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专利名称：温室气体的激光检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种以半导体激光器为光源的温室气体光学检测系统及方法，属于 光谱分析技术领域。
背景狱
引起全球气候变暖的温室气体主要是二氧化碳和甲烷。这两种气体占温室气体
总量的绝大部分，其中，二氧化碳在大气中的含量约为370ppm，甲烷在大气中的 含量大约为1.7ppm。目前，检测二氧化碳和甲烷气体浓度的常用方法主要有质谱法、 气相色谱法、光谱学方法等。由于光谱学方法具有检测时间响应决、灵敏度高的特 点，所以得到较为广泛的应用。以激光为光源的光谱学检测方法，利用激光光源单 色性好的特点，采用单一吸收线，对气体浓度进行定量的测定。
以半导体激光器为光源，利用吸收光谱单独检测二氧化碳气体浓度或单独检测 甲烷气体浓度的方法已有很多，但目前的这些检测方法存在一个共同的问题，那就 是因激光波长的可调谐范围�。�只能用一个激光源一套检测系 应检测一种气体 的浓度，如果要检测另外一种气体的浓度，就需要更换不同波长的激光源，这需要 准备多个不同波长的激光源，增加检测设备的更换、调整环节，使得检测成本高， 检测效率低。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种激光检测方法，用一个激光源一套检测
系统实m^二氧化碳和甲烷这两种主要温室气，度的检测，达到降低检测成本， 提高检测效率的目的。
本发明是这样实现的:一种温室气体的激光检领係统，包括半导微光器(l)、 准直透镜(2)、光探测器(6)，其特征是还包括激光器驱动电源(3)、温度控制器(4)、 函数发生器(5)和锁相放大激7)，其中激光器驱动电源3)和函数发生器(5)连接，激光 器驱动电源(3)与半导体激光器(1)连接，温度控制器(4)与半导体激光器(1)连接，实现对半导体激光器波长的调谐功能，同时函数发生器(5)与锁相放大器(7涟接。
激光器驱动电源(3佣于控制、扫描半导体激光器(l)的泵浦电流，^it控制器(4)
用于调整控制半导体激光器(l)的温度，函数发生器(5)用于向激光器驱动电源(3)提供
直流控制电压信号和交流调制信号，函数发生器(5)的交流调制信号同时也送至锁相
放大器(7)，作为信号解调用的参考信号。
一种运用上述检观係统的检测方法，按以下步職行 ①在半导体激光器的波长可变范围内选择二氧化碳和甲垸二种温室气体的吸
收线对，使其满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收线，
所选定的吸收线要有足够的吸收强度，可以分别满足检测至少370ppm 二氧化碳气体
浓度、以及检测至少1.7ppm甲烷气体浓度的需要；
②选择一个半导体激光器作为检测光源，它的使用波长可调谐范围要能够覆盖 步骤①所选定的二氧化碳气体和甲烷气体的吸收线对，作为检测光源的半导体激光 器的波长调节方法，M过控制半导体激光器的温度和调整扫描半导体激光器的泵 浦电流，将半导体激光器的波长调谐至步骤①所述的吸收线对中的任何一条吸收 线；
③ 检测系统的检测光源波长满足步骤①和步骤②所述要求，并根据被检气体 浓度水平的需要选定吸收光程和信号检测方式；
④ 控制半导体激光器的温度、并扫描半导体激光器的泵浦电流，使激光波长 扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的一条吸收线，记录测定结果；然后 根据需要改变半导体激光器的温度和泵浦电流的扫描范围，使激光波长扫过所选定 的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的另一条吸收线，并记录测定结果，根据测定结
果和系统事先的标定及校对，计算出二氧化碳和甲烷的气，度。
按照上述的检测方法，其特征在于二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对的 选择方法如下
