本發(fā)明涉及一種信號(hào)處理技術(shù)，具體講的是一種基于雙路鎖相差分消除二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法。屬于光纖氣體傳感檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

痕量氣體的檢測(cè)，現(xiàn)在在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，包含冶金、石油、化工、電子、電力、紡織、醫(yī)藥、食品、木材、造紙、建筑、空調(diào)、甚至核能和航空航天工業(yè)。而目前對(duì)痕量氣體檢測(cè)最有效的方法是波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)，波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)是通過(guò)鎖相放大技術(shù)進(jìn)行二次諧波的提取來(lái)進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)的，相比與其他檢測(cè)方法具有更高的靈敏度，更高的信噪比，且吸收譜線基線為0，但是當(dāng)激光器波長(zhǎng)受到調(diào)制時(shí)，往往會(huì)伴隨著強(qiáng)度調(diào)制，引起光功率的起伏，進(jìn)而引起二次諧波畸變，這種現(xiàn)象被稱為剩余幅度調(diào)制。剩余幅度調(diào)制會(huì)影響二次諧波的基線，導(dǎo)致二次諧波的分量不純凈，表現(xiàn)在二次諧波波形上就是非對(duì)稱性，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此迫切需要一種方法來(lái)解決以上問(wèn)題。

朱存光在論文“tdlas譜線畸變產(chǎn)生機(jī)理與校正技術(shù)研究”(山東大學(xué)博士學(xué)位論文2015p101-115)中提出了一種基于電光調(diào)制器構(gòu)建的一種恒功率連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)制光源進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制光譜檢測(cè)來(lái)消除剩余幅度調(diào)制，通過(guò)電光調(diào)制器的外部調(diào)制可以有效地抵消掉伴隨半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)調(diào)制產(chǎn)生的無(wú)用的光功率調(diào)制，進(jìn)而消除剩余幅度調(diào)制。但是上述方法是以犧牲信號(hào)幅度來(lái)消除剩余幅度調(diào)制的，信噪比明顯降低，不利于信號(hào)的檢測(cè)。

為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，保證信噪比不減小，急需一種有效的消除剩余幅度調(diào)制的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明提出了一種基于雙路鎖相差分消除二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法，本方法能夠在保證不降低信噪比的前提下消除剩余幅度調(diào)制。

本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的：

一種基于雙路鎖相差分消除二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法，由以下系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括單片機(jī)a、單片機(jī)b、加法器、溫控模塊、dfb激光器、氣室、耦合器、光電探測(cè)器a、光電探測(cè)器b、運(yùn)算放大器、信號(hào)發(fā)生器、鎖相放大器a、鎖相放大器b、減法器、示波器，單片機(jī)a和單片機(jī)b分別連接到加法器的兩個(gè)輸入端，單片機(jī)a產(chǎn)生的一次調(diào)制信號(hào)疊加單片機(jī)b產(chǎn)生的低頻掃描信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)加法器相加，作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)；加法器輸出端和dfb激光器相連接，其輸出電流作為控制dfb激光器的驅(qū)動(dòng)電流；溫控模塊連接到dfb激光器以控制dfb激光器的溫度，dfb激光器的輸出端通過(guò)光纖和氣室相連接，氣室通過(guò)光纖連接到耦合器，耦合器的兩個(gè)輸出端經(jīng)光纖分別連接到光電探測(cè)器a和光電探測(cè)器b，光電探測(cè)器a輸出端和鎖相放大器a的一個(gè)輸入端相連接，光電探測(cè)器b的輸出端和運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入端相連接，信號(hào)發(fā)生器分別連接到鎖相放大器a和運(yùn)算放大器的另一個(gè)輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端連接到鎖相放大器b的輸入端，鎖相放大器a和鎖相放大器b的輸出端分別連接到減法器的兩個(gè)輸入端，減法器的輸出端和示波器相連接，該方法的步驟如下：

1)連接好上述系統(tǒng)，打開(kāi)電路及示波器電源，在氣室中注入待測(cè)氣體；

2)令單片機(jī)a產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)；單片機(jī)b產(chǎn)生低頻掃描信號(hào)，高頻調(diào)制信號(hào)和低頻掃描信號(hào)經(jīng)過(guò)加法器相加后作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流，溫控模塊控制溫度，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器分別發(fā)出相位為η和φ的信號(hào)，使得此信號(hào)頻率為單片機(jī)a所產(chǎn)生的高頻信號(hào)的二倍，以用做鎖相放大器a和鎖相放大器b的參考信號(hào)；

