采用小波分析方法降低可调谐半导体激光吸收光谱技术测量下限的实验研究

张立芳，王 飞，俞李斌，严建华，岑可法

浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027

采用小波分析方法降低可调谐半导体激光吸收光谱技术测量下限的实验研究

张立芳，王 飞*，俞李斌，严建华，岑可法

浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027

基于可调谐激光吸收光谱技术，主要采用数据处理的方法如互相关、小波分析等降低光谱吸收技术的测量下限。采用可调谐激光吸收光谱技术中的波长调制技术，对较低浓度下的NH3进行了降低测量下限的试验研究。采用近红外波段2.25 μm附近的一组ν2+ν3NH3吸收谱线，其强度远高于1.5 μm处谱线，结合波长调制技术在最优信噪比的条件下对常温常压下不同浓度的NH3进行了测量。为了保证实验条件下测量得到的二次谐波信号的峰值高度达到最大且信噪比最优，实验在调制系数为2.2左右的情况下，通过加载最优的高频调制信号来保证信噪比(SNR)。在10 m长的Herriott池中探测到了浓度为0.6×10-6的二次谐波信号，其中信号处理部分主要采用相关分析、多次平均以及小波变换分析来控制中心波长的移动和降低噪音的干扰。结果表明，经过数据处理以后的谐波信号，其检测下限降低到处理前的约百分之一，且不需要增加任何实验设备就可以很好的抑制噪音的影响，将相关分析和小波分析与波长调制技术相结合，这种数据处理方法对于在线检测技术具有很好的实用价值。

波长调制技术； 信号处理； 小波变换； 相关分析

引 言

可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)由于具有高灵敏度、高分辨率以及高选择性等优点，使其成为重要的气体浓度、温度、线强等参数的在线测量方法。近几年来，TDLAS无论是在工业中的痕量气体分析领域还是在环境监测领域，都引起广泛的关注与研究。尤其是测量方法中较为常用的波长调制技术(WMS)，结合一定的信号处理技术可以有效的降低环境噪声的干扰，提高信噪比(SNR)，非常适合低浓度痕量气体在线检测与分析[1-2]。

作为一种还原剂NH3常被用来脱除锅炉尾部烟气中的NOx，对于电厂脱硝过程中未及时反应的低浓度逃逸NH3的在线检测，其现场环境恶劣，背景信号干扰严重，使得测量得到的信号受到很大的干扰。目前，电厂对逃逸的NH3量一般控制在3 ppm以下，由于测量环境非常恶劣，在电厂尾部烟道10 m左右的测量光程内，目前的测量下限不能够满足电厂的检测要求。现有的实验研究主要是采用差分电路和高次谐波检测来抑制环境噪声的干扰从而提高测量下限，对于TDLAS技术以傅里叶变换为基础的小波分析关注及分析都很少[3-4]。因此，实验采用波长调制技术进行了较低浓度下NH3的在线检测，通过采用相关性分析降低中心波长移动造成的影响，再利用基于Matlab的小波分析进行滤波，有效降低噪音的干扰，提高信噪比使得二次谐波信号的测量下限显著降低、测量灵敏度明显提高。

1 测量原理

在较弱吸收的情况下，准直后的可调谐激光经过气体介质吸收后其透射光强与原始激光强度满足Beer-Lambert定律

(1)

其中，I0和It为无气体吸收时与穿过被测气体衰减后的激光强度，S为被测气体特征谱线的线强，P为气体总压力，Xi为被测气体的体积浓度，φν为线型函数，L为测量光程。

实际测量过程中NH3浓度非常低，且经过10 m左右的吸收光程后由探测器探测到的吸收信号十分微弱，很难与环境中的噪声信号区分开来。因此，实验采用能够很好的抑制噪声的波长调制技术对低浓度NH3进行在线检测，波长调制技术的详细推导过程参阅文献[5]。经准直器准直后的激光，穿过气体吸收介质，由探测器接收透射信号，之后输入到锁相放大器中进行调制解调产生二次谐波信号。在中心波长处即吸收线中心x=0时，气体浓度与从锁相放大器中得到的二次谐波信号峰值P2f之间的关系表示为

(2)

