霍跃华1， 范伟强2， 孙雁宇2
(1.中国矿业大学(北京) 现代教育中心， 北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院， 北京 100083)
摘要：介绍了基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯遥测关键技术——可调谐半导体激光技术、信号降噪技术、痕量气体检测技术的应用现状，指出了瓦斯遥测关键技术中存在可调谐半导体激光器性能不稳定、瓦斯遥测距离短、信号降噪效果较差、痕量气体检测误差大等问题，提出了研发高性能可调谐半导体激光器、研究非线性和非稳定性信号降噪算法、设计适用于井下的数字锁相放大器是瓦斯遥测关键技术的发展方向。
关键词：瓦斯遥测； 激光瓦斯检测； 可调谐半导体激光吸收光谱； 信号降噪； 痕量气体检测
Abstract：Application status of key technologies of gas telemetry based on tunable diode laser absorption spectroscopy were introduced including tunable diode laser technology, signal noise reduction technology and trace gas detection technology. Some problems of the key technologies of gas telemetry were pointed out, such as unstable performance of tunable diode laser, short distance of gas telemetry, poor signal noise reduction effect and big error of trace gas detection. Development directions of the key technologies of gas telemetry were proposed, which were developing tunable diode laser with high performance, studying nonlinear and unstable signal noise reduction algorithm, and designing digital lock-in amplifier for underground.
Keywords:gas telemetry; laser gas detection; tunable diode laser absorption spectroscopy; signal noise reduction; trace gas detection
瓦斯爆炸是制约中国煤矿安全生产的最主要原因之一，因此瓦斯气体监测十分重要。目前在中国煤矿使用的瓦斯检测技术主要有传统的光干涉技术和热催化技术，但受矿井环境影响较大、可靠性差[1]。此外，固定式瓦斯检测仪只能进行定点监测，无法安装到采空区、工作面上隅角等瓦斯气体易聚集区域。便携式瓦斯检测仪使用相对灵活，但同样难以对人员无法到达区域进行瓦斯浓度检测。
瓦斯遥测广泛采用可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术，具有灵敏度高、非接触、可靠性高等特征[2]，能够在矿井恶劣环境中测量井下危险区域瓦斯浓度[3]。基于TDLAS的瓦斯遥测通过可调谐半导体激光技术，使可调谐半导体激光器发出调谐激光信号。当信号通过含有瓦斯气体的开放空间时，对不同气体进行选择性吸收[4]。光电探测器将包含被测瓦斯浓度信息的激光信号转换为相应的电信号[5]，并通过信号降噪技术进行降噪和放大处理。采用以锁相放大器为核心的痕量气体检测技术提取出含有瓦斯浓度信息的各次谐波信号，经信号处理反演出瓦斯浓度。
本文介绍了基于TDLAS的瓦斯遥测关键技术——可调谐半导体激光技术、信号降噪技术和痕量气体检测技术的应用现状，分析了这些关键技术存在的问题，指出了瓦斯遥测关键技术的发展方向。
可调谐半导体激光技术通过激光驱动器控制激光器的温度和电流，从而实现激光器的输出波长可调谐。激光驱动器主要采用温度调制和电流调制的方式来改变驱动电流，进而改变驱动功率，使得激光器的输出波长在近红外到中红外波段内变化，分辨率从千赫兹到兆赫兹变化。