3)激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)氣室吸收后，通過(guò)耦合器等分為兩路，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器a和光電探測(cè)器b將光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為兩路電信號(hào)，一路與相位為η參考信號(hào)直接進(jìn)入鎖相放大器a，用于對(duì)信號(hào)解調(diào)，輸出的二次諧波信號(hào)的幅值代表氣體濃度的大小，另一路與相位為φ的參考信號(hào)先經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器調(diào)整，再進(jìn)入鎖相放大器b，輸出的信號(hào)大小代表著由一次諧波和三次諧波引起的剩余幅度調(diào)制的大小，將示波器依次連接到鎖相放大器a和鎖相放大器b的輸出端，觀察示波器上是否出現(xiàn)二次諧波信號(hào)和呈奇對(duì)稱的剩余幅度調(diào)制信號(hào)，若是則進(jìn)行下一步，若不是則給鎖相放大器a和鎖相放大器b輸入兩路信號(hào)來(lái)檢查兩個(gè)鎖相放大器的鎖相功能，調(diào)整鎖相放大器a和鎖相放大器b的參數(shù)設(shè)置，直到出現(xiàn)二次諧波信號(hào)和呈奇對(duì)稱的剩余幅度調(diào)制信號(hào)，然后進(jìn)行下一步；

4)由鎖相放大器a和b輸出的兩路信號(hào)進(jìn)入減法器相減，將示波器再連接到減法器的輸出端，然后在示波器上顯示輸出信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器，改變運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)來(lái)改變第二路信號(hào)的大小，在示波器上觀察輸出信號(hào)，直到觀測(cè)到的輸出信號(hào)的兩個(gè)旁邊的下峰值大小相等，此時(shí)即得到?jīng)]有剩余幅度調(diào)制的二次諧波信號(hào)；

5)信號(hào)處理完畢，關(guān)閉電源。

本發(fā)明采用的原理如下：

激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)氣室，氣室中的待測(cè)氣體對(duì)光的吸收遵循beer-lambert定律：

i(ν)＝i0(ν)·exp[-α(ν)·c·l](1)

其中α(ν)是吸收系數(shù)，ν是光頻率，c是待測(cè)氣體濃度，l是吸收光程，i0(ν)是入射光強(qiáng)，i(ν)是透射光強(qiáng)。

經(jīng)過(guò)分光比1:1的1×2耦合器分光后，兩路光的光強(qiáng)分別為i1(ν)，i2(ν)：

其中α是氣室的腔內(nèi)損耗，β是耦合器的透過(guò)率。

在波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)中，我們通常用一個(gè)低頻斜坡掃描信號(hào)和高頻正弦波調(diào)制信號(hào)疊加進(jìn)行驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，激光器輸出的光的頻率和振幅可以寫(xiě)為：

ν＝νs+δν·cos(ωt-ψ)(3)

i0(ν)＝is(ν)+δi·cos(ωt)(4)

νs，is(ν)是低頻斜坡掃描信號(hào)對(duì)應(yīng)的光的頻率和強(qiáng)度，δν和δi是高頻正弦波調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的光的頻率和強(qiáng)度，ψ是強(qiáng)度調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制的相位差。

當(dāng)α(ν)·c·l<<1時(shí)，式(2)可以表示為：

吸收系數(shù)α(ν)可以表示為：

α0(α0＝s/πγ)和ν0是吸收線中心處的吸收系數(shù)和光頻率，s是吸收線強(qiáng)度，γ是吸收線半高半寬度，調(diào)制因子m＝δν/γ，令x(ν)＝(νs-ν0)/γ,θ＝ωt-ψ，將吸收系數(shù)α(ν)傅里葉展開(kāi)為：

其中a0和an表示傅里葉展開(kāi)式的系數(shù)，將式(7)代入式(5)得：

為了提取二次諧波用于氣體濃度測(cè)量，需給鎖相放大器加入頻率為2ωt的參考信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的兩路參考信號(hào)具有不同的相位分別為η和φ，經(jīng)過(guò)鎖相放大器后的兩路信號(hào)分別為：

q1是二次諧波信號(hào)，q2是由一次和三次諧波引起的剩余幅度調(diào)制信號(hào)項(xiàng)。調(diào)節(jié)η，使

η+2ψ＝0，信號(hào)v1(ν)的q1項(xiàng)取得最大值；調(diào)節(jié)φ，使φ+2ψ＝π/2，信號(hào)v2(ν)的q1項(xiàng)為0。調(diào)整運(yùn)算放大器，通過(guò)改變運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)來(lái)改變第二路信號(hào)的大小，調(diào)整因子為ε。兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)減法器后信號(hào)為：

通過(guò)調(diào)整放大器，改變調(diào)整因子ε，使得兩路信號(hào)剩余幅度調(diào)制信號(hào)項(xiàng)相等，經(jīng)過(guò)減法器后，減法器出來(lái)的信號(hào)沒(méi)有剩余幅度調(diào)制信號(hào)項(xiàng)的影響，且信號(hào)幅度不受影響。

本發(fā)明的待測(cè)氣體包括水蒸氣、一氧化碳、二氧化硫，甲烷等氣體。

本發(fā)明采用的方法，具有操作簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。能完全消除剩余幅度調(diào)制對(duì)二次諧波的影響，而且不影響信號(hào)幅度的大小，保證信噪比不變。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

其中：1、單片機(jī)a，2、單片機(jī)b，3、加法器，4、溫控模塊，5、dfb激光器，6、氣室，7、耦合器，8、光電探測(cè)器a，9、光電探測(cè)器b，10、信號(hào)發(fā)生器，11、運(yùn)算放大器，12、鎖相放大器a，13、鎖相放大器b，14、減法器，15、示波器。

