本發明涉及激光控制技術領域，尤其涉及基于TDLAS的激光控制系統及方法。

背景技術：

現有的用于激光器的電流/溫度控制系統只有簡單的電流調諧，而TDLAS技術需要加載一次諧波信號至電流驅動的鋸齒信號上去，從而才能進行二次諧波解調，從而提高TDLAS測試效果，故而以前的技術不得不單獨配備一個信號發生器來實現該功能，成本非常高。

現有的用于激光器的電流/溫度控制系統的所有的信號無法同步輸入輸出，不得不單獨配備一個鎖相放大器，成本不菲。

現有的用于激光器的電流/溫度控制系統因為不得不配備外接的信號發生器和鎖相放大器，從而導致信號沒有理想中穩定。

TDLAS，即可調諧半導體激光吸收光譜。該技術主要是利用可調諧半導體激光器的窄線寬和波長隨注入電流改變的特性，實現對分子的單個或幾個距離很近很難分辨的吸收線進行測量。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出了一種基于TDLAS的激光控制系統及方法，該系統通過TDLAS驅動模塊產生激光器所需要的電流DC信號和分析解調用的一次諧波的加載信號來驅動激光器，解決了現有激光控制工作狀態不穩定的問題。

為了實現上述目的，本發明技術方案如下：

一種基于TDLAS的激光控制系統，包括數據采集模塊、數據處理模塊、TDLAS驅動模塊。所述TDLAS驅動模塊與數據采集模塊相連接；所述數據采集模塊與數據處理模塊相連接；所述數據處理模塊與TDLAS驅動模塊相連接；所述TDLAS驅動模塊與激光器相連接。所述TDLAS驅動模塊通過輸出電流DC信號和分析解調用的一次諧波的加載信號來驅動所述激光器發射激光。所述TDLAS驅動模塊對光電轉化后的激光信號進行二次諧波解調，并將解調后的模擬信號輸入到所述數據采集模塊；所述數據采集模塊將模擬信號轉換為數字信號；所述數據處理模塊根據該數字信號對所述TDLAS驅動模塊的輸出進行進一步的調節。

進一步地還包括探測器。所述探測器與TDLAS驅動模塊相連接。所述探測器接收所述激光器發射的激光，并將激光轉化為電信號，然后將該電信號發送給所述TDLAS驅動模塊。

進一步地，還包括溫度控制/反饋模塊。所述溫度控制/反饋模塊與數據采集模塊相連接。所述溫度控制/反饋模塊用于實時向所述數據采集模塊反饋激光器的溫度，并對激光器的穩定進行控制。

進一步地，所述TDLAS驅動模塊包含數據傳輸單元、二次諧波信號解調單元、激光器DC驅動單元、一次諧波信號產生單元、鎖相放大單元。所述探測器依次通過所述二次諧波信號解調單元、數據傳輸單元與所述數據采集模塊相連接。所述數據處理模塊通過所述數據傳輸單元分別與所述激光器DC驅動單元、一次諧波信號產生單元相連接。所述鎖相放大單元與激光器相連接。

進一步地，所述TDLAS驅動模塊還包含前置放大單元。所述前置放大單元連接在所述探測器與所述二次諧波信號解調單元之間。

進一步地，所述探測器為光電二極管。

一種基于TDLAS的激光控制方法，包括以下步驟：

S1：獲取激光器的溫度。

S2：判斷激光器的溫度是否與預設值一致；若為是，執行S4；若為否則執行S3。

S3：對激光器的溫度進行校準，使得激光器的溫度與預設值保持一致，執行S4。

S4：加載一次諧波信號至DC驅動信號上。

S5：通過加載后的DC驅動信號驅動激光器發射激光。

S6：對激光進行采集，并將采集的激光信號由光信號轉化為電信號。

S7：對電信號進行解調，獲取解調后的二次諧波信號。

S8：根據DC驅動信號、二次諧波信號獲取光譜圖。

本發明的有益效果：

該系統通過TDLAS驅動模塊產生激光器所需要的電流DC信號和分析解調用的一次諧波的加載信號來驅動激光器，使得激光器以最穩定的狀態工作，被測氣體吸收激光器的光譜后會使加載的信號產生變化，TDLAS驅動模塊通過對探測器端的信號進行二次諧波解調，從而得出信號的變化。TDLAS驅動模塊把所有信號給到數據采集模塊進行數字化轉換，從而分析濃度值。

