新型连续波腔衰荡光谱_CW_CRDS_信号采集和控制系统

I 新型连续波腔衰荡光谱（ 号采集和控制系统 摘 要 腔衰荡光谱 (术作为一种新颖的吸收光谱检测技术，除了传统光谱技术所具有的实时、在线、原位分析能力外，还具有独特的优势：不受光源强度起伏影响，高灵敏度，可自定标，绝对定量测量能力。被广泛研究，并应用到气体浓度检测等领域。 本文提出一种新型连续波腔衰荡光谱（ 信号采集和控制系统，期望获得一种成本低、集成化的连续波腔衰荡光谱测量系统。整个测量系统主要包括控制实现腔的激发和关断模块，以及高速数据采集模块等，这些功能集成在一块以现场可编程逻辑阵列 (主芯片的电路板上，因而具有集成化的特点。对于一个腔衰荡光谱实验，能够成功实现腔的激发、关断和高速数据采集精度是影响测量结果的关键。在本系统中，采用 激光电流源 使 激光输出频率在一小范围内变化，当频率与腔模式谐振时达到腔激发的目的； 之后通过快速触发电路中断激光器输出完成激光快速关断。衰荡信号用光电探测器 高速放大调理后输入到具有高采样率、高分辨率的模拟 /数字转换器（ 实现数字化，再转移到 理并存储到 过软件分析计算得到衰荡时间。 本论文的主要内容包括： 1 在介绍腔衰荡光谱原理和相关知识的基础上， 讨论了连续波腔衰荡光谱技术的实现方案并阐述了连续波腔衰荡光谱系统的工作原理， 简单说明了光学系统中所使用的激光光源等装置的特点； 2 设计并实现了用于关断激光输出的快速触发电路，设计了高速 3 详细描述了在 括激光电流源调制波形的产生模块、 信号放大电路的增益控制模块、 数据缓冲 数据存储 4 开发了 最后对主要的硬件系统进行实物了测试。 过硬件测试，整个电子电路系统功能基本实现。触发电路成功判断电压阈值并输出脉冲信号，有效电平的持续时间能够满足要求； 4位的精度，可以完成信号的采集。另外，在测试过程中发现触发电路的触发速度还不够快， 数据采集系统采集的信号存在一定的毛刺现象，这些问题需要优化电路设计进行改进。其次，由于实验室条件所限，光学系统需要更多的时间搭建，所以本系统没有能够与光学系统进行联合调试，还需要开展进一步的工作。 关键词：连续波腔衰荡光谱 触发电路 速数据采集 as a of in of of of It to of In a of to a of on so in a on a a to In a to in a to to by to an to in to be to in to to by to of 1 on of of of in as 2 a to a of of 3 on in of AM SB 4 SB of by to a of a of 54be of is of in to be by In of of to to so a 录 1 引言 .究背景及意义 .内外研究历史和现状 .衰荡光谱技术 .论文的主要工作 . 本理论 .型系统和基本原理 .检测灵敏度 .续波腔衰荡光谱技术 .章小结 . 连续激光腔衰荡光谱系统 .统框图说明 .学设备简介 . 激光光源和驱动电流源 . 驱动电流源 . 光学腔 . 光电探测器 .子系统工作原理 .发电路设计 . 电压比较器电路设计 . 单稳态电路 .拟信号处理与放大电路 .速模数转换电路 .章小结 . 字系统设计 .介和芯片的选择 .发流程 .介 .I 简介 .功能描述 .子模块的逻辑实现 . 块 . 调制波形发生器模块 . 放大电路的增益控制器模块 . 数据缓冲模块 .储器模块 .口控制器设计 .章小结 . 软件开发 .件设计 .动开发 . 固件下载驱动 . 信驱动 .序设计 . 介 . 程序框图设计 . 前面板程序设计 .章小结 . 系统测试与总结 .件系统测试 . 