基于FPGA的TDLAS气体测量系统

康信文,唐 杰,张 彤

(1.东南大学仪器科学与工程学院,南京 210096;2.东南大学电子科学与工程学院,南京 210096;3.东南大学苏州研究院苏州金属纳米光电技术重点实验室,江苏 苏州 215123)

基于FPGA的TDLAS气体测量系统

康信文1,3,唐 杰1,3,张 彤1,2,3*

(1.东南大学仪器科学与工程学院,南京 210096;2.东南大学电子科学与工程学院,南京 210096;3.东南大学苏州研究院苏州金属纳米光电技术重点实验室,江苏 苏州 215123)

提出了基于FPGA的气体检测系统,实现了TDLAS气体测量系统小型化、数字化。利用FPGA并行计算、易于实现DDS信号发生和正交数字锁相等特点,可以满足TDLAS测量过程中的高频信号发生、谐波信号的提取等计算,从而采用正交数字锁相方法及拟合法实现气体的测量。将激光器、温度控制模块、电流驱动模块、信号发生器、光电探测器、带通滤波器、ADC采样集成在同一块印制电路板上,实现系统的小型化和集成化。最后,通过在空气中对氧气浓度进行长时监测,验证了本系统的稳定性。

气体测量;TDLAS;FPGA;正交数字锁相

可调谐半导体激光吸收光谱TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)作为一种新兴的高灵敏、高分辨率的光学气体参数测量技术,可实现对气体的的快速、非侵入原位测量,已逐步用于大气环境监测、工业现场气体参数检测、燃烧诊断等[1-3]。可调谐半导体激光吸收光谱通过对半导体激光器的工作温度以及注入电流的控制实现对输出激光的光强以及频率的调节[4-5]。当输出激光的频率扫描过待测气体的光谱吸收中心,通过对经过待测气体的透射光强进行定量分析可以确定被测气体的浓度和温度等信息[6-7]。

目前现有的TDLAS测量仪器主要采用以下两种方式来实现:①采用个人计算机作为数据处理核心,通过商用或自行设计的数据采集卡将测量信号转换成数字信号,通过数字锁相和拟合算法来反演气体参数[8-9];②采用嵌入式系统作为处理核心,由于嵌入式系统的运算能力等限制因素,故多采用结合模拟锁相放大器与峰值点比较法来测量气体参数[10-11]。这两种测量方法各有利弊,前者在数据处理能力上远远大于后者,但是系统庞大、不便于携带;后者便携、小型,但模拟锁相放大器则谐波信号提取易受温度漂移影响、峰值点计算过程中易受随机噪声影响。

本文提出一种基于FPGA嵌入式系统[12-13]的TDLAS气体测量系统,目的在于克服现有TDLAS气体测量系统的缺点,实现对气体参数的精确反演,同时实现仪器的小型化,便携式。

1 TDLAS气体测量原理

当一束单一频率υ的激光穿过某一均匀非散射的吸光气体介质时,激光入射光强I0(υ)将会被气体介质吸收而衰减,该衰减由Beer-Lambert定律进行定量描述,即

It(υ) =I0(υ)·exp[-PXLS(T)φ(v)]

=I0(υ)·exp[-α(υ)]

(1)

式中:It(υ)是经气体介质吸收后的透射光强;S(T)[cm-2atm-1]是待测气体吸收特征谱线的线强,它代表了所选谱线的吸收强度,是温度的函数;P[atm]是气体介质的总压力;L[cm]是有效光程长;X是气体介质中待测目标气体的摩尔分数浓度;φ(υ)[cm]是归一化线型函数,其表示待测气体吸收谱线的形状,与温度、压力和气体种类有关;α(υ)为光谱吸收率。

TDLAS可分为直接吸收法和波长调制法两种,其中波长调制法是通过在高频调制频率的谐波处提取待测气体参数信息,可有效抑制低频机械振动、电路中1/f噪声等,同时采用谐波归一化可消除非吸收性光强散射的影响,从而降低气体浓度等参数的检测下限,提高测量灵敏度[14]。