附圖說明

圖1為本發明中基于TDLAS的激光控制系統的電路方塊示意圖。

圖2為圖1中TDLAS驅動模塊3的電路方塊示意圖。

圖3為圖2中前置放大單元32的電路原理圖。

圖4為圖2中二次諧波解調單元33的電路原理圖。

圖5為本發明中基于TDLAS的激光控制方法的流程示意圖。

其中，圖1至圖5的附圖標記為：數據采集模塊1、數據處理模塊2、TDLAS驅動模塊3、溫度控制/反饋模塊4、探測器5、激光器6；數據傳輸單元31、前置放大單元32、二次諧波信號解調單元33、激光器DC驅動單元34、一次諧波信號產生單元35、鎖相放大單元36。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，進一步闡述本發明。

實施例1：

如圖1所示，一種基于TDLAS的激光控制系統，包括數據采集模塊1、數據處理模塊2、TDLAS驅動模塊3、溫度控制/反饋模塊4、探測器5。

探測器5與TDLAS驅動模塊3相連接；溫度控制/反饋模塊4、TDLAS驅動模塊3分別與數據采集模塊1相連接；數據采集模塊1與數據處理模塊2相連接；數據處理模塊2與TDLAS驅動模塊3相連接；TDLAS驅動模塊3與激光器6相連接。

探測器5接收激光器6發射的激光，并將激光轉化為電信號，傳輸給數據采集模塊1。探測器5優選為光電二極管。

TDLAS驅動模塊3是針對TDLAS技術開發的核心驅動電路，它把TDLAS技術所需要的激光器電流驅動功能、一次諧波信號發生功能、鎖相放大功能、二次諧波的信號解調功能以及前置放大功能集成在了一起，使整個TDLAS技術的驅動只需要一塊小板子，體積小巧，從而實現小型化設計。TDLAS驅動模塊3運行時，同時產生激光器6所需要的電流DC信號和分析解調用的一次諧波的加載信號，通過鎖相放大，使這兩個信號同步輸入輸出，給到激光器6。激光器6收到加載好的信號后，會以最穩定的狀態工作，被測氣體吸收激光器6的光譜后會使加載的信號產生變化，TDLAS驅動模塊3通過對探測器5端的信號進行二次諧波解調，從而得出信號的變化。TDLAS驅動模塊3把所有信號給到數據采集模塊1進行數字化轉換，從而分析濃度值。

溫度控制/反饋模塊4是決定激光器6穩定工作的最重要的電路之一，它能夠實現萬分之九度的溫度精度，從而使激光器6發出的光的中心波長幾乎沒有任何變化，不會出現任何的振動。溫度控制/反饋模塊4與數據采集模塊1連接，實時向數據采集模塊1反饋激光器6的溫度，并在labview軟件上顯示，從而讓客戶能夠清晰的知道激光器6的當前溫度，以便決定下一步的操作。

TDLAS驅動模塊3將疊加了一次諧波信號的電流信號給到激光器6，使激光器6在特定狀態下工作，發出特定波長的激光，照射到探測器5上，探測器5將光信號轉化為微弱的電信號，經由前置放大電路放大成理想強度的電信號，傳輸給TDLAS驅動模塊3，TDLAS驅動模塊3對該信號進行二次諧波解調，并將解調后的模擬信號輸入給到數據采集模塊1，數據采集模塊1將模擬信號轉換為數字信號，經由labview軟件讀取，顯示在可視屏幕上，使用者可根據直觀的信號信息，通過數據處理模塊2對TDLAS驅動模塊3進行進一步的調節。