触发电路测试 . 信号发生器测试 . 据采集测试 .结与展望 .考文献 . 录 .录一： 部三角波数据初始化文件 .录二：系统电路原理图 .录三： .录四：电路板实物图 .谢 .人简历 .表的学术论文 .11 引言 究背景及意义 随着科技的飞速发展和社会的不断进步，气体 浓度检测技术在工业安全生产，如微量有害气体检测；气候变化和环境监 测以及能源勘探，如天然气资源探测等领域扮演着越来越重要角色。 目前，气体浓度检测的方法有很多种，包括声学传感器、基于传统吸收光谱的传感器、 拉曼光谱传感器、质谱传感器、核磁共振传感器以及电学传感器等。现有的这 些传感器虽然对于气体的探测发挥了重要作用，但普遍存在灵敏度偏低以及操 作复杂等特点，因而应用在痕量气体浓度检测上有明显的局限性。 腔衰荡光谱 (下简称 术是一种通过测量光学腔内由样品散射和吸收引起的光损 耗而实现高灵敏度光谱检测的吸收光谱技术。它除了传统光谱技术所具有的分 析、检测能力外，还具有独特的优势：由于激光在光学腔内往返次数多，吸收光程长度很长，所以 够获得很高的灵敏度；另外， 直接测量参数不是激光通过待测物质后的光强绝对强度变化，而是光强指数衰减速率，因此， 光源强度起伏不敏感。 1988 年， O 脉冲激光器为光源，利用光腔衰荡光谱技术方法测量了氧分子的禁阻跃迁，所得到的灵敏度为 10， 为一种高灵敏度气相光谱检测方法正式登上历史舞台。 腔衰荡光谱技术经过近三十年的迅速发展，其应用范围越来越广，从最初的光 谱研究，微量化学元素检测，环境监测，发展到 等离子体诊断，元素和同位素 测量和光纤衰荡物理和化学传感器的开发等领域 。 研究过程中，激光光源也由脉冲激光器逐渐转向线宽较窄的连续波激光，即实现了连续波腔衰荡光谱（ 下简称术。而且对实验装置的操作性要求越来越高。随着基于 要成本低、集成度高、更加小型化的实验装置和平台。 本文在上述背景下提出了一种新型 制和数据采集系统，将传统 的腔激发和关断功能，衰荡信号的采集和存储功能，以及与计算机的通信功能集成在一块以现场可 编程逻辑阵列芯片（ 以下简称 主的电路板上，利用 时序控制、数据采集等方面的优势，以其作为控制端和数据接 收端，实现窄线宽连续激光耦合入光学腔中并引起腔的激发和关断，设计高速 数据采集系统对采集衰减信号进 2行采集，建立上位机软件，通过对数据的处理 获得衰荡时间。实现了一种操作简便，集成化程度较高的 制和信号采集系统。 内外研究历史和现状 1980 年， 人用腔衰荡光谱的方法首次测量了反射镜的反射率2。1997 年 人首次尝试了连续波腔衰荡光谱测量，检测灵敏度达到了10。 1999 年 用连续波腔衰荡光谱方法实现了超声分子束的腔衰荡吸收光谱测量4，标志着腔衰荡光谱技术已经成为一种成熟的吸收光谱测量方法， 此后 始作为高灵敏度吸收光谱技术被广泛应用。 2000 年 e 介绍了腔衰荡外差检测光谱技术， 测量灵敏度可达 10。 同年， ，不仅继承了常规 术的优点，而且减小了输入线宽较小带来的系统复杂性。在 术的应用方面，大气环境下应用最为广泛，而且已有商业化的产品投向市场，如美国 司的同位素碳分析仪和美国 司生产的商业化甲烷、二氧化碳分析仪。其中 气中甲烷本底浓度的监测7。T. C. J. D. 人分别于 2006、 2007 年开展了针对火星环境下甲烷探测的研究工作8,9。 2008 年，美国密西西比州立大学 士与美国能源部合作，运用 术研制成功甲烷、二氧化碳和 构体的腔激光衰荡光谱仪，成功实现对大气中的甲烷、二 氧化碳和碳的同位素比值进行连续实时监测10。 2011 年， S. A. 人利用 术完成了海 1。 国内 术起步较晚，但是也取得了很多研究成果。