TDLAS波长调制法通过注入一低频扫描信号上叠加高频正弦信号的调制电流使可调谐半导体激光器的输出光频率与光强信号随之变化,经过气体吸收后会产生调制频率的高次谐波。高次谐波的幅值与气体的浓度、温度等有关,对透射光强信号中的谐波信号进行锁相提取从而实现对气体参数的反演。

2 系统框架及构成

如图1所示,TDLAS测量系统主要包括分布反馈式DFB(Distributed Feedback)激光器、温度控制模块、电流驱动模块、信号发生器、光电探测器、带通滤波器、ADC采样以及FPGA。其中DFB激光器是由半导体构成,作为高效的电子光子转换器件,其内部载流子吸收等损耗会产生热量,从而引起激光器温度升高。温度的漂移会导致激光器波长的漂移,输出功率下降,这些对于TDLAS光谱技术来说都会影响测量的精度。图1中温度控制模块用于设定DFB激光器的工作温度,同时它与DFB激光器内部的热敏电阻、热电制冷器构成闭环PID调节,从而实现温度的稳定。电流驱动模块用于将信号发生器产生的电压信号转换成DFB激光器的注入电流信号,实现对激光频率和光强的调制。光电探测器用于将透射光强转换成电压信号,经带通滤波器滤波放大后AD采样至FPGA中进行数据处理。

图1 系统框图

3 系统硬件结构及电路

3.1 DFB半导体激光器温度控制模块

本文中温度控制模块选用TECA1-XV-XV-D作为温度调节PID控制器,它具有高效稳定、电磁干扰低等特点。温度控制电路如图2所示,其中温度控制芯片的3引脚用于激光器工作温度设定,9引脚外接至主控芯片FPGA用于实现对温控的开关控制,12、13引脚分别连接DFB激光器中TEC正负极,11引脚与热敏电阻连接。

图2 温度控制电路

图3 电流驱动电路

3.2 DFB半导体激光器电流驱动模块

电流驱动模块采用低噪声恒流激光控制器ATLS500MA103,它具有超低噪声,大电流、高精度、高稳定性等特点。它内部带有温度补偿网络,可以在温度升高时保持输出电流的稳定,且集成了过热保护装置。电流驱动电路如图3中所示,其中U31的1引脚外接至FPGA进行控制电流驱动模块的工作状态,5引脚用于输入外部调制电压信号,9、10引脚分别连接DFB激光器中激光二极管的正负极用于驱动激光器发光。由于DFB激光器昂贵且易损,为防止输出的驱动电流过大,该电流驱动模块内部集成限流保护装置,电流限制设置由其第4引脚设定。限制电流计算方法如Imax=220ULILM(mA),ULILM为第4引脚上的输入电压,可由电位器R297进行调整。输出至DFB激光器的电流Ioutput=200ULIS(mA),其中ULIS表示 5引脚输入外部调制电压信号的大小。

3.3 DAC信号发生器

信号发生器采用DDS芯片AD9106作为主芯片。AD9106是四通道的低功耗、12 bit、180 MSPS数模转换器和波形发生器,其信号发生电路如图4所示。其中通道2用于产生低频扫描信号,如三角波、正弦波、锯齿波等;通道1用于产生所需的高频正弦调制信号;这两路信号先通过OP4177将差分信号转换成单端电压信号,再由OP4177运放电路进行加法运算,同时叠加一直流分量。FPGA通过SPI总线与AD9106进行通信,通过对AD9106写控制寄存器可以让它生成特定波形、频率、初相的信号,同时通过调节外部电位器可以调节信号幅值。该叠加后的电压信号用于电流驱动模块的输入,即ULIS。