目前关于可调谐半导体激光技术的研究主要集中在提高激光驱动功率和激光器输出波长的稳定性方面。潘兴臣等[6]设计了一款基于相位调制的单次曝光波前测量的高功率激光驱动器。朱铁柱等[7]设计了一款应用于无源光网络的突发模式激光驱动器及其双环功率控制电路。刘毅[8]研究了半导体激光器中激光线宽的压窄技术及激光锁频技术的基本原理。秦薪镇等[9]通过对连续种子光源的光强调制，以及光纤放大器和固体介质放大器相结合的混合放大方式，实现了32 W百兆赫兹高重频的可调谐单频激光光源。中国科学院半导体研究所研制的新型分布式反馈(Distributed Feedback，DFB)半导体激光器的电流、温度控制精度分别达到10 μA和0.004 ℃，波长调谐范围为3.5 nm，输出光功率为7.4 mW，边模抑制比为52.7 dB，线宽约为220 kHz[10]。
目前使用的激光器主要有DFB半导体激光器、分布布拉格反射(Distributed Bragg Reflex，DBR)激光器、外腔半导体激光器(External Cavity Diode Laser，ECDL)、量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)、铅盐半导体激光器(Lead Salt Diode Laser，LSDL)[5]。其中，激光器输出光强相对较高的有DFB半导体激光器、QCL、VCSEL、LSDL。但LSDL需要在较低温度下运行且结构较复杂；QCL输出波长主要集中在中红外波段，该波段不在光纤传输的低损耗区，不能满足实际应用需要。VCSEL和DFB半导体激光器作为近年兴起的新产品，由于输入阈值电流小、最大输出电流小且功率不高，在实际应用中取得了较好的检测效果[11]，并能够满足矿井仪器本质安全要求。但VCSEL存在波长覆盖范围较窄、可供选择的范围有限、发射的激光线宽较大等缺陷，不能满足井下远距离遥测的需求；DFB半导体激光器发出的激光束为椭圆光束且发散角大，必须通过耦合装置将激光束汇聚[12]，且当调制电流增大时器件温度升高，导致激光器输出波长幅值下降、量子效率降低、中心频率漂移等，不能满足煤矿复杂环境的要求。
在瓦斯遥测中，光学器件和非线性电子元器件的大量使用，使测量信号引入了较多的标准具噪声和随机噪声。由于含噪信号大都具有非线性和非稳定性特性[13]，对痕量信号的提取产生较大影响。
陈逸成等[14]建立了基于Kalman滤波和Wiener过程的系统性能退化模型，在此基础上采用Kalman滤波和最大期望算法实现了模型参数的估计和更新。Tong Xin等[15]采用Kalman滤波和平方根滤波的数据同化方法，将高维、非线性动力学模型与观测数据组合，并通过建立Lyapunov函数参数，使信号降噪效果显著提高。王书涛等[16]提出了基于SVM(Support Vector Machine，支持向量机)滤波器的吸收式甲烷检测的信号去噪方法，使用该方法滤波能使信噪比达到130 dB以上。路伟涛等[17]提出了基于非抽取小波包变换的滤波改进算法，克服了小波变换算法误判停止分解或多重分解算法复杂、计算量大等缺点，解决了小波阈值不易确定的问题。李长吾等[18]提出了采用小波变换的Mallet分解算法，将待降噪信号分解为不同频带信息，并根据设定的检测频带，将处于该频带的信息分离出来，同时将其他频带信息全部置零，该算法在SO2测量信号降噪中获得了较好效果。崔海滨等[19]提出了一种基于Gabor变换对二次谐波信号进行数字滤波降噪的方法，有效提高了谐波信号的检测精度和稳定性。蒋善超等[20]采用经验模态分解对希尔伯特-黄变换进行改进，同时结合谐波检测原理作为降噪处理的核心算法。
上述信号降噪技术研究取得了一定成果，但基于Kalman滤波的信号降噪技术采用最小均方误差方法来计算最优化滤波系数，并通过自适应算法消除标准具噪声和随机噪声，导致数据计算量和存储量非常大，不能满足瓦斯遥测数据在线实时处理的需要；基于小波变换的信号降噪技术在小波基及分解尺度的选取上存在人为主观性；基于经验模态分解的信号降噪技术需要通过多次迭代计算获得基本模态函数，导致控制处理器运算速度慢。同时，上述信号降噪技术均是针对线性、非稳定性或非线性、稳定性的信号进行处理[21]，对于矿井瓦斯遥测中非线性、非稳定性的含噪信号无法取得很好的降噪效果。
痕量气体检测技术主要通过锁相放大器来检测含有被测气体信息的各次谐波信号。随着光电检测技术的发展，锁相放大器已逐渐从模拟锁相放大器、模数混合锁相放大器向数字锁相放大器方向发展。数字锁相放大器能够有效克服痕量气体检测中存在的温度漂移、通带宽度较窄、采样信号失真等问题[12]，目前在痕量气体检测技术中应用较广泛。