探测器接收到的激光透射光强，经锁相放大器调制解调后得到的二次谐波信号如图1所示[6]。

图1 经锁相放大器调制解调后得到的二次谐波信号

2 实验部分

实验中采用Nanoplus公司生产的NH3半导体激光器，将信号发生器(Tektronix AFG3102)产生的锯齿波加载到激光控制器上，通过调节激光控制器(LDC-3900)的温度和电流值来控制激光器的输出波长，探测器(InGaAsSb)探测到的原始信号输入锁相放大器(SR830)中经解调产生二次谐波信号，通过BNC接头输入到数据采集卡中，同时将锁相放大器产生的高频正弦信号加载到信号发生器上，用于产生调制信号。激光器输出的激光经过准直后，进入到光程为10.13 m的Herriott池中进行多次反射，然后由同一侧的探测器接收，实验系统的总体结构如图2所示。Herriott池长约17 cm，体积非常小、激光进出口在同一侧且经10 m光程后输出的光斑非常小，方便光路系统中激光的对准，非常适用于激光点光源[7]。通过控制两个气体质量流量计，配比了体积分数为0.6×10-6～10×10-6的NH3气体。由于NH3具有吸附性，实验过程中对吸收池进行长时间的吹扫，从而保证每次测量时NH3气体浓度的稳定性。

图2 低浓度NH3波长调制技术测量系统示意图

3 信号处理及结果分析

采用波长调制技术对低浓度NH3进行测量时，为了保证测量条件下二次谐波信号的峰值高度达到最大且信噪比最优，实验在调制系数为2.2左右的情况下，通过加载最优的高频调制信号保证信噪比[8]。本文对加载的高频调制信号从5～30 kHz进行了分析，通过分析不同高频调制信号下谐波信号的信噪比，确定实验中加载最优的高频调制信号。

图3为加载不同高频调制信号后，谐波信号的信噪比随高频调制信号的变化情况，可以看出： 二次谐波信号的信噪比呈现出先增加，之后趋于平稳的趋势，在高频信号为15 ～30 kHz时，其谐波信号的信噪比最优且保持28不变。为了测得较低浓度的谐波信号，实验需要在最优的信噪比的条件下进行，由于加载的高频调制信号在15 kHz时，谐波信号的信噪比已经达到最高值，所以实验中采用近红外波段2.25 μm(4 433.5 cm-1)附近的一组ν2+ν3NH3吸收谱线，通过信号发生器产生200 Hz的扫描频率与锁相放大器产生的15 kHz高频调制信号相叠加，来控制激光器的扫描范围和实现对信号的调制。

图3 二次谐波信噪比随高频调制信号的变化情况

对采集到的二次谐波信号进行数据处理，首先需要扣除测量得到的原始谐波信号中的背景信号，消除一些光学条纹和背景噪音的影响。由于较长时间的在线测量，致使在采集背景信号和谐波信号的时间内，激光器的中心波长发生移动，造成条纹和背景噪音不能够被很好的扣除。为了最大限度的扣除条纹和背景信号，数据处理过程中采用相关性分析，得到整个扫描范围内二次谐波信号与背景信号的相关性分析曲线，如图4所示。其中，c曲线中的最大值代表此时的二次谐波信号与背景信号的形状相似度最高，相关性曲线中最大值的横坐标对应着激光器中心波长移动的距离，通过补偿程序，将二次谐波信号与背景信号的测量点相对应，然后扣除原始二次谐波信号中的背景信号，得到修正后的二次谐波信号，从而提高测量结果的准确度。

图4 (a)原始二次谐波信号； (b)背景信号； (c)二次谐波信号与背景信号的互相关分析； (d)扣除背景信号后的二次谐信号

图5 NH3浓度为0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的原始二次谐波信号; (b) 经过50次平均之后的NH3浓度为0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的谐波信号; (c) 经过200次平均之后的NH3浓度为0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的谐波信号; (d)经小波变换分析降噪后的NH3浓度为0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的谐波信号

Fig.5 (a) The original harmonic signal of 0.6×10-6，4×10-6，10×10-6; (b) The harmonic signal of 0.6×10-6，4×10-6，10×10-6after 50 times average;(c) The harmonic signal of 0.6×10-6，4×10-6，10×10-6after 200 times average; (d) The harmonic signal of 0.6×10-6，4×10-6，10×10-6after wavelet analyzing

从图4(d)中可以看出，在NH3浓度较低的情况下，噪音会对谐波信号产生一定的影响，即使在扣除背景噪音后还是会有干扰。对扣除背景信号后的二次谐波信号主要采用基于傅里叶变换的小波分析和阈值降噪进行数据处理，经过阈值降噪分析后再对信号进行重建。小波分析滤波法是根据测量信号和噪声的小波系数在不同尺度上具有不同的性质，通过构造出相应的处理规则得到测量过程中真实信号的最优估计值，处理规则的本质在于最大限度的剔除由噪声产生的小波系数，同时保留测量过程中真实信号的小波系数，最后由经过处理之后的小波系数重新构建并最大限度的还原原始信号[9-11]。

