基于TDLAS甲烷遥测的数字锁相电路设计*

2019-12-20王志斌

传感器与微系统 2019年1期

张亮, 李晓, 王志斌, 张瑞

(1.中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原 030051；2.中北大学电气与控制工程学院，山西太原 030051)

0 引言

传统的甲烷气体检测一般采用热催化测量法、热导型测量法、红外光谱吸收测量法[1]。热催化测量法需要甲烷气体接触传感器表面且会产生一定的热量,不利于在天然气运输管道附近的甲烷测量。热导型测量法利用纯甲烷或高浓度甲烷的热导率与空气的热导率相差较大，在测量中需要有较高的甲烷浓度，而天然气传输管道处甲烷浓度较低,所以热导型测量法难以达到要求[2～4]。红外光谱吸收测量法主要采用锁相放大器对经过甲烷气体的带有调制信号的红外光进行谐波分量的提取[5]，从而实现天然气管道附近微量甲烷的检测要求。

本文提出了一种采用红外光谱吸收测量法的甲烷测量系统硬件电路设计方法。将激光器驱动电路、控制电路、温控电路以及探测器驱动电路合理优化从而达到硬件电路小型化，通过调节正交锁相放大参数使系统能够达到较高测量精度。

1 工作原理

1.1 光谱吸收原理

Beer-Lambert定理是可调谐激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)的理论基础。当一束光强为I0且波长一定的红外激光穿过特定气体的吸收池时，其光强会随着介质的吸收而有所衰减[6]。衰减规律为

I=I0e-PS(T)φ(v)XL

(1)

式中I0为入射激光光强,I为通过气体吸收后的透射光强度,S(T)为气体吸收特征谱线的线强度,φ(v)为线型函数,P为压强,L为样品吸收程长,X为吸收介质气体体积浓度。

本设计的分布反馈式激光器(distributed feedback laser，DFB)输出激光波长在一定范围内连续可调，且具有单色性好、亮度高、方向性和相干性强、输出线宽窄等优点。可用于微量气体以及分辨率要求较高的气体测量场所。

1.2 谐波检测

TDLAS技术一般采用特定频率的窄带激光进行连续扫描从而得到目标气体的吸收谱线，再利用DFB激光器波长随电流改变的特性，实现对气体的单条或多条距离较近且难以分辨的吸收线精确测量目的。当在激光器的直流驱动信号上调制适当频率和幅度的正弦信号时，激光器输出具有调制信号的激光，当通过调制的激光通过气体吸收池时气体对调制激光产生吸收作用，即本文实现甲烷检测的主要理论依据[7～9]。

1.3 数字锁相原理

锁相放大器是一种能够对交变信号进行相敏检波的放大器，用来检测淹没在噪音中的微弱信号。通过用与被测信号具有相同频率和相位的参考信号作为基准信号，其输出结果只对与参考信号具有相同频率(或倍频)、相同相位关系的信号有响应。因此，能够抑制无用噪声，改善检测信噪比[10，11]。

本文采用四通道相关解调算法，4个通道的信号分别为一倍频正弦序列、一倍频余弦序列、二倍频正弦序列、二倍频余弦序列。一倍频正弦序列的参考序列设为rs1(k)，输入信号的频率设为f0,模/数(analog to digital conversion,A/D)转换的采样频率设为fS=N×f(N≥3)，对输入信号S(t)采样后获得的数字序列为

S(K)=Asin(2πk/N+θ)

(2)

式中A为模拟信号的幅值,θ为初始相位。则rs1(k)和S(K)对整个周期采样的互相关函数Rsrs1为

(3)

设一倍频余弦序列的参考序列为rc1(k)，则rc1(k)和S(K)对整个周期采样的互相关函数Rsrc1为

(4)

同理，二倍频正弦序列的参考信号为rs2(k)，二倍频余弦序列的参考信号为rc2(k)，则可得rs2(k)与rc2(k)分别和S(K)对整个周期采样的互相关函数为Rsrs2和Rsrc2分别为

(5)

(6)

