0 引　言

一氧化碳（CO）是一种常见的有毒气体，长期暴露在CO浓度较高的环境中会对人的神经系统造成损伤，尤其是在潜艇舱室等人员密集的密闭空间中需要对CO进行实时监测^[1]。目前常用的CO检测方法有电化学法和红外法，但电化学法在复杂气体背景条件下易受氢气（H₂）等还原性气体的干扰，红外原理的检测仪器中有切光片之类的运动件，易受振动的影响。其他如质谱方法检测会受到与CO质量分数相同的气体分子的干扰。

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）是一种目前发展迅速的微量气体检测技术^{[1 – 3]}。该技术利用二极管激光光束单色性好、波长可调节的特性，具有选择性好、测量精度高、稳定且不受其他气体干扰的特点。二极管激光器体积小，使用灵活方便，且随着半导体技术的发展，成本越来越低，适宜于开发体积较小且可靠实用的气体检测仪器，用于潜艇舱室之类的空间狭小、背景气体复杂的密闭环境中的气体检测。本文介绍一种使用TDLAS技术的CO浓度检测系统，用于CO的实时检测。

1 工作原理 1.1 波长调制分析

根据朗伯-比尔定律，在弱吸收条件下，气体对特定波长光束的吸收可用下式描述：

${I_{{t}}} = {I_0}\exp ( - \alpha (v)CL) \approx I_{{t}}^{\rm{'}} = (1 - \alpha (v)CL){\text{。}}$

(1)

式中：I_t为气体吸收后光束的光强； $I_{{t}}^{\rm{'}}$ 为其近似值；I₀为吸收前光束的光强； $\alpha (v) = S(T)\phi (v)P$ 为光强吸收系数；S（T）为温度T（K）时气体吸收谱线强度，cm^–2/atm，可通过Hitran数据库查到； $\phi (v)$ 为气体吸收谱线展宽的线型函数，在常压下通常使用洛伦兹线型；v为光束波长，cm^–1；P为气体压强，atm；C为待测气体浓度，ppm；L为气体吸收光程，cm。

对激光器施加斜波扫描-正弦调制驱动信号后，激光器发出光束的波长和光强均被调制：

$ v = v_0'(t) + \Delta v \cdot \cos \omega t{\text{，}}\hspace{20pt} $

(2)

$ {I_0} = I_0'(t) + \Delta I \cdot \cos (\omega t + \theta ) {\text{。}}$

(3)

式中： $v_0'(t)$ 为光束中心波长，cm^–1；Δv为波长调制幅度，cm^–1；ω=2πf为调制角频率，f为调制频率，kHz； $I_0'(t)$ 为光束中心光强，ΔI为光强调制幅度；θ为光强调制与波长调制的相位偏差，在不影响推导的情况下可忽略不计。

将式（2）和式（3）以及洛伦兹线型函数^[3]代入式（1）并整理，得

$ \begin{split} I_0' =& I_0' + \Delta I\cos \omega t - I_0'{\alpha _0}\sum\limits_n {{g_n}\cos n\omega t} -\\ & \frac{{\Delta I{\alpha _0}}}{2}\sum\limits_n {{g_n}\left[ {\cos (n + 1)\omega t + \cos (n - 1)\omega t} \right]} {\text{。}} \end{split} $

(4)

式中： ${\alpha _0} = 2S(T)PCL/(\pi \Delta {v_C})$ ； $\Delta {v_C}$ 为洛伦兹线型函数的半高全宽，cm^–1； ${g_n}(v_0'(t))$ 为洛伦兹线型函数代入波长调制信号后的傅里叶展开各项系数，是波长 $v_0'(t)$ 和波长调制系数Δv的函数。

从式（4）可知，经气体吸收后的光强信号的一次、二次谐波的幅值分别为：

${A_{1f}} = \Delta I - I_0'{\alpha _0}{g_1} - \frac{{\Delta I{\alpha _0}}}{2}({g_0} + {g_2}){\text{，}}$

(5)

${A_{2f}} = I_0'{\alpha _0}{g_2} - \frac{{\Delta I{\alpha _0}}}{2}({g_1} + {g_3}){\text{。}}\hspace{20pt}$

(6)

式中：g₀，g₁，g₂和g₃为系数g_n的前4项。

从式（5）和式（6）可知，一次谐波包含光强调制信息ΔI^[4]，二次谐波幅值与气体浓度成比例关系。根据Arndt^[5]推导、Kluczynski^[6]整理的系数g_n，代入到A_1f，A_2f，绘制曲线如图1所示。为了方便对比，去掉了A_1f中的光强调制项ΔI。根据曲线特点^[7]，选用二次谐波曲线反演气体浓度。

1.2 二次谐波归一化

光束在传输过程中因瑞丽散射、镜片透光率等因素引起光强损失与光束光强经光电探测器检测转换为电压信号的过程中光电转换引起的转换损失，使得光电探测器输出的电压信号U_t与光束光强存在以下关系：

${U_t} = \varepsilon I_t' = \varepsilon I_0' + \varepsilon \sum\limits_n {{A_{nf}}\cos n\omega t} {\text{。}}$

(7)

式中： $\varepsilon = {\varepsilon _1} \cdot {\varepsilon _2}$ ， ${\varepsilon _1}$ 分别 ${\varepsilon _2}$ 为光束传输、转换系数。

