1、第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，数字正交锁相解调算法在可调谐激光光谱密封药瓶水汽浓度测量中的应用彭伟，杨生威，何天博，俞本立，李劲松，程振彪，周胜，蒋童童安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室，安徽 合肥 摘要密封药瓶内的药物在储存过程中，时常会因为保存方式不当，产品质量不合格等问题导致其气密闭性变差，极易与空气中的各种气体发生化学反应引起药品变质，影响其正常使用。因此，可以通过药瓶内部各种气体浓度的测量及时反映出药品的储存状态。其中水汽（）是空气中的常见气体且极易与药品产生反应，药瓶中 浓度的测量是判断瓶内药物是否变质的重要依据之一。实际检测药瓶内水汽浓度的传统方法或通常需要直接接
2、触到样品才能做出判断，很难做到无损检测，样品处理过程较为繁琐，耗时耗力，难以实现对大量药瓶的实时无损测量，所以需要一个实时快速非接触式检测容器密封性的方法。为了高效检测并实时监控密封药品存储容器（药瓶）内的水汽浓度，提出了一种可调谐半导体激光吸收光谱（）的数字正交锁相解调算法，并对该算法的可行性及有效性进行了实验验证。药瓶采用长 宽 高 的可透光聚乙烯（）材质；中心波长为 的分布式反馈（）激光器作为光源，搭建了基于数字正交锁相解调算法的 药品检漏测量系统，以数字锁相解调代替了传统的锁相解调并且研究了不同的调制深度、采样率对解调出的二次谐波信号（）幅值的影响。在系统各项参数最优的情况下考察了不同
3、光功率下 信号稳定性，并通过拟合结果推演出其他未知水汽浓度的 信号。研究结果表明：与常规锁相放大器解调算法相比，数字锁相解调可编译性强，系统结构更为紧凑，成本更为低廉。方差分析显示在 内的状态下，水汽检出限为 ，验证了该方法的稳定性与可靠性。关键词数字锁相解调；水汽浓度检测；药瓶检漏中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）资助作者简介：彭伟，年生，安徽大学硕士研究生 ：通讯作者 ：；引言密封药品在储存过程中，因泄露到药瓶中的水汽极易变质。目前，普遍采用的检测方法有微波测量法、露点法、红外反射水分仪、卡尔费休水分仪等。然而这些传统的检测方法通常需要借助
4、物理或者化学的手段使水与某些起指示作用的物质反应，通过测量这些指示物质的反应程度反演出水的浓度，难以满足小空间密封痕量水分在线检测需求。激光光谱技术的出现使得这些问题得到解决，常见的激光光谱技术包括光声光谱、光致热弹光谱技术等，其中可调谐半导体激光吸收光谱（）作为一种高灵敏痕量气体检测技术，无需提前预处理及取样，有非接触性、可实时测量等优点，广泛应用在环境监测、工业生产、医疗诊断等领域。年，等 利用半导体激光器功率调制和频率调制之间固有的相移，在基波调制频率下分离出残余幅度调制信号和一阶导数信号。通过对信号的分析，无需校准即可产生气体吸收线形函数、浓度和压力。将浓度为和 的甲烷在不同压力下的实
5、验结果与 数据模拟结果进行了比较。两者的一致性证实了该技术的有效性。年 等 利用半导体激光光谱研究了硫化氢在 区域的谱线强度和碰撞展宽；在 谱 线，一个大气压下的最小检测浓 度 为 。此外，还测量了其他气体下的压力展宽系数，并与控制碰撞过程的分子间势能进行了关联，估算出二聚体的势阱深度为（）。年 等 报道了室温下可调谐的外腔连续量子级联激光器在 范围内对的吸收光谱和波长调制光谱。单通吸收池测量出的最低检测下限为 。年 等 采用二阶泰勒级数处理激光传输，建立了高精度二阶算法可以直接检测出气体浓度，并将该算法应用于空气混合气中 摩尔数的测试。实验结果表明，二阶算法不仅有效地提高了气体浓度的测量精度