2 实验装置

搭建的用于TDLAS型甲烷遥测的实验装置如图1所示。甲烷遥测系统主要包括3个部分，即光学部分、电学部分和计算处理部分。光学部分是由位于激光器前端和光探测器处的两个透镜以及位于探测器前端的滤光片组成；电学部分由近红外光探测器、FPGA核心控制部分、激光器驱动部分、TEC温控电路组成；计算处理部分由模数转换器和FPGA内部NIOS软核组成。

图1 甲烷遥测系统原理

测量过程首先由DFB激光器向目标区域发射一束经过调制的激光，激光通过被测气体后经过反射聚焦于光探测器处。光探测器将接收的光强信号经过A/D转换进入FPGA内部计算处理。同时采用与调制信号同频率的标准一次谐波量和二次谐波量作为参考信号即可提取所测信号中一次谐波和二次谐波，再将计算所得的一倍频和二倍频数据送入FPGA内NIOS软核中进行浓度数据的反演即可得到此时光路区域甲烷浓度进而可以得出天然气浓度信息。

3 数字锁相放大器电路设计

图2所示为数字锁相放大器的原理。在参考时钟的驱动下，相位累加器对频率控制字进行线性累加，相位累加器输出的数据即为合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是数字频率合成器(direct digital synthesizer，DDS)输出的频率信号。用相位累加器输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址，将所要产生信号的幅值离散为不同的数字量放入ROM中，再将对应的相位幅值线性累加，最终产生所需要的一定频率的数字信号。DDS1cq为调制激光器驱动电流所需要的正弦信号，DDS1 sin 1x,DDS1 sin 2x,DDS1 cos 1x,DDS1 cos 2x分别为一倍频和二倍频的正弦、余弦标准参考信号。

图2 数字锁相放大器原理

在FPGA内采用DDS技术，使用同一频率控制字控制激光器驱动信号和数字锁相放大器参考信号的产生，使驱动信号和参考信号频率一致。FPGA在参考时钟驱动下，通过分频产生数模(D/A)转换器的采样时钟，能够使检测信号和参考信号的相位相对稳定。将采集到的一次谐波分量和二次谐波分量存入FPGA内暂存，再与参考信号一起传输到乘累加器中进行积分运算，并将处理所得一倍频数据和二倍频数据送入FPGA内NIOS软核中进行计算处理。

4 系统硬件电路设计

针对以往甲烷遥测系统中硬件电路庞大的缺点，本设计对系统中硬件电路进行优化设计。将电源电路与FPGA控制电路、温度控制电路、激光器驱动电路进行分离设计。避免不同模块之间噪声的互相干扰。将FPGA核心控制电路与激光器驱动电路以及激光器TEC温控电路集成在一块PCB板上。在以往的设计中电源系统是噪声的主要来源，因此,本文将电源作为一个单独的PCB板与核心电路进行隔离设计。

4.1 电源管理电路

系统采用直流(direct current,DC)12 V电源供电，考虑到系统中存在微弱信号,因此在电源处应尽量减少电源噪声对信号的影响，通过测试在本文采用TI公司的大功率DC-DC转换芯片作为系统电源转换芯片。针对系统中存在微弱信号的特点对系统中特定部分采用单独供电。电源系统可以分为FPGA核心控制模块、温控模块、D/A转换模块、激光器驱动模块、温控模块、探测器模块。考虑到D/A转换部分和探测器需要共地以减少电源信号干扰，因此D/A转换模块与探测器模块使用同一路电源供电并在电源处进行滤波处理。在本设计中使用吸收式滤波和反射式滤波两种滤波器结合的方式对电源进行滤波。具体滤波方法是先使用反射式滤波器将电源噪声反射回电源端，在通过放置于电源端的吸收电容器以及串联在电路中的磁珠将噪声吸收。