①在中心波数分别为6081.3687 cm"、 6082.8843 cm"、 6084.3890 cm國1、6085.8826 cm-1 、 6087.3647 cm-1 、 6088.8353 cm" 、 6090.2940 cm" 、 6091.7405 cm"的
8条二氧化碳吸收线中选择其中一条；
② 在中心波数分别为6085.2521 cm-1、 6086.6229 cm-1、 6086.6350 cm-1、 6086.7454 cm"、 6086.7797 cm"、 6086.7994 cm"、 6086.8307 cm"的7条甲烷吸收线 中选择其中一条；
③ 将选出的一条二氧化碳吸收线与选出的一条甲烷吸收线组成一对检测用吸 收线对，共能组成56对不同的吸收线对。
本发明其原理基于比尔-朗伯定律，其内容是当一束平行的单色光通过含有均匀 的吸光物质的吸收层时，光的一部分被吸收层内物质的分子吸收， 一部分透过吸收 层， 一部分被吸收层表面反射；设入射光强度为I。，吸收光强度为Ia，透过光强度 为It，反射光强度为L，则它们之间的关系应为
/0=/fl(1) 当吸收层为浓度劍氐的气体时，t的影响很小可忽略不计，则上式可以简化为
(2)
透射光强It与入射光强Io之比被定义为透光率，用符号T来表示；吸收光强Ia 与入射光强IQ之比被定义为吸光率，用符号A来表示，则有
T丄 (3) J。
j丄 (4)
考虑一束平行单色入射光通过一M有吸光物质、具有单位面积的介质，假设 其通过的厚度为L，光线通过的体积中含有吸光分子，光通过后， 一些光子被吸收， 光强从Io降到了I，当光通过此体积中厚度为dx的一个体积元时，如果该体积元中 吸光分子浓度为C (分子/cm3)，贝U其中由于一部分光子被吸收所造成光强的减小 量是
—必=/flof>^ Crfx (5)
式(5)中^"为分子的有效吸收截面积(cmV分子)，表示分子对某一波长
6的单色光吸收的特性。对上式积分，等式左边光强的积分上下限分别慰t和I(),等式 右边吸收光程的积分上下限是光liL和O，则可得:
<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
式(6)就是比尔-朗伯定律的基本表达式，它表达了单色光通过吸收介质后， 透过光强I、气体浓度C和吸收光禾ML三者之间的关系。在已知分子吸收特性和吸收 光程的前提下，测定入射光强和出射光强、就可以根据比尔-朗伯定律得出吸收气 体的浓度。
基于上述原理，本发明设计了以半导体激光器为光源的温室气体光学检测系 统，它包括半导体激光器、准直透镜、激光器驱动电源、温度控制器、函数发生 器、光探测器、锁相放大器。由半导体激光器发出的激光束经过准直透镜后变为平 行光束射向光探测器，激光光源与光探测器之间的光程为吸收光程，激光光束在通 过这段距离时因气体的吸收而衰减，光强减弱，光探测器用于实现光电变换并测定 光强减弱量。温度控制器用于调整控制半导体激光器的温度。激光器驱动电源用于 控制、扫描半导体激光器的泵浦电流，从而实现半导体激光器波长的调谐功能。函 数发生器的作用是向激光器驱动电源提供直流控制电压信号和交流调制信号，直流 控制电压信号是控制激光驱动电源输出电流的大�。�用于扫描泵浦电流，交流调制 信号用于直接调制激光频率。交流调制信号同时也送至锁相放大器，作为信号解调 用的参考信号。锁相放大器的作用是从光探测器的输出信号中抽取调制信号的某一 个倍频谐波，以便降低检测噪声，提高检测结果的信噪比。
本发明的有益效果是改进了大气中二氧化碳和甲垸二种温室气体的检测系统 和方法，以同一个半导体激光器为检测光源，利用一套系统就可以同时检测二氧化 碳和甲烷两种气体，會g够有效地降低气微测成本，提高检测效率。