戴婳等[22]采用FPGA和A/D转换器件，设计了用于瓦斯检测的数字锁相放大器硬件电路，克服了传统锁相放大器中手动移相和直流漂移的缺点。余明等[23]采用多级放大电路与T型反馈电阻网络设计了一种放大倍率可编程的痕量信号提取采样电路。刘慧芳等[24]设计了一种数字正交锁相放大器，并改进了谐波提取算法，测得的二次谐波与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度呈线性关系。蔡满军等[25]对待测痕量信号进行信号调理、低噪声放大和带通滤波，并与严格正交的2路参考信号相乘，设计了基于正交锁相放大器的痕量信号检测系统。
当前在痕量气体检测中采用的数字锁相放大器主要有美国斯坦福公司研制的SR844、德国FEMTO公司研制的LIA-MV-150、南京大学研发的HB系列双相锁定放大器等。这些锁相放大器检测灵敏度及精度高，但存在体积较大、成本高、对环境条件要求较高等缺点。在煤矿井下恶劣环境中，采用上述数字锁相放大器对瓦斯痕量气体检测时，锁相放大器的抗干扰能力、痕量信号检测的可靠性等受到影响，导致锁相放大器输出的谐波信号幅值误差较大及瓦斯检测上下限范围减小。
针对可调谐半导体激光技术在井下瓦斯遥测应用中存在的激光输出波长不稳定、遥测距离短等问题，未来应进一步研究性能稳定的新型可调谐半导体激光器。通过分析可调谐半导体激光驱动器中温度、电流调谐之间的关系，提高半导体激光器驱动电源工作的稳定性；结合可调谐半导体激光器的电流驱动、散热技术，设计输出功率大、稳定性高的可调谐半导体激光器；研究半导体激光器的工作结温及结温诱导的热应力，提高半导体激光器的使用寿命，减小发射的激光线宽，满足远距离瓦斯遥测需求。
基于Kalman滤波、小波变换和经验模态分解的信号降噪技术不能实现对井下瓦斯遥测中非线性、非稳定性含噪信号的实时、有效处理。因此，应结合井下实际环境，分析信号噪声来源和类型，采用多种滤波算法相结合的信号降噪技术；研究满足瓦斯遥测中非线性、非稳定性含噪信号降噪需求的降噪算法。
针对基于锁相放大器提取谐波信号的痕量气体检测技术存在受煤矿环境影响大的问题，未来应从硬件上研制体积小、成本低、结构简单、抗干扰能力强的数字锁相放大器；结合软件技术发展，采用A/D转换器将模拟痕量信号转换到数字域中，通过软件数字锁相方法检测痕量信号。
瓦斯遥测对保障煤矿井下安全生产和人员生命安全具有重大意义。目前，国内外对基于TDLAS的瓦斯遥测关键技术的研究逐步成熟，采用瓦斯遥测关键技术的产品已部分投入使用。但在井下实际环境中应用时，存在可调谐半导体激光器性能不稳定、瓦斯遥测距离短、信号降噪效果较差、痕量气体检测误差大等问题，导致瓦斯浓度测量数据与实际数据存在一定偏差。因此，研发高性能可调谐半导体激光器、研究非线性和非稳定性含噪信号的降噪算法、设计适用于井下的数字锁相放大器将是瓦斯遥测关键技术的进一步研究重点。
参考文献(References)：
[1] 孙继平,钱晓红.煤矿重特大事故应急救援技术及装备[J].煤炭科学技术,2017,45(1):112-116.
SUN Jiping,QIAN Xiaohong.Emergency rescue technology and equipment of mine extraordinary accidents[J].Coal Science and Technology,2017,45(1):112-116.
[2] 孙继平.煤矿信息化自动化新技术与发展[J].煤炭科学技术,2016,44(1):19-23.
SUN Jiping.New technology and development of mine informatization and automation[J].Coal Science and Technology,2016,44(1):19-23.
[3] 曾盼,倪屹,高攀,等.基于可调谐半导体激光吸收光谱的甲烷传感系统[J].激光与光电子学进展,2015,52(12):256-262.
ZENG Pan,NI Yi,GAO Pan,et al.A methane gas sensor system based on tunable diode laser absorption spectroscopy[J].Laser & Optoelectronics Progress,2015,52(12):256-262.
