ［Ｃ］／／ ＳＰｌＥ，２０００，４１９９：１９—２８． ［２］ Ｅｂｅｒｔ Ｖ，Ｔｅｉｅｈｅｒｔ Ｈ，Ｓｔｒａｕｅｈ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｉｎ—Ｓｉｔｕ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯ ａｎｄ Ｏ２ ｉｎ ａ Ｒｏｔａｒｙ Ｋｉｌｎ Ｂａｓｅｄ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｗａｓｔｅ Ｉｎｃｉｎｅｒａｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ ７６０ ｎｍ ａｎｄ ２．３ ｍ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ．Ｃｏｍｂ．Ｉｎｓｔ， ２００５，３０（１）：１６１１—１６１８． ［３］刘文清，崔志成，刘建国，等．在气痕量气体测量的光谱学和化 学技术［Ｊ］．量子电子学报．２００４，２１（２）：２０２—２１０． ［４］ 刘建国，刘文清，魏庆农，等．我国的环境监测仪器产业状况及监 测高技术创新的研究［Ｊ］．光电子技术与信息．２ＯＯ２，４：１４—１８．