下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并 不限于以下的实施例。图1为比尔-朗伯定律的示意图2为温室气体激光检测系统示意图3为观!l定半导体激光器特性的装置示意图4为半导体激光器波长特性的测定结果图5为中心波数为6082.8843 cm4的二氧化碳气体浓度校对测定结果图； 图6为中心波数为6086.7797 cm—1的甲烷气体浓度^)(寸测定结果图； 图7为对大气中二氧化碳气体浓度的测定结果图； 图8为对大气中甲烷气体浓度的测定结果图9为中心波数为6081.3687 cm—1的二氧化碳气体浓度自测定结果图10为中心波数为6086.8307 cm—1的甲烷气体浓度舰测定结果图11为中心波数为6091.7405 cm—1的二氧化碳气# 农度校对测定结果图12为中心波数为6085.2521 cm'1的甲烷气体浓度校对测定结果图。
图中l.半导術敫光器，2.准直透镜，3.激光器驱动电源，4.温度控制器，5.函
数发生器，6.光探测器，7.锁相放大器，8.波长计，9.波长计结果输出端。
具体实施例方式
本发明所述温室气体激光检测系统是利用被测气体分子对某一波长的激光的 吸收作用，吸收使该波长的激光受到衰减，被测气体浓度越高衰减就越大，通过测 定激光的衰减量就可以测定被测气体的浓度。如图2所示，选用InGaAsP材料的分 布反馈型(DFB)可调谐半导体激光器1作为检测光源，采用直接频率调制，调制 信号的2倍频谐波检测方式。半导体激光器1的温度由温度控制器4进行控制，可 以保持为一定常值。半导体激光器l的泵浦电流由激光器驱动电源3供给并进行控 制。函数发生器5向激光器驱动电源3提供直流控制电压信号和交流调制信号，用 于控制驱动电源输出电流的大小和对激光器实施直接频率调制，同时函数发生器5 也向锁相放大器7提供解调用参考信号。锁相放大器7的作用是从光探测器6的输 出信号中抽取调制信号的某一个倍频谐波，以便降低检观幌声，提高检测结果的信 噪比。
当检测一种气体时，本发明所述的温室气体激光检测系统就需要选定一条被测气体的吸收线用作测定。半导体激光器1所发出激光的波长要能够与被测气体的吸 收线相吻合，即激光光谱的中心波长应能调谐至吸收线的中心，或者可以调谐扫过 吸收线的中心，以便在吸收线中心处获得最大的吸收衰减。本发明方法要求半导体 激光器1的波长可变范围能够覆盖至少一条选定的二氧化碳气体吸收线和至少一条 选定的甲烷气体吸收线。要做到这一点，首先需要测定光源的波长特性，充分了解 光源的波长可变范围，观啶其波长特性的装置如图3所示。在图3中半导体激光器
l发出的激光经准直透镜2聚光后，被整形为直径较小的平行光束，该光束直接射 入波长计8，在波长计内测定该光束的波长后，经波长计结果输出端9数字化输出 测定结果。装置中激光器驱动电源3和函数发生器5用于控制半导体激光器1的拨 泵浦电流，驗控制器4用于控制半导体激光器1的Mjt。
如图3所示，波长的调整和扫描方法是调整M^控制器4，将半导体激光器 1的温度值从20度开始，以5度的温度间隔一直调整到45度。当半导体激光器1 的温度值稳定在一个常值时，调整激光器驱动电源3，在20mA至70mA范围内控 制通过扫描半导体激光器l的泵浦电流达到扫描激光波长的目的。本发明中使用的 半导体激光器其波长特性观啶结果如图4所示，从图4可以看出，通过改变Mit和 泵浦电流，半导体激光器1的波数可变范围达14cm"以上，會詢多覆盖本发明所选吸 收线的范围。
本发明对温室气体进行激光检测的方法如下
步骤一在半导体激光器的波长可变范围内选择二氧化碳和甲烷二种温室气体 的吸收线对，使其满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收 线。所选定的吸收线要有足够的吸收强度，可以分别满足检观侄少370ppm二氧化碳 气体浓度、以及检测至少1.7ppm甲烷气i^农度的需要。
步骤二选择一个半导体激光器作为检测光源，它的使用波长可调谐范围要能 够覆盖步骤一所选定的二氧化碳气体和甲烷气体的吸收线对。作为检测光源的半导 体激光器的波长调节方法，是通过控制半导体激光器的温度和调整扫描半导体激光 器的泵浦电流，将半导体激光器的波长调谐至步骤一所述的吸收线对中的任何一条 吸收线。步骤三检测系统的检测光源波长满足步骤一和步骤二所述要求，并根据被检 气体浓度水平的需要选定吸收光程和信号检测方式。