图4 DAC信号发生器

3.4 光电探测器

光电探测器用于将光信号转换成电信号,主要由光电二极管、调理电路等构成。光电二极管和普通二极管一样,是由PN结构成的半导体器件,具有单向导电性。它的耗尽区在光照条件下,会产生光电流,经过跨阻放大器可转换成电压信号供后续电路采集处理。光电探测器的带宽和响应时间决定其应用场合。在波长调制光谱技术中,为获得较高的低频抑制效果,通常采用高频调制信号对激光二极管进行调制,由于气体的非线性吸收,会在透射光强中产生丰富的高频调制信号的高次谐波,故对于光电探测器的带宽提出较高的要求。对于光电探测器而言,其带宽fBW和响应时间tr由光电二极管的结电容Cj和负载电阻RF共同决定。

fBW=1/(2πRFCj)

(2)

图5 光电探测器前级跨阻放大电路

探测器电路前级跨阻放大电路如图5所示。

(3)

式中:GBP为运算放大器增益带宽积。

3.5 带通滤波电路

透射光强中调制频率的高次谐波是由气体吸收而引起的,信号较为微弱,在AD采样前对谐波信号分量进行放大,可以提高信噪比,利于后续处理。光电探测器输出电信号经BNC线缆传输至带通滤波器输入端,先由一电位器调节输入幅值,再通过电压跟随器缓冲隔离。如图6所示,其中电压跟随器后有两级多路反馈带通结构和一级反相放大电路。根据滤波器传递函数,经推导可知该电路传递函数为[16]

(4)

式中:取C1=C2,C3=C4。

图6 带通滤波电路

图7 AD采样电路

3.6 AD采样电路

AD采样模块采用AD8138将单端输入信号转换为差分输出至AD转换芯片AD7357,如图7所示。AD7357为差分输入、双通道14 bit SAR ADC,其数字接口为串行接口,每一个采样点至少需要16个时钟周期,其时钟信号由FPGA提供。

图8 数据处理流程图

4 数据处理

数据处理流程图如图8所示,首先分别对入射光强I0(υ)、透射光强It(υ)进行数字锁相,提取它们的各次谐波信号分量,通过矢量减法扣除透射光强信号中的背景信号,同时用一次谐波对高次谐波(通常取二次谐波)进行归一化得到实测扣背景归一化信号。预设气体浓度X,通过计算获取仿真的归一化二次谐波,计算仿真与实测方差误差是否小于设定值。若是,则可认为预设气体浓度X即为待测气体浓度;反之则对预设气体浓度值进行修改,在此迭代直至误差小于设定值。

FPGA中实现数字锁相功能提取透射光强谐波信号如图9所示,通过正交矢量锁定分别提取一次谐波、二次谐波,并用一次谐波对二次谐波进行归一化。得到归一化信号后,如图10所示,进行曲线拟合,即可获取气体浓度参数。

图9 FPGA中数字锁相功能实现

图10 曲线拟合示意图

采用Nanoplus公司的波长中心为760 nm的DFB激光器测量空气中氧气含量的值对本测量系统进行验证。其中,光程长为200 cm,测量时间为100 min,每隔10 min取一测量点,测量结果如图11所示,测量平均值为20.68%,方差为0.166 2,均方差为0.407 7。

图11 氧气100 min测量结果

5 结论

本文采用FPGA作为核心控制芯片,实现了便携式的TDLAS气体测量系统。利用FPGA并行计算、便捷地实现DDS信号发生、正交数字锁相提取谐波信号等特点,实现了系统中各功能单元及电路模块的集成化。实验中对空气中氧气浓度进行了长时测量,结果表明,氧气浓度测量平均值为20.68%,方差为0.166 2,均方差为0.407 7,具有较高的测量精度和良好的稳定性,验证了该TDLAS气体测量系统的功能。本文的研究工作对未来实现更高性能的集成化、小型化TDLAS气体测量系统具有重要的意义。

[1] Sun K,Chao X,Sur R,et al. Analysis of Calibration-Free Wavelength-Scanned Wavelength Modulation Spectroscopy for Practical Gas Sensing Using Tunable Diode Lasers[J]. Measurement Science and Technology,2013,24(12):5203.

