基于TDLAS烟道气在线检测系统的降噪技术

　　随着我国经济的高速发展,大气污染造成的环境问题日益突出,烟道气是大气污染成分的重要来源之一,实现对烟道气的实时在线检测对于控制大气污染,改善环境具有重要意义。

　　可调谐半导体激光光谱(TDLAS)技术是近年来发展起来的一种新型的气体检测方法,它具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应快速、不需添加试剂、运行成本低和标定间隔长等突出优点。然而对于一些需要进行在线、实时监测的环境,如口径确定的烟道,无法通过增加光程长度来提高系统检测灵敏度。因此,如何降低噪声、提高信噪比,成为TD-LAS二次谐波检测技术中必须研究的课题。本文阐述波长调制光谱(WMS)中二次谐波检测技术的系统噪声来源及分类,并针对烟道气在线检测系统的实际应用环境分别提出加入温度反馈、双光路扣除背景及粉尘干扰等降低各种噪声的技术办法。

　　1　TDLAS烟道气在线检测系统原理

　　1.1　可调谐激光光谱法检测原理

　　TDLAS烟道气在线检测系统的基本原理是依据朗伯-比尔定律。

　　光辐射强度;α(λ)为波长为λ处物质的吸收系数;c为目标成分浓度;L为光程长。

　　TDLAS烟道气在线检测系统的激光源为可调谐激光二极管,可调谐是指激光管的发射波长和功率受到输入电流和温控模块的控制。TDLAS技术就是通过控制二极管激光器的温度或者输入电流,进行输出激光波长的微调,使激光管的发射波长在包含目标气体特征吸收峰的波长范围内扫描,在一个扫描周期内能够获得包含被测气体信息的单线吸收谱线和不包含被测气体信息的背景谱线,从而对气体进行定性和定量分析。系统信号流程如图1所示。

　　在TDLAS气体检测系统中,激光二极管受驱动器调谐发射出一束波长周期性变化的激光,光束通过被测气体后携带有目标气体的吸收信号。锁相放大器采用激光高频调制信号的2倍频对检测到的信号进行解调,得到被测气体的吸收谱曲线。由伯-比尔定律可知,在光程长一定的前提下,吸收谱曲线上目标成分吸收峰的高度与目标成分的浓度成正比,推导过程如下。可调谐激光管的发射频率与输入电流成正比。在中心频率Vc处,以ωm对激光的频率进行调制,激光的瞬时频率为:

　　1.2　TDALAS应用于烟道气在线检测的技术问题

　　在烟道气在线检测的实际应用环境中,检测精度受许多因素影响,主要包括气体温度对检测结果的影响和烟道气中粉尘和水蒸汽带来的背景干扰。下面分别阐述实际应用中修正温度影响、扣除检测背景信号及降低其他干扰的技术方案。