實施例中，利用在固定振幅下對激光輸出進行相位調(diào)制或者對相位和振幅進行調(diào)制的同 時組合來獲得平滑二次諧波信號調(diào)制。用W控制適當(dāng)突發(fā)信號生成的相位調(diào)制相比于純振 幅調(diào)制而言具有優(yōu)點，即與固定相位下的純振幅調(diào)制相比存在改善的信噪比（因為為了具 有相同的相對噪聲效果，噪聲將必須與激光輸出相位相關(guān)，情況不可能是該樣）。輸入信號 的相位調(diào)制很適用，因為解調(diào)是相位敏感的。特別地，已解調(diào)信號的振幅取決于調(diào)制信號與 用來對信號進行解調(diào)的參考信號之間的相位角。
[0082] 在某些實施例中，選擇輸入信號調(diào)制W生成相對于一個或多個任何吸收特征的反 相突發(fā)信號。該有利地意味著突發(fā)將不會被誤認(rèn)為是一個或多個吸收特征。
[0083] 二次諧波檢測的相位相關(guān)性從用來從存在的其他頻率導(dǎo)出二次諧波信號的鎖定 檢測技術(shù)而導(dǎo)出。在W下等式中示出典型相關(guān)性。隨時間t的已解調(diào)輸出信號Vba)與相 位角4的余弦成比例，如等式3所示。通過改變參考相位角，可減小、增加已處理信號的振 幅或使其反相。
[0084]
[3]
[0085] 在圖6中示出了由電子檢測系統(tǒng)140的二次諧波檢測電子裝置產(chǎn)生的結(jié)果得到的 已解調(diào)信號?？蒞根據(jù)前述實施例用振幅調(diào)制或相位調(diào)制二次諧波突發(fā)來獲得此類已解調(diào) 信號。二次諧波突發(fā)產(chǎn)生用于入射光修正的平滑化脈沖參考信號600。在圖6的示例性實 施例中，示出了從約10ms至20ms的平滑化脈沖參考信號600。此特征很明顯并未顯示出振 鈴性質(zhì)。在圖6中出于參考的目的還示出了由被測對象產(chǎn)生的二次諧波吸收線信號610。 如從圖4顯而易見的，參考信號600并未與吸收線信號610重疊。
[0086] 可朗尋參考信號600用于由于例如激光輸出功率的變化和/或環(huán)境光水平的變化 而引起的入射在檢測器130上的光強的變化的入射光修正?？蛇x擇二次諧波突發(fā)的相位W 產(chǎn)生負(fù)脈沖或正脈沖，取決于什么最適合于從二次諧波吸收線信號610推導(dǎo)出被測對象的 量分?jǐn)?shù)的下游信號處理算法。圖6示出了負(fù)極性的脈沖。
[0087] 參考信號600的量值與入射光的量Iu(v)成正比，并且二次諧波吸收線形狀610的 量值與入射光的量和被測對象的量成正比。因此，可W使用等式4的關(guān)系針對入射光波動 修正二次諧波吸收線形狀610的量值。
[008引
[4]
[0089] 其中，Awtp(v)是激光頻率V下的已修正二次諧波吸收信號的振幅，Am。。,(V)是測 量的二次諧波吸收信號的振幅，I〇(v)是從由二次諧波突發(fā)信號產(chǎn)生的參考信號600推導(dǎo)出 的入射光的量，并且I〇,uf(V)是對應(yīng)于未遮蔽光學(xué)路徑的入射光的參考量，即百分之一百的 透射因數(shù)。
[0090] 由于二次諧波突發(fā)信號是激光束的唯一特征，所W其明顯不同于由環(huán)境光引起的 檢測器信號。其還很容易與光檢測器的所謂'暗電流'信號區(qū)別開，該'暗電流'信號產(chǎn)生 了技術(shù)人員已知的暗電流偏移。該意味著不同于用于處理該些誤差來源的現(xiàn)有技術(shù)方法， 不需要出于此目的而臨時地關(guān)掉二極管激光器，因此避免激光源上的歐姆加熱擾動。該導(dǎo) 致改善的測量準(zhǔn)確度，特別是當(dāng)正在使用TDL時。
[0091] 可使用許多數(shù)學(xué)方法來獲得由二次諧波突發(fā)信號引起的參考信號600的量值且 從而推導(dǎo)出環(huán)境光和遮蔽對入射光的量Ie(v)的影響。然而，優(yōu)選的是選擇一種提供針對 噪聲和基線變化W及特別是針對由被測對象或背景化學(xué)種類進行的殘余選擇吸收的最佳 免疫性的方法。為此，雖然某些實施例可使用使用參考信號600的峰值高度（或谷值）的 簡單方法，但該并不總是最佳選擇。
[0092] 優(yōu)選方法設(shè)及到對參考信號600求積分W從標(biāo)稱基線獲得封閉區(qū)，其具有過濾較 高頻噪聲的效果。還可在解調(diào)濾波器之后存在一次或二次諧波激光調(diào)制信號的殘余饋通， 因為實際上一個人不能完全地或在沒有嚴(yán)重相位延遲損失的情況下實現(xiàn)理想的"磚墻"濾 波器W拒絕調(diào)制信號。