[2] Hanson R K. Applications of Quantitative Laser Sensors to Kinetics,Propulsion and Practical Energy Systems[J]. Proceedings of the Combustion Institute,2011,3(1):1-40.

[3] Rieker G B,Jeffries J B,Hanson R K,et al. Diode Laser-Based Detection of Combustor Instabilities with Application to a Scramjet Engine[J]. Proceedings of the Combustion Institute,2009,32(1):831-838.

[4] Klein A,Witzel O,Ebert V. Rapid,Time-Division Multiplexed,Direct Absorption- and Wavelength Modulation-Spectroscopy[J]. Sensors,2014,14(11):21497-21513.

[5] Sun K,Chao X,Sur R,et al. Wavelength Modulation Diode Laser Absorption Spectroscopy for High-Pressure Gas Sensing[J]. Applied Physics B,2013,110(4):497-508.

[6] 许振宇. 瞬态燃烧过程红外激光光谱温度场测量与重构方法研究[D]. 北京:中国科学院大学,2012.

[7] 李宁. 基于可调谐激光吸收光谱技术的气体在线检测及二维分布重建研究[D]. 杭州:浙江大学机械与能源工程学院,2008.

[8] 庞涛,夏滑,吴边,等. TDLAS氧气检测系统设计及背景噪声在线消除[J]. 光电子·激光,2015(3):575-580.

[9] 张帅,刘文清,张玉钧,等. 数字滤波方法在TDLAS气体检测中的应用[J]. 光学学报,2010(5):1362-1367.

[10] 曹天书. TDLAS气体检测中二次谐波的锁相放大器的研究[D]. 长春:吉林大学,2013.

[11] 王晓洋. 基于TDLAS的激光遥测甲烷浓度技术的研究[D]. 天津:天津大学,2012.

[12] 刘瑞兰,林若愚. 基于FPGA的线阵CCD光强自动采集系统设计[J]. 传感技术学报,2017,30(1):152-156.

[13] 杨文杰,张志杰,王代华,等. 压力传感器动态误差修正方法的FPGA实现[J]. 传感技术学报,2017,30(3):402-406.

[14] 高普占. 微弱信号检测[M]. 北京:清华大学出版社,2004:1-53.

[15] (美)赛尔吉欧·佛朗哥. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M]. 第3版. 刘树棠,朱茂林,荣玫,等译. 西安:西安交通大学出版社,2004:47-81.

[16] (美)Arthur B Williams. 模拟滤波器与电路设计手册[M]. 路秋生,译. 北京:电子工业出版社,2016.

TDLASGasMeasurementSystemBasedonFPGA

KANGXinwen1,3,TANGJie1,3,ZHANGTong1,2,3*

(1.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;2.School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;3.Suzhou Key Laboratory of Metal Nano-Optoelectronic Technology,Suzhou Research Institute of Southeast University,Suzhou Jiangsu 215123,China)

A gas detection system based on FPGA is proposed,which realizes the miniaturization and digitalization of TDLAS gas measurement system. FPGA have good performance on parallel computing,easy to realize DDS and quadrature digital phase-locked which can be used to calculate the high frequency signal and the extraction of harmonic signal in the process of TDLAS measurement. The laser,the temperature control module,the current drive module,the signal generator,the photoelectric detector,the band-pass filter and the ADC sampling are integrated on the same printed circuit board to realize the miniaturization and integration of the system. Finally,the stability of the system is verified by monitoring the oxygen concentration in the air for a long time.

aerometry;TDALS;FPGA;quadrature digital phase-locked

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.001

2017-05-09修改日期2017-07-19

TP212.2

A

1004-1699(2017)12-1781-06

康信文(1990-),男,硕士研究生,东南大学仪器科学与工程学院,主要研究方向为可调谐半导体激光吸收光谱学,kangxinwen_2013@163.com;

张彤(1967-),男,教授,博士生导师,东南大学电子科学与工程学院,主要研究方向为红外气体吸收光谱及传感、纳米光学,集成光学、表面等离激元学和微波光子学,tzhang@seu.edu.cn。