矿用激光甲烷遥测装置设计

激光甲烷传感技术在煤矿甲烷监测中的应用具备了现实意义，其中激光甲烷遥测技术已经成为激光甲烷检测技术的重要发展方向。本文在分析了激光甲烷检测技术，噪声抑制技术，面/体测量技术的基础上，设计了一套激光甲烷遥测装置，并对该装置进行了工作稳定性研究。

【关键词】激光 甲烷 遥测

近些年，随着半导体激光技术的成熟和发展，适用于甲烷等气体检测的中红外半导体激光器系列也逐步从科研领域走向实用领域。激光甲烷遥测技术是将激光甲烷检测技术应用于复杂的开阔空间环境下的甲烷检测，受到了国内外众多企业及研究机构的高度重视。

1 激光甲烷遥测技术

1.1 激光甲烷检测技术

TDLAS是目前激光甲烷检测中普遍采用的技术解决方案。对驱动电流的调制引起半导体激光器发射波长出现周期性的变化。发射波长的变化通过甲烷光谱吸收谱线作用于透射光强，透射光强的变化形式与驱动电流的调制形式及甲烷光谱吸收谱线的状态有关，其中甲烷光谱吸收谱线的状态主要由气体浓度及温度、压强等环境因素影响。在环境不变，驱动电流的调制形式不变的情况下，透射光强的变化形式与气体浓度构成唯一的映射关系 。

1.2 噪声抑制技术

TDLAS技术中也存在着大量的噪声影响着测量的准确性。噪声抑制技术是决定设计成败的关键环节。

首先，激光器的温度控制采用PWM控制锁定激光器的中心波长，实际情况是激光器的中心波长在很小的范围内围绕着设定波长来回波动，及引入了发射波长的调制形式的不确定性，从而影响了透射光强与气体浓度间的确定关系。

根据PWM控制的基本特性，在多个周期内，其正反向的超调幅度的总和趋于零，这样当测量周期远高于PWM控制的周期时，激光器的中心波长的波动造成的测量噪声将得到有效抑制。但是当甲烷浓度较低时，由于测量信号处于零线附近，PWM控制的中心波长的波动可能造成信号符号的反转，造成正反向信号的绝对值之和出现较大的波动。人为的调整驱动电流的调制形式，将低甲烷浓度对应的测量信号调整至远离零线的位置，可获得较好的噪声抑制效果。

其次，空间环境中的气体流动造成的折射率变化，目标物材料的变化，入射角的改变等因素都造成透射光强的剧烈变化，这是激光甲烷遥测技术相较于单点传感器的主要技术难点。遥测信号中还包含有大量随机背景噪声，有些情况下有用信号会淹没在背景噪声之中，而且这些随机背景噪声具有非平稳噪声特性，基于频谱变换的滤波器对此类噪声的滤波效果不能达到应用要求。而基于小波变换的滤波器，可以根据输入信号特征自适应调整滤波器的特性更适合于对非平稳噪声的滤除。

1.3 面/体测量技术

激光甲烷遥测技术问世之前，煤矿甲烷传感器只能进行单点的甲烷检测，激光甲烷遥测技术本身可以看作是一种线型的甲烷检测技术，相对于单点检测，对空间甲烷浓度有更全面的认识，而从线型检测延伸至面或体的检测需要多条线型检测的配合。采用光纤耦合输出的半导体激光光源，可将测量光信号分配到多条线型检测通道中，配合多通道同步采样及分析设备，是实现面/体甲烷检测的有效方式。

2 激光甲烷遥测装置设计

2.1 硬件架构

采用光纤耦合输出的DBF激光器作为装置的激光光源，相较于其他的激光光源，DFB激光器具有体积小，功率高，稳定性好等技术优势。

选用铟镓砷InGaAs光电探测器实现光电转换，该类探测器在光纤通信中得到了广泛的应用，具有无需制冷，响应速度快，灵敏度高等特点。由于选用的甲烷吸收峰谱线位于探测器响应的下降沿，光电转换效率受温度影响较大，适当调整探测器的材料，可以避免温度特性对测量结果产生重大偏差。

采用NI USB-6356多通道同步数采卡完成调制信号的生成及测量数据的采集。同步数采卡的使用保证了调制信号与数据采集的时序关系，也支持多通道的同步数据采集。

激光器的驱动控制选用LDC-3724B激光控制器。该型控制器可驱动半导体激光二极管，精确控制激光器驱动电流，即精确控制激光器输出光强及波长调制形式，可提供最大500mA驱动电流，0.02%的功率反馈精度。还可以驱动激光二极管半导体制冷器，精确控制激光器运行温度，即精确控制激光器输出光波长，可提供-100～199℃的控温范围，0.1℃的控温精度。并可外接调制信号，可向激光器输出加载的光强（波长）调制信息。

2.2 光路设计

如图1所示，光路系统分为参考通道与测量通道，DFB激光器输出光信号耦合至光纤中，连接1×2无源光纤分光器将光信号分别导入参考通道与测量通道。其中测量通道光信号通过光纤准直器投射进入空间区域，并在反射目标上反射，部分反射光返回接收透镜与汇聚透镜组成的望远系统，最后进入光电探测器转换为电信号输出给信号处理单元，如图2所示。

参考通道光信号通过光纤进入参考气室，最后进入光纤耦合的光电探测器转换为电信号输出给信号处理单元。

2.3 软件设计

软件分为两个主要功能模块，测量控制模块与信号处理模块。测量控制模块主要负责驱动调制信号的生成，控制调制信号与数据采集的时序。信号处理模块主要负责光强信号的滤波，光强信号与甲烷浓度之间的解算及其他补偿算法的实现。

3 工作稳定性研究

为了初步验证装置的应用性能，使用一段封闭的长管路（1m）代替现场的开放空间，持续通入一定浓度的甲烷气体，连续2小时。观察装置测量数值的实时变化，如图3、图4所示。

4 结论

激光甲烷遥测装置为实现对煤矿巷道开放空间甲烷浓度的实时检测提供了有效的技术手段，根据2小时测试数据可以看出，甲烷浓度测量精度为真值的±20%，在下一步的研究中，通过改进光路设计提高接收单元的信号强度将大幅增加测量精度指标，达到煤矿对在线甲烷浓度监测的应用需求。

参考文献

[1]张卓，张丽英.基于TDLAS的激光遥测技术[J].长春大学学报，2011（06）：9-12.

[2]张帅，刘文清等. 一种移动式遥测天然气泄漏检测仪[J].光谱学与光谱分析，2012（02）：570-573.

作者单位

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆市 400039