步骤四控制半导体激光器的鹏、并扫描半导体激光器的泵浦电流，使激光 波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的一条吸收线，记录测定结果； 然后根据需要改变半导体激光器的温度和泵浦电流的扫描范围，使激光波长扫过所 选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的另一条吸收线，并记录测定结果。根据测 定结果和系统事先的标定及校对，计算出二氧化碳和甲烷的气体浓度。
在对温室气体进行激光检测的方法步骤中，二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸 收线对的选择是不可少的环节。本发明选定的8条二氧化碳吸收线中心波数分别是:
6081.3687 cm-1 6082.8843 cm" 6084.3890 cm—1 6085,8826 cm-1 6087.3647 cm-1 6088.8353 cm-1 6090.2940 cm'1 6091.7405 cm-1
本发明选定的7条甲烷吸收线中心波数分别是
6085.2521 cm-1 6086.6229 cm_1 6086.6350 cm-1 6086.7454 cm-1 6086.7797 cm'1 6086.7994 cm'1 6086.8307 cm'1
为达到在半导体激光器的波长可变范围内选择的二氧化碳和甲烷二种温室气 体的吸收线对满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收线的要求，吸收线对的选择方案如下
选取二氧化碳的吸收线6081.3687 cm—1,分别与甲烷的7条吸收线组合，组成7 个吸收线对(如下表l所示)，用以同时测定二氧化碳和甲烷气体浓度。 . 表l
二氧化赢m-1
6085.2521
6086.6229
6086.6350
6081.36876086.7454
6086.7797
6086.7994
6086.8307
同理，选取二氧化碳的吸收线6082.8843 cm'1 ，分别与甲烷的7条吸收线组合， 又能组成另外的7个吸收线对，与此类推，共能组成56个不同的吸收线对。
实施例l:下面选取一条二氧化碳吸收线和一条甲垸吸收线，组成检测用吸收 线沐以此为例进行说明。选用中心波数为6082.8843 cm—1的二氧化碳吸收线和中 心波数为6086.7797 cm'1的甲垸吸收线组成吸收线对，对二氧化碳和甲烷两种气体 浓度进行测量。具,作如下
①首先，对二氧化碳气体浓度进行校对测定。顿测定系统的构成如图2所示， 半导体激光器的特性如图4所示，为了避免环境空气的影响，校对测定时要将测定 光路置于密闭容器内，与环境空气相隔绝，然后按以下步骤进行
先将封闭光路的容器中二氧化碳气体浓度设定为98ppm，通气置换容器内气 体，气体浓度达到这一浓度后开始测定。调整Mit控制器4，将半导体激光器1的 ^it控制在40度，接着调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从60mA 开始扫弓i泵浦电流至70mA，记录下测定结果。
改变封闭光路的容器中二氧化碳气体浓度，将其分别设定为195ppm， 252ppm 和435ppm，重复上述测定步骤，分别记录下测定结果。这样就测得98ppm、 195ppm、
ii252ppm、 435ppm时二氧化碳气体的吸收光谱信号，如图5中的左图所示。图5中 的左图是测得的二氧化碳吸收光谱随浓度变化的关系图，横轴是波数，纵轴是吸收 光谱的信号强度。图5中的右图是与左图相对应的浓度标定线图，横轴是气，度， 纵轴是吸收信号的强度。从图5的右图可以看出，二氧化碳气#^农度与吸收光谱的 信号强度之间有着良好的线性相关。
② 其次，对甲烷气体浓度进行TO测定。校对测定系统的构成如图2、半导体 激光器的特性如图4所示，为了避免环境空气的影响，同样将测定光路置于密闭容 器内，与环境空气相隔绝，然后按以下步M行