图5为经过扣除背景信号、多次平均及小波变换处理前后的NH3浓度为0.6×10-6，4×10-6，10×10-6的谐波信号。在数据处理的过程中只采用50次平均来减小随机误差的影响，简单平均处理是指对指定点数的附近临近数据求平均，因此采用更高次数据的平均处理来降低测量误差的同时谐波信号吸收峰的高度和宽度也被平均掉了，如图5(c)所示； 从图5(d)可以看出降噪后的谐波信号附近仍有一定的抖动，是测量过程中不同流量的气流扰动导致背景信号与谐波信号中未吸收部分的幅值大小不一所造成的，实际测量环境中气流扰动的干扰不可避免。图5可以看出，扣除背景后的谐波信号经过多次平均以及小波滤波分析后，噪声显著降低，信噪比明显提高，相应的测量下限降低约100倍左右，如果在低压的条件下还可以检测到更低浓度的谐波信号。

4 结 论

针对在Herriott池中测量得到的低浓度NH3的二次谐波信号，本文主要介绍在最优信噪比的条件下，通过相关性分析和小波分析技术对低浓度下噪音影响严重的谐波信号进行降噪处理。从数据处理结果可以看出，相关性分析和小波变换处理技术不仅使谐波信号的信噪比有了很大的改善，也使吸收光谱的探测下限明显降低，更为重要的是不需要增加复杂的设备就可以很好地抑制噪音的影响。因此，将相关分析和小波分析与波长调制技术相结合，这种数据处理技术很适合实验或现场环境的在线测量，因而可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)在线监测系统具有很大的潜力。

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(Received Apr. 1, 2015; accepted Aug. 16, 2015)

*Corresponding author

The Experimental Research on Reducing the Minimum Measureable Limit of Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy with Wavelet Analysis

ZHANG Li-fang, WANG Fei*, YU Li-bin, YAN Jian-hua, CEN Ke-fa

State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

To obtain the weaker second harmonic signal of low concentration, reduce the minimum measurable limit and improve the sensitivity and accuracy of absorption measurement, a serious of data processing methods are proposed based on tunable diode laser wavelength modulation spectroscopy. The experiment on lower NH3concentration at 2.25 μm was carried out in a 10.13 m absorption cell with different concentration. The peak height of the second harmonic signal is maximum atm=2.2, which optimizes the signal-to-noise ratio. In order to guarantee the optimal signal-to-noise ratio, the experiment was carried out by loading the optimal high frequency modulation signal. WMS-2f was performed at a repetitive scan rate of 200 Hz and a current-modulation rate of 15 kHz, wavelength modulation spectroscopy with the optimal signal-to-noise ratio was adopted for its better noise immunity to measure different lower NH3concentration in the Herriott cell. This survey is focused on theν2+ν3bands of absorption spectra near 2.25 μm in near-infrared region at ambient temperature and pressure, the line strengths of 2.25 μm are much larger than the absorption lines in the telecommunication bands, using stronger NH3absorption lines can offer the potential of lower detection limits. During the data processing, the background signal of the original harmonic should be deducted at first, the second harmonic signal of 0.6×10-6was obtained in a 10 m long-path Herriott cell after data processing, these signal processing mainly consist of cross-correlation analysis, multiple averages and wavelet transform analysis, the cross-correlation analysis was used to control the shift of center wavelength, the multiple averages and wavelet transform analysis were used to reduce influences of the environment noise, after that we get the revised second harmonic signal and improve the accuracy of the measurement results. The experimental results show that these data processing methods can obviously improve the signal quality and reduce the minimum measurable limit about 100 times lower than before. The experiment doesn’t need to add any laboratory equipment and can well restrain the influence of the environmental noise and other disturbance, so these signal process combined with wavelength modulation technique will be more useful for on-line gas detection technology.

Wavelength modulation technology； Signal process； Wavelet transform analysis； Cross-correlation analysis

2015-04-01，

2015-08-16

国家自然科学基金项目(51276165)，高等学校博士学科点专项科研基金项目(20110101110019)资助

张立芳，1988年生，浙江大学能源清洁利用国家重点实验室博士研究生 e-mail: 21227023@zju.edu.cn *通讯联系人 e-mail: wangfei@zju.edu.cn

TN307

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10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1794-05