6、，而且大大拓宽了 的应用范围。年 等 利用 技术，将 附近的特定吸收线用于燃烧系统中的气体温度测量。年，等 采用新型半导体激光吸收传感器对内燃机压缩行程过程中的气体温度和水蒸气浓度进行了曲轴角度分辨测量。波长调制光谱与二次谐波检测（）相结合，能够在 和 的温度和压力范围内以 的带宽进行短程测量，水浓度的均方根误差小于 ，温度的均方根误差小于。年 等 提出了一种利用可调谐半导体激光吸收光谱（）和代数重建技术（）检测预混火焰中 浓度和温度二维分布的层析成像方法，实验测量了三种不同当量比下甲烷空气平坦预混火焰中的温度和浓度。等 报道了一种基于双光束波长调制光谱（）的水蒸气灵敏检测技术，在 光程长度内
7、，灵敏度达到 。针对封闭容器的检测，研究人员也做了大量实验，等 利用基于吸收光谱的可调谐半导体激光传感器，同时测量了瓶顶空间中的浓度和压力。为了防止室内空气中环境水蒸气的干扰吸收，利用测量信号和参考信号之间的差值计算瓶顶空间中的压力和浓度，从而消除了惰性气体吹扫时带来的误差。传感器对压力和 浓度的准确度分别为 和 。在 的吸收光程中，系统对压力的灵敏度约为 ，浓度的检测灵敏度约为 。等 研制了一种基于双线可调谐半导体激光吸收光谱的药瓶检漏传感器，研究了环境相对湿度对瓶内泄露系数的影响。等 使用了在线压差式检漏仪评估 聚对苯二甲酸乙二醇酯（）瓶密封质量的能力。研究结果可用于验证类似无损检漏在商业
8、环境中的应用效率，并开发一种节省时间的 瓶密封质量分析的替代方法。曹亚南等 利用 半导体激光器作为光源，结合波长调制吸收光谱，实现了对密闭容器（药瓶）中水汽浓度及压力的探测，并通过转台模拟生产线对系统在动态条件下的性能进行了测试。研究结果表明，在 的 浓度范围内，真实值与测量值之间的相关度和标准偏差为 和 ，在 （）的压力范围内，两者之间的相关度和标准偏差为 和 ，系统对应的压力及浓度的最低检测限约为 （）和 。上述工作主要基于硬件锁相解调，系统成本和复杂性较大。与传统 硬件锁相解调相比，数字正交锁相具有操作简单，成本低廉，体积小等优点，并且 程序可编译性强，能够适用于不同的解调需求。因此提出
9、一种基于数字正交锁相的软件解调算法，搭建了基于数字正交锁相解调算法的 密封药瓶（材质）检漏测量系统，采用中心波长为 的分布式反馈（）激光器作为光源，对药瓶内 的吸收光谱进行分析，并在数字锁相参数的优化、浓度拟合的效果、以及测量精确度和稳定性几个方面进行了性能评估。正交信号不需要随时调整相位，信号为正，便于进一步的数字信号处理。该方法不仅能够精确地检测出药瓶内 浓度，并且可以实时监测药品的储存情况。波长调制基本原理 的药瓶检漏系统主要基于 定律，表示如式（）所示 （）（）（）（）式（）中，是入射光的强度，是透射光的强度，是激光通过气体的光程，（）是气体的吸收系数。是气体的压力，（）是气体吸收强度
10、，（）是吸收系数的线型函数。选用洛伦兹线性函数，在全频域内积分为（）。由此，测得的气体浓度可表示为（）（）（）为了降低传感器的低频噪声干扰，采用了高频正弦波调制激光，在后续的滤波电路中去除未调制的低频噪声信号，提高了系统的信噪比和灵敏度。在近红外波段，气体对激光的吸收系数很小。当气体浓度较低且满足（）时，式（）可以简化为 （）（）（）（）（）线型在常压下可以近似为洛伦兹线型。因此，用洛仑兹线型来表示吸收光谱。气体吸收系数的表达式为（）（）（）式（）中，是吸收线中心频率的吸收系数，是吸收线的中心频率，是吸收线的线宽。当激光器被调制频率为的正弦调制信号注入时，其瞬时频率描述如式（）（）?（）（）式
11、（）中，是激光波长的中心频率，是调制深度。激光强度受电流调制，其表示如式（）（）?（）（）式（）中，?是激光在调制中心频率?的平均强度，是归一化线性强度调制幅度，是线性强度调制相移。由于非线性调制的幅度很小，所以只考虑线性调制。可以将激光的瞬时输出频率代入吸收系数（），并将其展开为傅里叶级数（）（）（）（?（）（?，）（）（）式（）中，（?，）是吸收系数的傅里叶级数展开系数，对于低浓度的微量气体，次谐波分量可描述为（?，）（?）（）（?，）（）（?）（）（）第期彭伟等：数字正交锁相解调算法在可调谐激光光谱密封药瓶水汽浓度测量中的应用由式（）能够看出，吸收系数傅里叶系数与气体浓度和光程的乘积成正
