基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置及其鎖定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種頻率鎖定裝置及鎖定方法，尤其是一種基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置及其鎖定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，環(huán)境問題也日漸凸顯。人們?yōu)榱藢Νh(huán)境污染進行有效地監(jiān)測和預測，做出了不懈的努力，試圖通過激光光譜技術(shù)來探測大氣中物質(zhì)的成分及其含量，如中國發(fā)明專利說明書CN 100510673 C于2009年7月8日公告的一種天然氣管道泄漏激光遙感探測裝置及其探測方法。該專利說明書中記載的裝置包括連接光纖的激光器和探測器與控制處理器電連接，激光器輸出光譜為紅外，光纖另一端與置于散射光收集透鏡中心處的光纖折射率透鏡連接，探測器位于透鏡焦點處，控制處理器為嵌入式模塊與控制信號接口、采集信號變換接口和數(shù)據(jù)傳輸接口電連接；方法為設(shè)定中斷服務程序的時間片，以產(chǎn)生控制用正弦波、鋸齒波，來獲得數(shù)據(jù)采集的同步信號，采集一次、二次諧波信號，對轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)進行處理和將其送數(shù)據(jù)傳輸接口及接受上位機指令。裝置探測天然氣泄露時，受控制處理器調(diào)制的激光器輸出的光束頻譜位于天然氣甲烷分子的吸收峰位置，當激光束穿過有泄露氣團的散射光被探測器接收后，輸出的信號通過控制處理器的分析和計算，得出泄漏源的濃度信息和位置。這種裝置及其方法雖可對天然氣管道泄漏進行激光遙感探測，卻也存在著在實際的探測應用中，尤其是在長時間連續(xù)探測的過程中，激光器的輸出頻率極易受外界環(huán)境變化，如溫度、濕度、震動等的影響而造成頻率漂移的缺陷，特別是外界環(huán)境溫度的變化對激光器輸出頻率的影響尤為嚴重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)合理，輸出頻率穩(wěn)定的基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置。
[0004]本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題為提供一種上述基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置的鎖定方法。
[0005]為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為:基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置包括其輸入端與溫度電流控制部件電連接、輸出端與光纖連接的激光器，以及光纖的另一端連接有置于散射光收集透鏡中心處的準直光纖和散射光收集透鏡焦點處置有其輸出端電連接頻率穩(wěn)定部件輸入端的光電探測器，特別是，
[0006]所述頻率穩(wěn)定部件含有依次串接的鎖相放大器件、數(shù)據(jù)采集分析器件、模擬PID(比例積分微分)器件、運算放大器件和加法器件，以及其輸出端分接鎖相放大器件和加法器件的信號發(fā)生器件，用于調(diào)制激光器的輸出和由接收的含氣體吸收信息的散射光信號中解調(diào)并得出穩(wěn)頻所需的反饋控制信號，以將激光器的輸出頻率穩(wěn)定在特定的吸收峰上，其中，
[0007]所述鎖相放大器件由串接的前置放大器、乘法器和低通濾波器組成，用于從光電探測器輸出的散射光信號中解調(diào)出氣體吸收的二次諧波信號；
[0008]所述數(shù)據(jù)采集分析器件為帶有A/D和D/A變換的單片機，用于采集鎖相放大器件輸出的氣體吸收的二次諧波信號后，將其變換為數(shù)字信號，并計算出氣體的濃度和穩(wěn)頻所需的誤差?目號；
[0009]所述模擬PID器件由比例電路、積分電路和微分電路組成，其參數(shù)設(shè)置由湊試法確定，用于將誤差信號轉(zhuǎn)化為反饋控制信號；
[0010]所述信號發(fā)生器件為單片機的輸出端分接二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器、正弦數(shù)字信號發(fā)生器和三角波數(shù)字信號發(fā)生器的輸入端，正弦數(shù)字信號發(fā)生器和三角波數(shù)字信號發(fā)生器的輸出端均經(jīng)加法器后接加法器件，二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器的輸出端接鎖相放大器件中的乘法器，用于產(chǎn)生激光器的調(diào)制信號和鎖相放大器件的解調(diào)信號；
[0011]加法器件的輸出端與溫度電流控制部件的輸入端電連接。
[0012]作為基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置的進一步改進:
[0013]優(yōu)選地，溫度電流控制部件由溫度控制器和電流控制器組成，用于將來自頻率穩(wěn)定部件的穩(wěn)頻反饋控制信號施加于激光器上。
[0014]優(yōu)選地，激光器為分布反饋式半導體激光器，或量子級聯(lián)激光器。
[0015]優(yōu)選地，光電探測器為InGaAs光電探測器。
[0016]優(yōu)選地，作為數(shù)據(jù)采集分析器件的帶有A/D和D/A變換的單片機為TI公司的TMS320-F2812 DSP (數(shù)字信號處理)芯片。
[0017]優(yōu)選地，數(shù)據(jù)采集分析器件的輸出端連接有聲光報警器，用于對超過報警閾值的氣體濃度進行聲光報警。
[0018]為解決本發(fā)明的另一個技術(shù)問題，所采用的另一個技術(shù)方案為:上述基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置的鎖定方法包括對激光器發(fā)光的調(diào)制、接收光電探測器的信號和對其進行處理，特別是完成步驟如下:
[0019]對激光器的工作電流采用三角波疊加正弦波的調(diào)制方法；
[0020]由接收的散射光信號中解調(diào)出其上升沿與下降沿均含有氣體吸收的二次諧波信號;
[0021]將該上升沿和下降沿產(chǎn)生的兩個吸收峰之間的間距作為變量值；
[0022]將設(shè)定的頻率穩(wěn)定精度值與變量值之間的差值作為反饋控制所需的誤差信號，通過對激光器工作電流的控制，將激光器輸出頻率穩(wěn)定在所需的吸收峰上。
[0023]相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是:
[0024]其一，采用這樣的結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明使用三角波疊加正弦波掃描激光器，使得在波長調(diào)制的上升沿及下降沿均獲得了氣體吸收的二次諧波信號，從而為利用上升沿吸收峰與下降沿吸收峰之間間距的變化作為穩(wěn)定激光器輸出的誤差信號奠定了良好的基礎(chǔ)；不僅結(jié)構(gòu)合理，還有效地抑制了外界環(huán)境變化對激光器輸出頻率的影響。尤為頻率穩(wěn)定部件中的信號發(fā)生器件采用單片機控制數(shù)字信號發(fā)生器的方案，既使其輸出的頻率和相位可數(shù)字編程，又功耗低——3V電壓工作時，功耗僅20mW，還具有輸出頻率范圍廣——O?12.5MHz范圍可調(diào)的特點，更有著頻率切換時間短、相位連續(xù)、相位噪聲低等優(yōu)點。
[0025]其二，鎖定方法簡單、科學、高效。除可長時間、不間斷地連續(xù)將激光器輸出頻率穩(wěn)定在所需的吸收峰上之外，還可人為地確定頻率穩(wěn)定的精度。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明的穩(wěn)頻原理示意圖。
[0028]圖3是對現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明中的激光器輸出頻率的測量結(jié)果。圖中的曲線a為現(xiàn)有技術(shù)中的激光器輸出頻率的變化曲線，曲線b為本發(fā)明中的激光器輸出頻率的變化曲線；由其可知，本發(fā)明中的激光器長時間的波長漂移被有效地控制在了 ±0.16pm范圍內(nèi)。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進一步詳細的描述。
[0030]參見圖1，分布反饋式半導體激光器(或量子級聯(lián)激光器)I的輸入端與溫度電流控制部件5電連接、輸出端與光纖13連接；其中，溫度電流控制部件5由溫度控制器51和電流控制器52組成，用于將來自頻率穩(wěn)定部件16的穩(wěn)頻反饋控制信號施加于激光器I上。
[0031]光纖13的另一端連接有置于散射光收集透鏡3中心處的準直光纖2。
[0032]散射光收集透鏡3焦點處置有其輸出端電連接頻率穩(wěn)定部件16輸入端的光電探測器4 ;其中，光電探測器4為InGaAs光電探測器。
[0033]頻率穩(wěn)定部件16含有依次串接的鎖相放大器件9、數(shù)據(jù)采集分析器件10、模擬PID器件8、運算放大器件7和加法器件15，以及其輸出端分接鎖相放大器件9和加法器件15的信號發(fā)生器件6，用于調(diào)制激光器I的輸出和由接收的含氣體吸收信息的散射光信號中解調(diào)并得出穩(wěn)頻所需的反饋控制信號，以將激光器I的輸出頻率穩(wěn)定在特定的吸收峰上。其中，
[0034]鎖相放大器件9由串接的前置放大器91、乘法器92和低通濾波器93組成，用于從光電探測器4輸出的散射光信號中解調(diào)出氣體吸收的二次諧波信號；
[0035]數(shù)據(jù)采集分析器件10為帶有A/D和D/A變換的單片機，此單片機選用TI公司的TMS320-F2812 DSP芯片，用于采集鎖相放大器件9輸出的氣體吸收的二次諧波信號后，將其變換為數(shù)字信號，并計算出氣體的濃度和穩(wěn)頻所需的誤差信號；該TMS320-F281