4.2 温控电路设计

系统要求激光器能够长时间稳定工作在固定的波长范围内。本文采用的DFB是温度敏感器件，激光器工作波长随温度变化而变化，需要针对激光器进行精密温控器设计。在本设计中采用TEC半导体制冷技术对激光器进行精密温度控制。对于甲烷遥测系统中要求DFB能够长时间稳定工作在固定波长处，且要求环境温度对温控电路影响最小，这就要求温度控制电路具有良好的动态性能。本设计采用MAX1968温控芯片与比例积分(proportional integral,PI)电路相结合的方式进行温度的控制，如图3所示为温控电路原理，在实验中为确定PI调节参数考虑到激光器内使用热敏电阻器进行测温,因此,采用滑动变阻器作为替代品进行模拟温度变化调节从而确定PI调节参数。经过试验验证温控电路能够对激光器温度进行有效控制，本电路设计完全符合要求。

图3 激光器温控电路原理

4.3 激光器驱动电路

DFB为电流型负载需要有电流源进行驱动。本设计中采用MAX3669激光器驱动芯片作为电流源对FPGA产生的正弦信号进行调制输出。输出电流调节范围可以达到0～1 A。在激光器连接中使用一端接5 VDC另一端接MAX3669输出的调制信号的接线方式。在实验中发现激光器对于电压冲击非常敏感，通过分析知道产生冲击电压的原因是系统上电初始阶段因为主控制器及驱动电路的初始化需要时间导致激光器5 VDC接线端直接加载在激光器上而另一端处于不确定状态，在设计时针对激光器供电端进行上电延时设计通过在激光器供电端串联RC延时电路如图4所示为激光器驱动电路原理。

图4 激光器驱动电路原理

4.4 信号采集模块

激光器发出的通过调制的特定波长激光经过天然气中甲烷气体吸收到达反射物后,在返回光路中再次通过待测气体,再经过透镜进行聚焦到达传感器，可以保障光束能够在探测器处聚焦以提高探测器的灵敏度。在探测器接收到激光信号后将光信号转换为电信号经过滤波器滤波处理后通过A/D转换后进入FPGA内进行锁相放大计算，通过锁相放大计算产生的一倍频及二倍频数据,再在NIOS中进行甲烷浓度的计算。

5 实验验证与结果分析

实验中将激光器工作温度设定为20 ℃，电流设定在500 mA，中心波长为1 650.910 nm。为使激光器能够有效探测到甲烷气体,使用频率为5 kHz的正弦波对激光器进行调制，接收端选用InGaAs近红外探测器。

在测试过程中,为了保护激光器，使用具有相同特性的二极管作为替代品进行电测试。如图5为未加保护电路与加入延时保护电路以后二极管两端电压波形，通过对比可以发现加入延时保护电路以后能够有效减少对激光器的冲击，达到保护激光器的目的。

图5 添加保护电路前后上电波形

在实验室条件下进行通过调节反射物距离进行调节测试，实验中发现将距离调节达到40～45 m范围内激光散射度已经很大,通过示波器观测接收信号具有大量的噪声，而在35～40 m范围内通过调节位于探测器前端的透镜可以在示波器中观察到比较明显的接收波形，通过用标准气体为5 %的甲烷气体在35～40 m范围内进行测试再通过计算可以得出甲烷浓度较标准气体浓度偏差在0.01 %～0.06 %范围波动，随着距离较少甲烷浓度测量浓度逐步升高。

通过改变环境变量(温度、湿度)根据实验室所在地外界环境条件模拟了在冬季极限温度零下10 ℃，夏季最高温度40 ℃范围内随机温度调节，并进行连续5天，每天测试10组数据共50组数据进行激光器输出波长分析，可以观察到激光器波长没有发生明显的偏移达到实验设想要求。对InGaAs近红外探测器接收到的调制信号，图6为使用示波器进行观察分析后得出激光器波长没有发生明显偏移。表明温控电路及激光器驱动电路稳定运行满足系统要求。

图6 激光波长随环境变化

为验证甲烷吸收的灵敏度,实验使用美国NI公司标准数字锁相放大器进行检测测量，使用白板作为反射板，采用挤压装有天然气气体的透明气球进行灵敏度检测。实验中，将白板与激光器距离逐渐调远，分别在10，20,30,40,50 m 处通过不同程度挤压气球来进行检测，图7为在 40 m处采用示波器接收到激光波形。