圖2是鎖相放大器a輸出的氣體濃度信號(hào)，明顯看出二次諧波信號(hào)中含有剩余幅度調(diào)制。

圖3是鎖相放大器b輸出的是由一次諧波和三次諧波引起的剩余幅度調(diào)制的信號(hào)。

圖4是經(jīng)過(guò)減法器輸出的無(wú)剩余幅度調(diào)制的二次諧波信號(hào)，明顯看出兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相差分處理后，剩余幅度調(diào)制被完全消除。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。

實(shí)施例：

一種基于雙路鎖相差分消除二次諧波剩余幅度調(diào)制的方法，由以下系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括單片機(jī)a1、單片機(jī)b2、加法器3、溫控模塊4、dfb激光器5、氣室6、耦合器7、光電探測(cè)器a8、光電探測(cè)器b9、運(yùn)算放大器10、信號(hào)發(fā)生器11、鎖相放大器a12、鎖相放大器b13、減法器14、示波器15，單片機(jī)a和單片機(jī)b分別連接到加法器3的兩個(gè)輸入端，單片機(jī)a產(chǎn)生的一次調(diào)制信號(hào)疊加單片機(jī)b產(chǎn)生的低頻掃描信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)加法器3相加，作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)；加法器3輸出端和dfb激光器5相連接，其輸出電流作為控制dfb激光器5的驅(qū)動(dòng)電流；溫控模塊4連接到dfb激光器5以控制dfb激光器5的溫度，dfb激光器5的輸出端通過(guò)光纖和氣室6相連接，氣室6通過(guò)光纖連接到耦合器7，耦合器7的兩個(gè)輸出端經(jīng)光纖分別連接到光電探測(cè)器a和光電探測(cè)器b，光電探測(cè)器a輸出端和鎖相放大器a的一個(gè)輸入端相連接，光電探測(cè)器b的輸出端和運(yùn)算放大器10的一個(gè)輸入端相連接，信號(hào)發(fā)生器11分別連接到鎖相放大器a和運(yùn)算放大器10的另一個(gè)輸入端，運(yùn)算放大器10的輸出端連接到鎖相放大器b的輸入端，鎖相放大器a和鎖相放大器b的輸出端分別連接到減法器14的兩個(gè)輸入端，減法器14的輸出端和示波器15相連接，該方法的步驟如下：

1)連接好上述系統(tǒng)，打開(kāi)電路及示波器電源，在氣室中注入待測(cè)氣體；

2)令單片機(jī)a產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)；單片機(jī)b產(chǎn)生低頻掃描信號(hào)，高頻調(diào)制信號(hào)和低頻掃描信號(hào)經(jīng)過(guò)加法器相加后作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流，溫控模塊控制溫度，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器分別發(fā)出相位為η和φ的信號(hào)，使得此信號(hào)頻率為單片機(jī)a所產(chǎn)生的高頻信號(hào)的二倍，以用做鎖相放大器a和鎖相放大器b的參考信號(hào)；

3)激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)氣室吸收后，通過(guò)耦合器等分為兩路，分別經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器a和光電探測(cè)器b將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路電信號(hào)，一路與相位為η參考信號(hào)直接進(jìn)入鎖相放大器a，用于對(duì)信號(hào)解調(diào)，輸出的二次諧波信號(hào)的幅值代表氣體濃度的大小，另一路與相位為φ的參考信號(hào)先經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器調(diào)整，再進(jìn)入鎖相放大器b，輸出的信號(hào)大小代表著由一次諧波和三次諧波引起的剩余幅度調(diào)制的大小，將示波器依次連接到鎖相放大器a和鎖相放大器b的輸出端，觀察示波器上是否出現(xiàn)二次諧波信號(hào)和呈奇對(duì)稱的剩余幅度調(diào)制信號(hào)，若是則進(jìn)行下一步，若不是則給鎖相放大器a和鎖相放大器b輸入兩路信號(hào)來(lái)檢查兩個(gè)鎖相放大器的鎖相功能，調(diào)整鎖相放大器a和鎖相放大器b的參數(shù)設(shè)置，直到出現(xiàn)二次諧波信號(hào)和呈奇對(duì)稱的剩余幅度調(diào)制信號(hào)，然后進(jìn)行下一步，如圖2和3所示，明顯可以看出通過(guò)改變運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)，改變圖3剩余幅度調(diào)制信號(hào)的大小，可以消除圖2中的二次諧波的剩余幅度調(diào)制；

4)由鎖相放大器a和b輸出的兩路信號(hào)進(jìn)入減法器相減，將示波器再連接到減法器的輸出端，然后在示波器上顯示輸出信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器，改變運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)來(lái)改變第二路信號(hào)的大小，在示波器上觀察信號(hào)，直到觀測(cè)到的輸出信號(hào)的兩個(gè)旁邊的下峰值大小相等，此時(shí)即得到?jīng)]有剩余幅度調(diào)制的二次諧波信號(hào)；如圖4所示，可以看出二次諧波信號(hào)中沒(méi)有剩余幅度調(diào)制的影響，且信號(hào)幅度基本不變；

5)信號(hào)處理完畢，關(guān)閉電源。