《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的TDLAS甲烷检测电路系统设计与实现
电子技术应用
张衍群1，2，景婉洋1，2，苏殿强1，2，姬中华1，2，马维光1，2，赵延霆1，2
1.山西大学 激光光谱研究所 光量子技术与器件全国重点实验室；2.山西大学 极端光学协同创新中心
摘要： 可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术因其灵敏度高的特性而被广泛应用于气体探测领域。然而在实际应用过程中，气体检测极限常受到激光器控制稳定性和锁相放大器性能的影响。针对这一问题，设计并实现了一套基于FPGA的甲烷气体检测电路系统。该电路系统集成了激光器电流驱动、温度控制模块以及锁相放大模块，可以调节激光器驱动电流并保持激光器温度稳定，同时实现调制解调功能。实验结果表明，将激光器驱动电流设定为62.5 mA时，输出电流波动为±1.5 μA；将激光器温度设定为30 ℃，温度波动为±0.0063 ℃。使用光程为15 m的吸收池，通入2-20 μmol/mol浓度的甲烷依次解调二次谐波信号，甲烷浓度为20 μmol/mol时计算求得单个周期二次谐波信号信噪比为42.66 dB，由此可得检测下限为146.98 nmol/mol。在20 μmol/mol甲烷浓度条件下进一步地连续测量并计算Allan偏差，作图得到249 s时Allan偏差为17.25 nmol/mol。结果表明该电路系统具有较高的甲烷探测灵敏度。
中圖分類號(hào)：TN247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257175
中文引用格式： 張衍群，景婉洋，蘇殿強(qiáng)，等. 基于FPGA的TDLAS甲烷檢測電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2026，52(4)：108-114.
英文引用格式： Zhang Yanqun，Jing Wanyang，Su Dianqiang，et al. Design and implementation of a TDLAS methane detection system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(4)：108-114.
Design and implementation of a TDLAS methane detection system based on FPGA
Zhang Yanqun1，2，Jing Wanyang1，2，Su Dianqiang1，2，Ji Zhonghua1，2，Ma Weiguang1，2，Zhao Yanting1，2
1.State Key Laboratory of Quantum Optics Technologies and Devices， Institute of Laser Spectroscopy， Shanxi Universitya；2.Collaborative Innovation Center of Extreme Optics， Shanxi University
Abstract： Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) is widely applied in gas concentration measurements due to its high sensitivity. However, its detection performance is often limited by laser stability and the signal processing capability of the lock-in amplifier. In order to address this issue, this paper proposes a methane detection system based on FPGA. The system integrates the laser driver, which realizes accurate adjustment of injection current and stable maintenance of temperature, and the lock-in amplifier module for signal demodulation. The experimental results indicate that when the laser current is 62.5 mA, current fluctuation is ±1.5 μA, and the stability of temperature regulation module is ±0.0063 ℃ at 30 ℃. Methane absorption tests are carried out at a concentration of 2 to 20 μmol/mol over an optical path length of 15 m. At 20 μmol/mol, signal-to-noise ratio of the second harmonic signal is 42.66 dB, calculating detection limit is 146.98 nmol/mol. Continuous measurements below20 μmol/mol show an optimal averaging time of about 249 s and the Allan deviation is 17.25 nmol/mol. The comprehensive results indicate that the circuit system can meet the high sensitivity requirements in gas detection.
Key words : TDLAS；voltage-controlled current source；temperature control；lock-in amplifier

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染與氣候變化問題日益受到人們的廣泛關(guān)注，甲烷作為第二大溫室氣體，其排放檢測需求日益迫切。同時(shí)甲烷作為天然氣的主要成分，其泄露會(huì)帶來安全和環(huán)境問題[1-2]。然而，傳統(tǒng)的甲烷監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)難以滿足對痕量甲烷的檢測需求。為此，需要開發(fā)更加靈敏、精度更高的甲烷濃度檢測裝置以適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測對溫室氣體檢測的更高要求。

可調(diào)諧激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy ,TDLAS）技術(shù)有高靈敏度、通用性和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在痕量氣體檢測領(lǐng)域中。因?yàn)椴煌瑲怏w的吸收譜線分布在不同波長，所以使用TDLAS技術(shù)可以在復(fù)雜的氣體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對某個(gè)單一氣體的高靈敏度和高選擇性檢測[3]。TDLAS技術(shù)分為直接吸收法和調(diào)制光譜法，同時(shí)調(diào)制光譜法根據(jù)調(diào)制頻率的不同又分為波長調(diào)制和頻率調(diào)制，這兩種方法都進(jìn)一步抑制了激光和探測器噪聲影響。根據(jù)比爾-朗伯定律，在氣體吸收峰附近，激光透射光的強(qiáng)度會(huì)受到氣體濃度的影響。光電探測器檢測透射光強(qiáng)，通過鎖相放大器提取二次諧波信號(hào)。這個(gè)過程可以顯著地抑制1/f低頻噪聲的干擾，提高系統(tǒng)的檢測靈敏度[4-5]。

TDLAS技術(shù)通過將高頻正弦波調(diào)制信號(hào)疊加在低頻鋸齒波驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)激光器的波長在一定范圍內(nèi)掃描，完整覆蓋待測氣體的吸收譜線。激光在經(jīng)過待測氣體時(shí)，氣體會(huì)吸收部分激光，導(dǎo)致透射光強(qiáng)減弱。光電探測器將透射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過鎖相放大處理獲得氣體濃度信息 [6-7]。

目前TDLAS氣體檢測設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中有以下不足之處。首先，大多數(shù)設(shè)備采用的是分布式器件系統(tǒng)，導(dǎo)致其體積較大、集成度低，容易引入噪聲。其次，不少電路系統(tǒng)使用模擬電路解調(diào)二次諧波信號(hào)，環(huán)境噪聲對模擬信號(hào)影響較大。此外，一些做到系統(tǒng)集成的設(shè)備在檢測低濃度的甲烷氣體時(shí)，各模塊性能有限，檢測精度較差。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）的TDLAS甲烷氣體檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)將激光器驅(qū)動(dòng)、信號(hào)調(diào)制解調(diào)、二次諧波周期平均算法以及小波變換濾波算法集成于FPGA平臺(tái)。此系統(tǒng)具有集成度高、數(shù)字化控制參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度控制激光器電流和溫度，還可以加速信號(hào)的實(shí)時(shí)解調(diào)與處理，提高氣體檢測的精度和穩(wěn)定性。


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作者信息：

張衍群1，2，景婉洋1，2，蘇殿強(qiáng)1，2，姬中華1，2，馬維光1，2，趙延霆1，2

（1.山西大學(xué) 激光光譜研究所 光量子技術(shù)與器件全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；

2.山西大學(xué) 極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太原 030006）

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