[0093] 通過積分邊界的謹(jǐn)慎選擇，因此在其上面求積分的區(qū)域是調(diào)制信號周期的整數(shù) 倍，積分還充當(dāng)數(shù)字信號處理內(nèi)的梳狀濾波器。該有利地大大地抑制了任何調(diào)制饋通。
[0094] 可W通過使用多點修正來減去在參考信號600附近的基線斜坡來拒絕低頻噪聲 和基線變化。兩點修正正常地是適當(dāng)?shù)?，因為脈沖寬度上的激光頻率掃描范圍足夠小，使得 可使用線性近似。如圖7中所示，可將剛好在參考信號600外面的兩個點ti和12用于基線 斜坡修正，其在時間ti和12發(fā)生。
[0095] 在某些情況下可用等式5中所示的線性形式來近似基線斜坡函數(shù)r(t)。
[0096] r(t) =mt+b [5]
[0097] 其中，分別地由等式6和等式7來給出斜率m和系數(shù)b。
[009引
[0099]
[0100] 由等式8給出參考信號600的最后積分，其中，ti和t2是積分邊界，S(t)是時間 t的參考信號600,r(t)是來自等式5的基線斜坡函數(shù)，并且V是在該處發(fā)生二次諧波突發(fā) 的光學(xué)頻率。
[0101]
[8]
[0102] 在其中二次諧波突發(fā)是對稱函數(shù)的實施例中，可W將參考信號600內(nèi)的兩個點用 于基線斜坡修正，其中，兩個時間tm-化和tm+化與參考信號中點時間tm的任一側(cè)相等地間 隔開化，同樣如圖7中所示。在此特定情況下，分別地由等式9和等式10給出斜率m和系 數(shù)b。如果吸收光譜高度擁擠的話，該種方法是特別有利的，其中，找到剛好在參考突發(fā)信號 外面的中性點W定義基線斜坡可能變得困難。
[0103]
[0105] 二次諧波突發(fā)可位于激光頻率掃描內(nèi)的任何位置，但是優(yōu)選地并不太接近于被測 對象吸收線。更優(yōu)選地，二次諧波突發(fā)在沒有干擾背景化學(xué)種類的任何強選擇性吸收的光 譜的中性部分中。由于二次諧波突發(fā)與激光頻率掃描的持續(xù)時間相比具有短持續(xù)時間，所 W可高精確度對其進行定位，該在在諸如圖4中所示的擁擠光譜中測量時是特別有用 的。
[0106] 圖8是示出了使用上述實施例的二次諧波突發(fā)方法的入射光修正的測量結(jié)果的 對數(shù)圖。左手垂直軸指示使用等式8從參考信號600的積分推導(dǎo)出的入射光的量，并且水 平軸指示入射光的實際量I〇(v)。實線圓圈是通過參考信號的積分生成的數(shù)據(jù)點，并且實線 是通過那些數(shù)據(jù)點的趨勢線。如從圖8顯而易見的，在延續(xù)多個數(shù)量級的兩個量之間存在 直接一致性，說明本文所述的實施例準(zhǔn)確地確定入射光水平的能力。
[0107] 在右側(cè)垂直軸上指示了二次諧波吸收線振幅Am。。,(V)，并且用十字形所表示的數(shù) 據(jù)點示出。從圖8顯而易見的是如等式3所指示的此量與入射光的實際量I"(v)之間的直 接關(guān)系適用。
[0108] 在圖9中針對大范圍的光學(xué)透射因數(shù)示出了由本文所述的實施例使用由二次諧 波波長調(diào)制光譜法進行的大氣分子氧的檢測實現(xiàn)的入射光修正的說明。使用測試設(shè)備中的 測量光束路徑中的各組中性密度濾波器對該些進行模擬。針對低到0.25%的光學(xué)透射因數(shù) 來充分地修正分子氧的量分?jǐn)?shù)，說明實施例跨大范圍的遮蔽條件準(zhǔn)確地確定被測對象濃度 的能力。另外，圖9顯示本文所述實施例能夠解決激光輸出功率的變化，其將有效地表示氣 體混合物的光學(xué)透射因數(shù)的短期變化。
[0109] 為了實現(xiàn)如圖8和9中的結(jié)果所示的入射光修正的寬動態(tài)范圍，必須防止光電二 極管或可使用的其他光敏元件的動態(tài)飽和。該動態(tài)飽和指的是激光調(diào)制頻率及其諧波下的 檢測器響應(yīng)，其不同于本領(lǐng)域的技術(shù)人員正常地熟悉的由入射光（或連續(xù)波）的平均量引 起的飽和。用一般地在光電二極管前面用來改善其視場的衍射限制光學(xué)件，可W用小于一 毫瓦的激光束功率來達到動態(tài)飽和極限。接近動態(tài)飽和極限的最顯著效果是其改變來自被 測對象吸收線的二次諧波信號的相位響應(yīng)，其改變由針對固定相位關(guān)系正常地配置的解調(diào) 系統(tǒng)所檢測的表觀線振幅。因此，等式4的關(guān)系由于由動態(tài)飽和效應(yīng)引起的非線性響應(yīng)而 變得無效。