數據采集模塊1用于接收的TDLAS驅動模塊3、探測器5、溫度控制/反饋模塊4傳輸的模擬信號，并將模擬信號轉化為數字信號從而進行存儲。

數據采集模塊1除了對信號進行數字化轉換和存儲之外，還是labview軟件的搭建平臺，可編輯labview軟件，從而實現與PC電腦端的協議通信，將所有信號進行處理，最終圖像化顯示，從而讓實驗結果實時顯示。數據采集模塊1可以與TDLAS驅動模塊3進行通信協議，從而通過labview軟件可以對TDLAS驅動模塊3進行控制。

如圖2所示，TDLAS驅動模塊3包含數據傳輸單元31、前置放大單元32、二次諧波信號解調單元33、激光器DC驅動單元34、一次諧波信號產生單元35、鎖相放大單元36。

探測器5依次通過前置放大單元32、二次諧波信號解調單元33、數據傳輸單元31與數據采集模塊1相連接。數據處理模塊2通過數據傳輸單元31分別與激光器DC驅動單元34、一次諧波信號產生單元35相連接。鎖相放大單元36與激光器6相連接。

溫度控制/反饋模塊4獲取激光器6的溫度；并判斷激光器6的溫度是否與預設值一致；若為是，對激光器6的溫度進行校準，使得激光器6的溫度與預設值保持一致。數據處理模塊2通過數據傳輸單元31分別控制一次諧波信號產生單元35輸出一次諧波信號、激光器DC驅動單元34輸出DC驅動信號。鎖相放大單元36將一次諧波信號產生單元35輸出的一次諧波信號加載至激光器DC驅動單元34輸出的DC驅動信號上，并對加載后的DC驅動信號進行放大，然后驅動激光器6發射激光。探測器5接收激光器6發射的激光，并將激光轉化為電信號，傳輸給前置放大單元32。前置放大單元32對采集的激光信號進行放大后，傳輸給二次諧波信號解調單元33。二次諧波信號解調單元33對電信號進行解調，獲取解調的二次諧波信號。并且，數據傳輸單元31分別接收二次諧波信號解調單元33解調的二次諧波信號、激光器DC驅動單元34輸出的DC驅動信號、一次諧波信號產生單元35輸出的一次諧波信號，然后將接收的各信號經過數據采集模塊1傳輸給數據處理模塊2。數據處理模塊2根據數據采集模塊1的發送的信號產生光譜圖。

如圖3所示，前置放大單元32為前置負反饋電路，將信號進行放大，以提高檢測精度。前置放大單元32包括電阻R7、R8、R9、R10、運算放大器U1、U2、電容C27、可調電阻WR1。

電阻R7與運算放大器U1的正相輸入端相連接；運算放大器U1的正相輸入端并且經過電阻R8接地。

運算放大器U1的輸出端經過電阻R10與運算放大器U2的正相輸入端相連接；運算放大器U1的輸出端并且經過可調電阻WR1連接到運算放大器U1的反相輸入端。

運算放大器U1的反相輸入端并且經過電阻R9接地。

運算放大器U2的正相輸入端并且經過電容C27接地；運算放大器U2的輸出端與二次諧波解調單元33的輸入端相連接；并且運算放大器U2的輸出端與運算放大器U2的反相輸入端相連接。

如圖4所示，二次諧波解調單元33為帶通濾波電路，產生所需的二次諧波信號。二次諧波解調單元33包括低通濾波器U6、U7、U8、U9、運算放大器U3、U5、U10、單刀雙擲開關U4、電阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、電容C29、C30、C34、C36、C37、C38、C41、C43、C44、C45。

運算放大器U2的輸出端與低通濾波器U6、U7、U8、U9、運算放大器U3、單刀雙擲開關U4、運算放大器U5、U10逐級連接并輸出；運算放大器U2的輸出端并且經過運算放大器U11輸出。其它旁路元件的連接如圖4所示。