[4] 南学芳,张宇,郁敏,等.激光气体遥测仪整机测试系统自动化测试软件设计[J].光学仪器,2016,38(3):209-215.
NAN Xuefang,ZHANG Yu,YU Min,et al.The design of automatic testing software for laser gas remote sensing instrument testing system[J].Optical Instruments,2016,38(3):209-215.
[5] 张春晓.基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的O2和CO气体测量[D].杭州:浙江大学,2010.
[6] 潘兴臣,陶华,刘诚,等.基于相位调制的单次曝光波前测量在高功率激光驱动器中的应用[J].中国激光,2016,43(1):161-169.
PAN Xingchen,TAO Hua,LIU Cheng,et al.Applications of iterative algorithm based on phase modulation in high power laser facilities[J].Chinese Journal of Lasers,2016,43(1):161-169.
[7] 朱铁柱,莫太山,叶甜春.双环功率控制的突发模式激光驱动器[J].红外与激光工程,2017,46(2):93-99.
ZHU Tiezhu,MO Taishan,YE Tianchun.Burst-mode laser diode driver with dual-loop power control[J].Infrared and Laser Engineering,2017,46(2):93-99.
[8] 刘毅.高稳频窄线宽激光光源关键技术研究[D].天津:南开大学,2014.
[9] 秦薪镇,叶志斌,项震,等.32 W百兆赫兹高重频可调谐单频激光光源[J].强激光与粒子束,2013,25(11):2807-2810.
QIN Xinzhen,YE Zhibin,XIANG Zhen,et al.32 W 100 MHz high repetition rate lasers with narrow bandwidth and tunable wavelength[J].High Power Laser and Particle Beams,2013,25(11):2807-2810.
[10] 王琪,郭锦锦,陈伟,等.功率稳定且波长可调谐的窄线宽分布式反馈半导体激光器[J].中国激光,2017,44(1):1-7.
WANG Qi,GUO Jinjin,CHEN Wei,et al.Widely tunable distributed feedback semiconductor lasers with constant power and narrow linewidth[J].Chinese Journal of Lasers,2017,44(1):1-7.
[11] 郝旭,徐景德,李晖.基于TDLAS的天然气输送管道微量泄漏检测技术综述[J].华北科技学院学报,2016,13(4):60-64.
HAO Xu,XU Jingde,LI Hui.Summary of trace leakage detection technology for natural gas transmission pipeline based on TDLAS[J].Journal of North China Institute of Science and Technology,2016,13(4):60-64.
[12] MARCELLIS A D,FERRI G, D'AMICO A,et al.A fully-analog lock-in amplifier with automatic phase alignment for accurate measurements of ppb gas concentrations[J].IEEE Sensor Journal,2012,12(5):1377-1383.
[13] 沈毅,沈志远.一种非线性非平稳自适应信号处理方法——希尔伯特-黄变换综述:发展与应用[J].自动化技术与应用,2010,29(5):1-5.
SHEN Yi,SHEN Zhiyuan.A review of the nonlinear nonstationary adaptive signal processing method-Hilbert-Huang transform:its development and applications[J].Techniques of Automation and Applications,2010,29(5):1-5.
[14] 陈逸成,何华锋,邓会选,等.基于Kalman滤波和Wiener过程的系统性能退化数据建模方法[J].电光与控制,2015,22(7):107-110.
CHEN Yicheng,HE Huafeng,DENG Huixuan,et al.A system degradation modeling method based on Kalman filter and Wiener process[J].Electronics Optics & Control,2015,22(7):107-110.
[15] TONG Xin,MAJDA A J,KELLY D.Nonlinear stability and ergodicity of ensemble based Kalman filters[J].Nonlinearity,2015,29(2):131-140.
[16] 王书涛,曾秋菊,宋浩兵,等.基于SVM滤波器的吸收式甲烷检测的信号去噪方法[J].中国激光,2014,41(9):265-269.
WANG Shutao,ZENG Qiuju,SONG Haobing,et al.Signal denoising method based on the SVM filter absorption methane detection[J].Chinese Journal of Lasers,2014,41(9):265-269.