[0110] 降低光電二極管上的照度水平的光學(xué)技術(shù)是本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的。然而，本 發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)確定該些技術(shù)對防止光電二極管的動態(tài)飽和可能是有效且切合實際的， 并且其可包括在光電二極管的前面提供擴散元件，或者如果在光電二極管的前面使用一個 的話，則使光電二極管從集光透鏡的焦平面偏移。然而，使用擴散元件提供用于入射光水平 的最大動態(tài)范圍，并且不減小光電檢測器系統(tǒng)的視場。用圖10中的圖來示出可用來實現(xiàn) 本發(fā)明的具有擴散體1000的光電檢測器系統(tǒng)的示例。如從圖10可W看到的，光學(xué)擴散體 1000基本上位于光電二極管1005和激光二極管前面?？蛇x地，可在二極管激光器與擴散體 1000之間的光束路徑中提供透鏡1010W使光聚焦到擴散體1000上。
[0111] 在W上示例中，已示出了用W修正施加于單個化學(xué)種類的單個吸收線的激光強度 波動效應(yīng)的實施例。然而，本文所述實施例可W同樣很好地應(yīng)用于相同化學(xué)種類的多個線 和/或在單次或多次掃描內(nèi)發(fā)生的多個化學(xué)種類的單個或多個線。
[0112] 在替換實施例中，用單獨設(shè)備來調(diào)制二極管激光器W便生成二次諧波突發(fā)信號。 此單獨設(shè)備可W是電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、液晶光學(xué)調(diào)制器、基于微機電系統(tǒng)（MEM巧的 可變光學(xué)衰減器、基于干設(shè)測量的可變光學(xué)衰減器或被同步到解調(diào)檢測器的任何其他適當(dāng) 裝置。該可W是技術(shù)的優(yōu)選變體，如果調(diào)制頻率對于偏流調(diào)制而言過高的話或者如果不能 容忍相應(yīng)RAM的話。
[0113] 在另一替換實施例中，由單獨光源W與所使用的二極管激光器（與吸收激光器同 步）基本上不同的波長來生成二次諧波突發(fā)信號，使得來自背景種類吸收的干擾被大大地 減少。該單獨光源可W是另一二極管激光器或發(fā)光二極管（LED)，其具有可W被用于波長調(diào) 制光譜法的同一或單獨檢測器（例如光電二極管）檢測的發(fā)射波長。單獨L邸源由于其與 二極管激光器相比缺少相干性而具有不經(jīng)受光學(xué)邊緣干擾的優(yōu)點。該單獨光源和在某些實 施例中的單獨檢測器與吸收二極管激光器和檢測器基本上共同定位W便保持等效光學(xué)路 徑。
[0114] 然而，用于被用于吸收測量的突發(fā)信號和波長調(diào)制信號的同一信號處理鏈的使用 由于其他原因而是有利的。首先，可高效地利用單個信號處理鏈（電子裝置和軟件），并 且其次，發(fā)生的任何信號處理錯誤對于波長調(diào)制信號和施加的突發(fā)信號兩者而言是共模錯 誤。該些是其中對與波長調(diào)制（其被用于被測對象檢測和測量）相同的可調(diào)諧二極管激光 器輸入控制信號施加突發(fā)信號調(diào)制（其被用于糾錯）的實施例的優(yōu)點。
[0115] 根據(jù)本發(fā)明的各種解決方案因此能夠補償強度波動和信號處理儀表問題W獲得 改善的光譜測量準(zhǔn)確度。
[0116] 鑒于W上討論，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將顯而易見的是本文所述的實施例提 供許多優(yōu)點。一個此類優(yōu)點是克服了由可調(diào)諧二極管激光器光譜系統(tǒng)所固有的非線性擾動 引起的限制，諸如歐姆加熱擾動和信號處理不穩(wěn)定性。另一優(yōu)點是可W解決用于在波長調(diào) 制光譜法中修正瞬時或準(zhǔn)瞬時入射光波動的殘余背景吸收干擾或光學(xué)邊緣干擾，導(dǎo)致一個 或多個被測對象的改善的量化。另外，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將顯而易見的是雖然已 特別地參考二次諧波波長調(diào)制光譜法舉例說明了該種方法，但其可W同樣地應(yīng)用于其他吸 收光譜技術(shù)，諸如頻率調(diào)制光譜（FM巧或直接吸收光譜值A(chǔ)巧。其還可W應(yīng)用于除氣體之外 的介質(zhì)（例如液體或固體）中的測量或介質(zhì)的混合物（例如，氣體中的固體和/或液體種 類）。
[0117] 可W通過改變窗函數(shù)的輸入?yún)?shù)而在激光吸收光譜系統(tǒng)的校準(zhǔn)中使用本發(fā)明，所 述窗函數(shù)控制信