先将封闭光路的容器中甲烷气，度设定为0.35ppm,通气置换容器内气体， 气体浓度达到这一浓度后开始测定。调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度 控制在30度，接着调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从55mA开 始扫弓l泵浦电流至65mA，记录下测定结果。
改变封闭光路的容器中甲烷气体浓度，将其分别设定为0.75ppm， 1.28ppm和 2.06ppm，重复上述测定步骤，分别记录下测定结果。这样就测得0.35ppm、 0.75ppm、 1.28ppm、 2.06ppm时甲烷气体的吸收光谱信号，如图6中的左图所示。图6中的左 图是测得的甲烷吸收光谱随浓度变化的关系图，横轴是波数，纵轴是吸收光谱的信 号强度。图6中的右图是与左图相对应的浓度标定线图，横轴是气体浓度，纵轴是 吸收信号的强度。从图6的右图可以看出，甲烷气，度与吸收光谱的信号强度之 间有着良好的统性相关。
③ 最后，对大气中二氧化碳和甲烷气体浓度进行实测。劍门用上述①和②标定 舰后的气微观係统，对大气中的二氧化碳和甲烷气体浓度进行了实测。对大气 中二氧化碳气体浓度的实领纟结果如图7所示，对大气中甲烷气術农度的实测结果如 图8所示。
实施例2:为进一步说明本发明方法，本例选用中心波数最小的二氧化碳吸收 线60813687 cm"和中心波数最大的甲烷吸收线6086.8307 cm—1组成吸收线对，对二 氧化碳和甲烷两种气体浓度进行了测量。具体操作与实施例一相同，在此结合附图 进行简要说明①对二氧化碳气体浓度进行舰测定。如图2、图4和图9所示，将封闭光路 的容器中二氧化碳气体浓度分别设定为185ppm、 370ppm和505ppm，然后调整温 度控制器4，将半导体激光器1的鹏控制在45度，接着调整激光器驱动电源3， 以扫描电流间隔为0.2mA，从55mA开始扫引泵浦电流直至65mA，得到二氧化碳 气体浓度标定线图。
② 对甲烷气体浓度进行校对测定。如图2、图4和图10所示，将封闭光路的容 器中甲烷气体浓度的分别设定为0.65ppm、 1.32ppn^[12.25ppm，然后调整》^控制 器4，将半导体激光器1的温度控制在33度，接着调整激光器驱动电源3，以扫描 电流间隔为0.2mA，从45mA开始扫引泵浦电流至55mA，得到甲烷气術农度标定 线图。
(D测定二氧化碳和甲烷气体的吸收光谱后，根据吸收光谱信号强度与气体浓度 的关系就可以定量测定大气中二氧化碳和甲烷气体的浓度。具体测定结果与实施例 —相同。
实施例3:本例选用中心波数最大的二氧化碳吸收线6091.7405 cm"和中心波 数最小的甲垸吸收线6085.2521 cm"组成吸收线对，对这两种温室气体进行测定。 具体操作与实施例一相同，在此结合附图进行简要说明对二氧化碳气体进行自 测定时，如图2、图4和图11所示，将封闭光路的容器中二氧化碳气体浓度分别设 定"为110ppm、 245ppm和408ppm，调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度控 制在45度，调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从55mA开始扫引 泵浦电流至65mA，得到二氧化碳气体浓度标定线图。对甲烷气体进行舰测定时， 如图2、图4和图12所示，将封闭光路的容器中甲烷气，度的设定分别为0.82ppm、 1.53ppm和2.81ppm，调整驢控制器4,将半导体激光器1的温度控制在33度， 调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从45mA开始扫引泵浦电流至 55mA，得到甲烷气体浓度标定线。.测定二氧化碳和甲烷气体的吸收光谱后，根据 吸收光谱信号强度与气体浓度的关系就可以定量测定大气中二氧化碳和甲烷气体 的浓度。具体测定结果与实施例一相同。
1权利要求
1. 一种温室气体的激光检测系统，包括半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光探测器(6)，其特征是还包括激光器驱动电源(3)、温度控制器(4)、函数发生器(5)和锁相放大器(7)，其中激光器驱动电源(3)和函数发生器(5)连接，激光器驱动电源(3)与半导体激光器(1)连接，温度控制器(4)与半导体激光器(1)连接，实现对半导体激光器波长的调谐功能，同时函数发生器(5)与锁相放大器(7)连接。