[17] 路伟涛,张书仙,杨文革,等.基于非抽取小波包变换的信号滤波算法[J].中国空间科学技术,2014,34(3):46-52.
LU Weitao,ZHANG Shuxian,YANG Wenge,et al.A novel de-noising algorithm based on un-decimated wavelet packet transform[J].Chinese Space Science and Technology,2014,34(3):46-52.
[18] 李长吾,王玉田.基于小波变换的二氧化硫污染气体检测[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2008,24(4):704-707.
LI Changwu,WANG Yutian.Research on the detecting of the sulfur dioxide polluted gas based on wavelet transform[J].Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science),2008,24(4):704-707.
[19] 崔海滨,杨柯,张龙,等.基于Gabor变换的TDLAS检测信号的降噪研究[J].光谱学与光谱分析,2016,36(9):2997-3002.
CUI Haibin,YANG Ke,ZHANG Long,et al.Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) detection signal denoising based on Gabor transform[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2016,36(9):2997-3002.
[20] 蒋善超,曹玉强,隋青美,等.基于改进希尔伯特-黄变换的超窄带激光器气体检测消噪研究[J].光学学报,2014,34(1):69-74.
JIANG Shanchao,CAO Yuqiang,SUI Qingmei,et al.Study on improved Hilbert-Huang transform-based ultra-narrow-bandwidth laser gas detection noise elimination[J].Acta Optica Sinica,2014,34(1):69-74.
[21] 孙曙光,庞毅,王景芹,等.一种基于新型小波阈值去噪预处理的EEMD谐波检测方法[J].电力系统保护与控制,2016,44(2):42-48.
SUN Shuguang,PANG Yi,WANG Jingqin,et al.EEMD harmonic detection method based on the new wavelet threshold denoising pretreatment[J].Power System Protection and Control,2016,44(2):42-48.
[22] 戴婳,周孟然,姚夕林,等.数字正交锁相放大器在光纤瓦斯检测系统中的应用[J].煤矿机械,2014,35(4):237-239.
DAI Hua,ZHOU Mengran,YAO Xilin,et al.Application of digital quadrature lock-in amplifier in optical fiber gas detection system[J].Coal Mine Machinery,2014,35(4):237-239.
[23] 余明,陈锋,李抄,等.微弱光强信号采样电路设计[J].光学仪器,2014,36(3):253-257.
YU Ming,CHEN Feng,LI Chao,et al.The design of sampling circuit for faint optical signal[J].Optical Instruments,2014,36(3):253-257.
[24] 刘慧芳,李彬,何启欣,等.数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用[J].光子学报,2016,45(4):18-23.
LIU Huifang,LI Bin,HE Qixin,et al.Development of a digital orthogonal lock-in amplifier and its application in methane detection[J].Acta Photonica Sinica,2016,45(4):18-23.
[25] 蔡满军,于彬,赵晓东.基于正交锁相放大器的微弱应变信号检测系统[J].仪表技术与传感器,2017(4):67-72.
CAI Manjun,YU Bin,ZHAO Xiaodong.Weak strain signal detection system based on quadrature lock-in amplifier[J].Instrument Technique and Sensor,2017(4):67-72.
HUO Yuehua1, FAN Weiqiang2, SUN Yanyu2
(1.Center of Modern Education Technology, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China; 2.School of Mechanical Electronic and Information Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)
中图分类号：TD712
文献标志码：A 网络出版时间：2017-09-27 13:59
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170927.1359.005.html
文章编号：1671-251X(2017)10-0029-05
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.10.005
收稿日期：2017-03-20；
修回日期：2017-08-24；责任编辑盛男。
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0801800)。
作者简介：霍跃华(1981-)，男，山西晋中人，工程师，硕士，主要研究方向为遥测技术、网络通信、图像识别等，E-mail:huoyh@cumtb.edu.cn。
引用格式：霍跃华，范伟强，孙雁宇.瓦斯遥测关键技术现状与发展方向[J].工矿自动化，2017,43(10)：29-33. HUO Yuehua,FAN Weiqiang,SUN Yanyu.Status and development direction of key technologies of gas telemetry[J].Industry and Mine Automation，2017,43(10)：29-33.