12、比。在吸收光谱中心频率处，奇次谐波的展开系数为，偶次谐波的膨胀系数随阶次的增加而减小。因而，气体浓度反演采用 信号。可以通过式（）获得?（）（）?（）利用软件实现数字正交锁相解调算法流程图如图所示。首先利用两个相位相差，频率为调制信号两倍，幅值为的参考信号分别与原始信号相乘，得到两个 信号，再经低通滤波器处理处理噪声，接着取平方和，最后对信号开二次方根，就能得到正交 信号。图数字正交锁相解调算法程序流程图 实验部分 目标谱线的选择利用可调谐二极管激光光谱法进行药瓶中水分子的监测，需要选择合适的吸收线。使用 数据库，模拟了在近红外区域的吸收光谱分布以及空气中的主要干扰气体，如，和，如图（）所示，
13、其中红色框表示的是实验中激光扫描范围内的吸收光谱。由图可以看出，在 附近，其他气体分子基本没有吸收，可以有效降低干扰气体吸收光谱对水汽浓度测量结果的影响。因此，选择 中心波长的吸收线来测量药瓶中的水汽浓度。目标谱线的光谱参数如表所示。表目标谱线的光谱参数 （）激光器特性分析一般情况下，近红外 二极管激光器的中心波长可以通过控制其工作温度或驱动电压大小来实现。为了准确控制激光器的输出波长，实现对目标分析物吸收光谱的扫描，首先对 激光器进行了特性测试。在固定的工作温度下，图（）近红外区域内 以及其他空气中主要分子的吸收线；（）在 大气压和室温条件下，激光器扫描范围内分子的光谱信息 （）；（）使用高
14、精度波长计（，）记录绝对波长与驱动电压的关系，结果如图所示。在，和 的激光器 工 作 温度下，对 附 近的吸收线进行扫描，驱动电压在 之间变化。光谱学与光谱分析第 卷图激光器的发射波长与 温度和驱动电压的函数关系 从图中可以看出不同工作温度下，随着电压的升高，波长与电压呈近似线性变化。药瓶检漏装置构建基于数字锁相解调算法的激光光谱药品检漏系统配置如图所示。通过数据采集卡（）为激光器提供低频激光扫描电压和高频调制电压信号。激光器的工作温度通过上位机由自制温度控制器控制。激光器电压选择，温度选择，激光经准直器准直后，进入样品药瓶中（其光程为 ）。激光束离开药瓶样品后，通过 透镜聚焦在近红外波段的光
15、电探测器，以检测光谱信号，探测器型号为 。检测到的光谱信号通过采集卡输入计算机，通过 中编写的正交锁相解调程序获得水分子的浓度信息。密 封 塑 料 药 瓶 中 药 品 为 配 置 的 ，和 饱和溶液。可透光聚乙烯（）材质的药瓶对激光的透射率为 。在 ，其上部空间相对湿度（）分别为，和 。在每个测试周期结束时，更换下一个药瓶，其中温度和相对湿度分别保持在（）和（）（）。图系统结构示意图 结果与讨论 系统优化 检测方法是一种间接光谱法，其中调制振幅、气体采样压力优化和浓度的线性校准是其用于气体浓度测量的必要步骤。由于药瓶一般储存在常温常压下，故只考虑一个标准大气压下的情况。激光器的调制频率 。图显
16、示了在一个标准大气压下，信号振幅与激光调制振幅（以电压表示）的函数关系。环境温度为，相对湿度为，浓度为 。最终得到 的最佳调制振幅为 。此外，信号幅值与入射激光功率有显著的相关性。因此，研究了 信号赋值对二极管激光器发射功率的响应特性。在实验过程中，二极管激光器的激光发射波长始终固定在相应 分子吸收线的中心波长处。图为 气体样品的输出激光功率与 信号幅值的关系图。实验数据是在一个标准大气压和上述的最佳调制振幅下测量的。结果表明，系统对入射激光功率有良好的线性响应。此外 信号的处理与采集卡的采样率有显著的相关性。在调制振幅达到最佳时，进一步研究了不同的采样率对气体 信号的影响。采用没有药品的空瓶子作为背景信号，使用空气中的水汽作为样品，保持实验的温湿度不变。图（）为 的 信号，信号幅值随采样率的变化如图（）所示。从图中可以看出，不同采样率下信号的噪声基本不变，而在采样率达到时 信号的幅值达到最大。样品测试及分析在最佳实验条件下，进一步研究了系统对气体浓度响应的特性。药品的不同浓度饱和溶液配置过程是：在五个烧杯中加入一定量的纯水，后加入药品不同搅拌直至饱和，用针第期彭伟等：数字正交锁相解调