2. 按照权利要求1所述的检测系统，其特征在于激光器驱动电源(3)用于控 制、扫描半导体激光器(l)的泵浦电流，温度控制器(4)用于调整控制半导体激光器 (1)的温度，函数发生器(5)用于向激光器驱动电源(3)提供直流控制电压信号和交流 调制信号，函数发生器(5)的交流调制信号同时也送至锁相放大器(7)，作为信号解 调用的参考信号。
3. —种运用权利要求1所述的检测系统的检测方法，其特征在于按以下步 骤进行①在半导体激光器的波长可变范围内选择二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对，使其满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收线，所选定的吸收线要有足够的吸收强度，可以分别满足检测至少370ppm二氧化碳气体浓度、以及检测至少1.7ppm甲垸气体浓度的需要；②选择一个半导体激光器作为检测光源，它的使用波长可调谐范围要能够 覆盖步骤①所选定的二氧化碳气体和甲烷气体的吸收线对，作为检测光源的半 导体激光器的波长调节方法，是通过控制半导体激光器的温度和调整扫描半导 体激光器的泵浦电流，将半导体激光器的波长调谐至步骤①所述的吸收线对中 的任何一条吸收线；③ 检测系统的检测光源波长满足步骤①和步骤②所述要求，并根据被检气体浓度水平的需要选定吸收光程和信号检测方式；④ 控制半导体激光器的温度、并扫描半导体激光器的泵浦电流，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲垸气体吸收线对中的一条吸收线，记录测定结果； 然后根据需要改变半导体激光器的温度和泵浦电流的扫描范围，使激光波长扫过 所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的另一条吸收线，并记录测定结果，根 据测定结果和系统事先的标定及校对，计算出二氧化碳和甲烷的气体浓度。
4.按照权利要求3所述的检测方法，其特征在于二氧化碳和甲垸二种温室 气体的吸收线对的选择方法如下① 在中心波数分别为6081.3687 cm—1、 6082.8843 cm國1、 6084.3890 cm"、 6085.8826 cm-1 、 6087.3647 cm隱1、 6088.8353 cm-1 、 6090.2940 cm國1、 6091.7405 cm" 的8条二氧化碳吸收线中选择其中一条；② 在中心波数分别为6085.2521 cm—\ 6086.6229 cm"、 6086.6350 cm—1、 6086.7454 cm"、 6086.7797 cm"、 6086.7994 cm"、 6086.8307 cm"的7条甲烷吸收 线中选择其中一条；③ 将选出的一条二氧化碳吸收线与选出的一条甲垸吸收线组成一对检测 用吸收线对，共能组成56对不同的吸收线对。
全文摘要
本发明涉及一种温室气体的激光检测系统及方法，它包括半导体激光器、准直透镜、光探测器，激光器驱动电源、温度控制器，函数发生器和锁相放大器，其中激光器驱动电源和函数发生器连接，实现对半导体激光器波长的调谐功能。运用该检测系统的方法是通过控制半导体激光器的温度和泵浦电流，将半导体激光器的波长调谐至任意一种温室气体的吸收线，分别记录测定结果，再根据比尔-朗伯定律计算出二氧化碳和甲烷的气体浓度。本发明改进了大气中二氧化碳和甲烷二种温室气体的检测系统和方法，以同一个半导体激光器为检测光源，利用一套系统就可以同时检测二氧化碳和甲烷两种气体，能够有效地降低气体检测成本，提高检测效率。
文档编号G01N21/31GK101482501SQ20081023356
公开日2009年7月15日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者吴尚谦 申请人:昆明理工大学