在 1997间，中科院大连化学物理研究所12、清华大学现代应用物理系单原子分子测控科学与技术中心13、中科院武汉物理与数学所14和安徽光机所15都以脉冲激光器为光源，用 法研究了高反镜的反射率或腔内物质的吸收光谱。 2003年，中科院光电技术研究所孙宏波16等人根据光腔衰荡原理开展了高反镜发射率测量技术的研究。 2004 年，山西大学17用连续波光腔衰荡光谱技术研究了相邻透射信号强度与相应时间间隔的关系，得到 了腔的精细度并且推算出了光腔的衰荡时间。 2007 年，中国科学院光电技术研究所18选用宽频半导体激光器作为光源实现连续波光腔衰荡技术，测量了高反镜的反射率。 2006 年，国防科技大学19对连续波腔衰荡光谱技术的原理进行了详细的推导 ，并研究了关断入射激光所用时间长短对获得衰荡曲线的影响。 2007 年又对连续波腔衰荡光谱技术中的模式失配对测量结果的影响进行了理论分析和实验研究20。 衰荡光谱技术 术是一种通过测量光学腔内由样品散射和吸收引起的光损耗而实现高灵敏度光谱检测的吸收光谱技术。该技术 通过测量激光信号在腔内的衰减率推算腔内气体对特定波长光的吸收系数。 简单实验装置如图 1示，激光器发出的激光脉冲通过模式匹配镜入 射到由两块高反射镜组成的腔体中，光束在腔中来回反射多次，吸收光程可达 数千米，乃至几十千米，从腔中输出的光信号在时间上将呈指数衰减， 衰减常数的倒数称为衰荡时间， 如图 1荡时间依赖于腔镜的反射率和腔内气体浓度 ，从衰荡时间可以推算出气体的浓度大小。这种光谱方法不是直接测量光强的 减少值，而是是光在腔中的衰荡时间，是一个强度比值，因而它对输入光功率 的波动不敏感，几乎不受激光光强波动的影响，避免了因为光强波动引起的吸 收率测量不可靠性，因而灵敏度大大提高， 现已达到 级1。 尤其适合微弱吸收和低浓度气体成分的检测。另外， 为一种直接吸收技术，由于它不依赖于分子的组成特性，因而普遍适用于任何分子和微粒；并且，它是测量 气体的装置，不需要额外的溶解液。 图 1易 统 图 1本原理 论文的主要工作 本设计的资助来源是中国 海洋大学专项基金项目 深海资源勘探技术：基于 高灵敏度甲烷水合物原位探测技术研究。所以本文的主要工作是基于腔衰荡光谱技术的原理，研制一种应用于 连续波腔衰荡光谱技术的控制和数据采集处理的新型系统。在以 主芯片的电路板上实现了用于腔激发和快速关断的波形产生和触发电路；用于采集 衰荡信号的高速数据采集和存储功能；用于计算机通信的 口；并使用 写了上位机软件。主要工作安排如下： 4第二章，给出了腔衰荡光谱技术的基本理 论并简要介绍了腔衰荡光谱技术中的一些特性参数；对影响检测灵敏度的相关 因素进行了简单讨论；并讨论了连续激光腔衰荡光谱技术中光波长扫描技术实现腔激发的方法。 第三章，给出了连续波激光腔衰荡光谱系 统框图，说明了整个系统的工作原理；简单说明了光学系统各个装置的作用和 功能特点；阐述了本设计要实现的功能和目的，详细介绍了设计中重要的电路 控制模块：触发电路、高速 第四章，说明了系统中 作用和设计方法；主要介绍了 字系统设计，包括时钟管理模块、信号发生器模 块、信号增益控制模块、数据缓存与存储模块以及 据通信控制模块的设计。 第五章，设计 件程序，给出 动方法，在 台上设计了上位机软件。 第六章，对系统电路设计进行了仿真，分 析并总结了系统的成功和不足，提出展望。 52 本理论 型系统和基本原理 典型的 统是由激光器、光学衰荡腔和光电探测器组成的1，如图2示。光衰荡腔通常是由两个高反射率镜片组成的稳定光学腔。激光经过模式匹配后注入到光腔内，激光的光强度在腔内 往返的过程中损耗，并呈现出指数形式的衰减，光腔内光强的衰减由出口反射镜后的光电探测器（ 者光电二极管）检测出，然后输入给数据采集设备 （与计算机连接的数字示波器或者安装有数据采集卡的计算机） 。