由式（7）可知，从光电探测器输出的电压信号中提取出的各次谐波信号均带有光强传输与转换系数，若直接用此二次谐波反演气体浓度则会因镜片污染等因素的影响而导致检测准确度下降。利用一次谐波对二次谐波进行归一化处理^[8]：

${A_{2f/1f}} = \frac{{\varepsilon {A_{2f}}}}{{\varepsilon {A_{1f}}}} = \frac{{{A_{2f}}}}{{{A_{1f}}}}{\text{。}}$

(8)

则可除去光束传输与转换因素的影响。因气体对光强的吸收很弱，一次谐波幅值中光强调制项占主要部分，二次谐波与之求商后对幅值曲线形状的改变不大，如图2所示，不影响气体浓度的反演。

2 检测系统 2.1 系统组成

CO检测系统主要包含激光器及电流驱动与温度控制模块、气体吸收池、光电探测器、带通滤波器、FPGA+MCU数据处理单元、显示单元等，如图3所示。此外还包含电源、气路、抽气泵等。

系统工作时，FPGA电路板发出驱动信号施加在激光器电流驱动上激励激光器产生光束；光束经光纤传输、准直器准直后进入吸收池，在吸收池内经多次反射、吸收后射出至光电探测器转换为电压信号，电压信号经带通滤波除去基础光强后回到FPGA电路板。FPGA对信号进行锁相解调，提取出一次、二次谐波信号进行CO浓度反演。之后再将浓度数据送入到MCU经校正后进行显示。

激光器选用日本NEL公司的2 330 nm带尾纤的DFB激光器。该波长位于CO第一泛频吸收波段，吸收强度比1.57 μm附近的第二泛频波段高2个数量级；另外DFB激光器比4.67 μm附近的基频吸收波段需使用的QCL激光器成本低、体积小。使用帕尔帖效应的温控模块调节温度锁定出射光束的中心波长；调节驱动电流，实现光束波长的斜波扫描与正弦调制。

为了提高检测灵敏度、同时检测系统的体积不至于过大，设计了Herriot气体吸收池^[9]，有效吸收光程9 m左右。吸收池上设有进、出气口和温度、压力传感器。

2.2 数据处理单元

数据处理采用FPGA+MCU架构，利用FPGA并行运算的特点，实现调制信号的产生与谐波信号的解调以及浓度反演等功能；利用MCU易于编程的特点，实现数据采集、CO浓度校正以及显示、抽气泵控制等功能。FPGA选用Xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX75，该芯片包含74637个逻辑单元、FIR等多种IP内核等；MCU选用TI公司的MSP430F169，该芯片包含AD，DA，UART等模块。

FPGA发出的信号经AD电路转换为电压信号，电路如图4所示。AD芯片使用16位精度的AD5542，该芯片以SPI通信方式从FPGA获取波形数据，扫描斜波频率设置为10 Hz，正弦调制频率设置为10 kHz。AD转换后的斜波、正弦信号各自通过一级运放后再经低通滤波芯片LTC1563滤波，合成为扫描-调制锯齿波信号，再经一级运放生成驱动信号。

光电探测器发出的电压信号经带通滤波去除基础光强后，进入到FPGA电路板上的DA转换电路，电路如图5所示。信号先经低通滤波，再由差分运放LTC6362转换为差分信号，最后经20位精度的DA芯片LTC2378转换为数字信号通过SPI通信送入到FPGA。

2.3 浓度数据反演

信号进入到FPGA之后的处理流程如图6所示。FPGA首先使用锁相参考信号对光强数据D进行一次、二次正余弦锁相，使用低通滤波除去不相干信号后，分别将一次谐波正、余弦锁相信号X_1f，Y_1f与二次谐波正、余弦信号X_2f，Y_2f求平方和再开平方得到一次、二次谐波幅值信号R_1f和R_2f^[10]，这样可以消除锁相参考信号与光束光强谐波之间的相位差所造成的影响。之后将R_2f除以R_1f，消除光强背景信号，再通过求取最大值得到二次谐波幅值的峰值R_P，标定二次谐波峰值R_P与CO浓度之间的关系，即反演出CO的浓度。

在浓度反演完成后，FPGA通过UART将数据传输给MCU，MCU对数据进行校正等处理后通过另一路UART送至显示屏。可通过温度、压力试验，测试温度、压力对CO浓度的影响，在MCU内进行校正。

3 实验验证

检测系统组装并调试完成后，进行CO标准气测试实验。实验使用浓度分别为0 ppm（高纯氮气N₂），10.3 ppm，30.1 ppm，50.3 ppm的CO标准气进行多组测试，实验过程按照先通高纯氮气使仪器回复到零值，再通CO标准气进行检测的流程进行，实验结果如表1所示。

从表1数据可见，对不同浓度的CO标准气的检测结果与标准气之间的误差小于1 ppm。

4 结　语

本文在对TDLAS检测原理进行推导分析的基础上，开发了CO检测系统，并使用CO标准气进行测试实验。实验结果表明，系统能够准确地检测CO的浓度，达到了实用水平。另外检测系统使用FPGA+MCU的数据处理架构与Herriot气体吸收池，使得检测系统体积较小能作为单机设备灵活使用，具有很高的推广价值。