該激光器6控制系統還包括穩壓轉換電源、多功能串口、5V電源備用端口、原始DC信號預留檢測端口、一次諧波調制信號預留檢測端口、保險絲組、電流驅動開關、溫度調節旋鈕、前置增益調節旋鈕、二次諧波增益調節旋鈕、二次諧波相位調節旋鈕。

穩壓轉換電源用于保證整個電路安全與穩定的至關重要的器件，它將220V交流電壓，轉換成穩定的12V直流電壓，從而使整個系統的電路都工作在12V低電壓下，遠遠低于人體的安全電壓。

多功能串口是為專業的使用者提供的一個可OEM拓展的預留串口，該串口預留了多類型壓力傳感器的接入、多類型溫度傳感器的接入等，從而使專業的使用者可以根據自己的實驗需求來拓展使用。

5V電源備用端口為前置放大單元32供電，前置放大單元32可以放大探測器5的輸出信號，從而能夠使檢測現象更明顯。如果使用者使用外接的前置放大單元32，那么就不再需要配備其他的電源，可以直接使用TDLAS控制器所預留的電源端口，這樣不僅幫助使用者節省實驗成本，還可以使整個實驗系統更小型化。

原始DC信號預留檢測端口的信號可以通過示波器讀取，所給出的信號是TDLAS驅動模塊3生成的未疊加一次諧波的初始電流驅動信號。專業的使用者可以通過示波器檢閱初始信號，從而可以分析出設定的參數是否適合實驗的進行，以便及時修正設定參數。

原始一次諧波信號預留檢測端口的信號可以通過示波器讀取，所給出的信號是TDLAS驅動模塊3生成的原始的一次諧波調制信號。專業的使用者可以通過示波器檢閱初始信號，從而可以分析出設定的參數是否適合實驗的進行，以便及時修正設定參數。

保險絲組是專門用來預防TDLAS控制器運行在地線導通不好的實驗室時,所造成的損壞。地線是防止精密儀器靜電損壞最重要的線路之一，當實驗室地線導通不好時，保險絲組會主動燒壞，以避免TDLAS控制器受到靜電損壞。

電流驅動開關是獨立開關，激光器6的芯片非常脆弱，芯片必須工作在穩定溫度下，所以我們需要一個獨立的電流驅動開關，在軟件顯示溫度已經穩定時，再單獨提供激光器6的電流，以確保激光器6芯片不會損壞。

溫度調節旋鈕可以在硬件上對激光器6內部TEC的溫度進行調節，只有當激光器6溫度穩定時，激光器6才可以正常運行。

前置增益調節旋鈕可以放大探測器5輸出的原始信號，一般探測器5輸出的原始信號都是非常微弱的，如果不進行放大處理，很難甄別噪聲信號和吸收信號。

二次諧波增益調節旋鈕可以調節二次諧波信號的強弱，這在光譜吸收現象不太明顯的時候尤為有用，可以極大的提高信號的精度。

二次諧波相位調節旋鈕使專業的使用者獲得觀測信號的多個角度，專業的使用者可以通過旋鈕的調節，觀測二次諧波信號不同相位下的測量狀態，從而多角度進行對濃度計算結果進行佐證。

實施例2：

如圖5所示，一種基于TDLAS的激光控制方法，包括以下步驟：

S1：獲取激光器的溫度。

S2：判斷激光器的溫度是否與預設值一致；若為是，執行S4；若為否則執行S3。

S3：對激光器的溫度進行校準，使得激光器的溫度與預設值保持一致，執行S4。

S4：加載一次諧波信號至DC驅動信號上。

S5：通過加載后的DC驅動信號驅動激光器發射激光。

S6：對激光進行采集，并將采集的激光信號由光信號轉化為電信號。

S7：對電信號進行解調，獲取解調后的二次諧波信號。

S8：根據DC驅動信號、二次諧波信號獲取光譜圖。

以上所述的僅是本發明的優選實施方式，本發明不限于以上實施例?？梢岳斫?，本領域技術人員在不脫離本發明的基本構思的前提下直接導出或聯想到的其它改進和變化均應認為包含在本發明的保護范圍之內。