最后对数据进行拟合分析，得出准确的衰荡时间。 图 2型 统 如果激光脉冲间隔比谐振腔中的衰荡时间 小，由于每次在反射镜间反射都有光强泄露，输出信号由一系列光强逐渐减小 的脉冲组成。衰荡时间通常是通过拟合观测到一个单一的指数函数的形。如下图 2示： 图 2模拟衰荡信号 对于一个最基础的衰荡腔，如图 2示。 6图 2腔衰荡光谱的基本形式 图中 d 为腔长， c 为真空中光速， R 为镜面反射率， 为 律提出的腔内介质吸收系数，激光通过样品的光程长度，对于一个充满样品的光腔 。 假设入射激光初始光强为0I ，在光腔中经单光程后出射的光强为 0（ 2 式中根据 律，对于均匀吸收介质而言，是单光程光强衰减因子。每多往返一次，光强衰减函数增加一个因子2 ，这里 R 是放射镜的光强反射率。经过 n 次往返后出射后，脉冲光强为21： )0220 （ 2 在多数情况下，由于探测器的电子响应时间有限或者腔长较短，如图 2的一系列的离散脉冲（黑色曲线）无法被探测到，而是得到一个光强的包络线（红色曲线） 。离散脉冲的峰值或者连续指数衰减的时间常数可以通过把离散变量 2 获得。 2 表示光脉冲在腔中的传播 此上式可化为： )( （ 2 定义光强衰减到初始光强的1e 时的时间为光强的衰减时间常数 (衰荡时间 )： )ln( （ 2 对于由两个高反射镜组成的衰荡腔来说（ R 1， )1(R ）主要的损 7耗来源于镜面反射率和腔内样品气体的吸收时， 指数衰减的时间常数可表示为： )1( （ 2 衰荡时间因此取决与放射镜的反射率，腔长和 腔内介质的吸收。不受激光脉冲的光强波动影响。 如果腔内没有吸收介质时 (空腔 )衰荡时间为： )1(0 （ 2 则通过测量样品充入前后腔的寿命来进行样品 吸收系数的绝对测量：以上两公式结合得到 )11(10 c（ 2 当样品的吸收远小于腔镜的损耗时， 012 其中， 0为样品充入前后腔寿命的相对变化。 对于充满样品的腔的吸收 0)1( 2 由上式可知，当镜面反射率已知， 术提供了一种对样品吸收率绝对测量方法。吸收体的绝对密度 n 由下式决定： （ 2 其中 是吸收介质在既定激光波长下的吸收横截 面。这种自校验的特征可以看做是相对于其他高灵敏度技术的一大优势，例如 8光诱导荧光）或者 振增强多光子）22。 检测灵敏度 术的高灵敏度很大程度上源于光脉冲在腔内样品中有非常多的往返次数，即有很长的光程长度，对于一个镜面反射率为 腔长长度为 1米的空腔，衰荡时间近似为 相当于在第一个时间常数内经过了 10了分析应用， 检测灵敏度通常由探测极限来表征，这个探测极限是由最小可探测到的吸收率所决定23。即： )1( 2 是0 （腔内无样品的衰荡时间）与 （腔内有样品的衰荡时间）的差值。上式表明在给定镜面反射率的 前提下，吸收率的测量取决于量。现有技术条件下，可达到4灵敏度，则系统的探测灵敏度108。 当用0 取代 并且用 （测量衰荡时间的一种标准误差）取代 ，那么公式中的吸收率表示的是基于 1 标准的最小可探测的吸收率。注意到多数情况下探测极限是基于 3 标准条件得到的，即， 0( （ 2 明显地，上公式证明提高镜面反射率和稳定的 基准衰荡时间（无样品时的衰荡时间）可以提高这里， 和0 若是大量独立测量衰荡值的平均值，则可以进一步提高另外，灵敏度也可以由另一个探测极限值表示，这个探测极限由单次衰减测量的不确定性决定，灵敏度通过求取 N 次衰荡事件的平均值获得提高24，如公式： )1(2 9如果探测时间限制在 1S，则 N 被数据采集频率 F 所取代。此时，单位是2/1。也被称作噪声等效最低检测吸收率。 通过公式（ 2（ 2以看出，探测灵敏度取决于衰荡系统的物