煤矿中瓦斯灾害严重影响其安全生产，根据资料统计显示，2015年发生16起瓦斯事故，死亡163人，约占煤矿事故伤亡人数的40%[1]。近年来，国家非常重视煤矿的安全开采，为避免瓦斯事故的发生，国家安全生产监督管理总局于2015年颁布了《强化煤矿瓦斯防治十条规定》[2]，对瓦斯体积分数监测提出了明确要求。甲烷是瓦斯气体的主要成分，属易燃易爆气体[3]。与传统的载体催化、热释电和红外原理相比，采用激光原理的检测系统具有稳定性高、抗干扰性好、可实现长距离分布式测量等优势[3]。
采用激光原理进行甲烷气体浓度检测是近几年发展起来的国际领先的气体检测技术，被广泛应用于新一代煤矿甲烷传感器的研究中。文献[4]斯坦福大学的RITOBRA Sur等采用可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)，利用不同波长的激光器，对甲烷、一氧化碳、水汽和二氧化碳进行同步监测，用于分析煤炭气化过程。文献[5]介绍了英国Opto-Sci公司的激光多点气体传感系统，可以实现甲烷、一氧化碳的精确和准分布式测量，测量精度达100×10-6。文献[6]以色列的ALEXEY Fomin等，基于TDLAS技术，在1.57 μm近红外波段，有效光程达1 m，1 000～1 300 K温度范围，实现对高温温度和水汽浓度的同步检测，误差分别为±70 K和±20%。国内科研机构也开展了深入研究，中科院安徽光机所的阚瑞峰等采用TDLAS技术，结合多次反射气室，设计了实用于大气环境中甲烷测量的便携式仪器[7];陈玖英等采用自平衡检测方法，消除激光器的共模和光路噪声干扰，该方法不需要信号调制和锁相放大器，简化了便携式仪器的电路和结构[8]。山东省科学院的魏玉宾等采用波分复用的激光器阵列，实现甲烷、一氧化碳、乙烯、乙炔的浓度检测，并提出基于气体浓度和光谱的多变量分析方法[9]。中煤科工集团重庆院的樊荣等针对激光气体传感器受温度影响的问题，提出基于重心插值和分段插值的自适应融合迭代补偿方法，大大降低了传感器在实际应用中的测量误差[10]。北京交通大学的余贶琭等采用波分复用器，利用在1 510～1 540 nm范围吸收峰区分不同测点的多点乙炔传感系统，实现18个测点的监测，理论测量误差小于1.8%[11]。
从激光气体检测发展趋势看，分布式多点、多气体、高稳定性、长光程等是未来研究的热门方向。为降低煤矿安全监测系统中激光甲烷传感器的成本和功耗，同时保证激光甲烷传感系统的高稳定性，笔者在点式激光甲烷传感技术的研究基础上，结合光波分复用和激光自稳频技术，提出一套基于激光自稳频技术的分布式多点甲烷检测系统。系统可以实现自动标校的功能，大大提高自身稳定性，非常适用于煤矿、天然气管道、城市管廊和垃圾处理厂等区域的危险气体监测。
1 系统原理
1.1 甲烷在近红外的光谱吸收特性
气体分子的选择性光谱吸收理论，即气体分子只吸收能量等于分子结构中某两个能级能量之差的光子，满足ΔE=hc/λ吸收条件。由于气体分子结构的差异性，通过对特定光波波长吸收情况的探测分析，进而实现对气体浓度的定量检测[12]。
甲烷在1 653.7 nm光谱区域具有较高的吸收率(图1)，并且在该光谱区域内没有水汽、烷烃、二氧化碳等气体的吸收干扰[13]，与1 550 nm的通信波段也较为接近，光纤在该光谱区域的损耗较小，相应的激光器和光电探测器等光电器件也非常成熟，因此选取1 653.7 nm作为系统工作的中心波长。
图1 甲烷在近红外1 653.70 nm区域的吸收光谱
Fig.1 Absorption spectra of methane in the near infrared 1 653.70 nm region
1.2 谐波检测原理
气体吸收光波过程可描述为:当光强为I0的光波通过充有待测气体的采样气室时，波长λ在吸收光谱范围的光波能量会发生衰减，其物理过程用Beer-Lambert定律描述，如式(1)所示[13]。
I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)cL]
(1)
其中，I为出射光波光强;α为光波吸收率;c为气体浓度;L为气室光程长度;λ为光波波长。通过对激光器注入电流进行正弦调制，光波波长和输出光强也受到相应地调制，激光器输出信号波形如图2所示。则式(1)[13]为
I=I0(1+ηsin ωt)exp[-α(υ0+δsin ωt)cL]
(2)
式中,η为光强调制幅度;υ0为中心波长对应的光频率;δ为光波频率调制幅度;ω为电流调制频率。
图2 激光器扫描的原始信号波形
Fig.2 Original sign waveform of laser scanning
激光器出射光波经甲烷气体吸收后，实验系统中由AD数据采集卡采集到的原始甲烷吸收信号波形如图3所示。
图3 甲烷吸收光波的原始信号波形
Fig.3 Original signal waveform of methane absorbs light wave
原始吸收信号经滤波、锁相、相关等信号处理后，得到吸收信号的一次谐波和二次谐波波形。为减小系统噪声的影响，采用多次平滑滤波，图4为采用相邻20个采样点均值滤波后的一次谐波和二次谐波波形，有效消除了系统白噪声的干扰。
图4 系统检测的一次谐波/二次谐波信号波形
Fig.4 System detects the first harmonic/second harmonic signal waveform
被检气体的浓度c可由检测信号的二次谐波与一次谐波的面积比值得到，其数学表达式[13]为
(3)
式中，D为背景气体和系统噪声引入的误差项;K2为吸收函数傅里叶展开的二次项系数;A1(x)为一次谐波幅值;A2(x)为二次谐波幅值。
2 激光自稳频技术
2.1 激光器温度特性分析
半导体激光器出射光波频率受工作温度和注入电流的影响很大[14-15]。在激光器工作电流40 mA的恒定条件下，出射光波中心频率与工作温度的对应关系，如图5所示。
图5 激光器输出光波长与工作温度的关系
Fig.5 Relationship between laser wavelength and operating temperature
为保证激光器出射中心波长及扫描光波范围恒定，采用闭环负反馈控制链路对激光器的温度进行精确控制[16-17]，控温精度达到0.01 ℃，激光器温度控制原理如图6所示。
图6 激光器闭环负反馈温度控制框图
Fig.6 Closed-loop negative feedback temperature control block diagram of laser
2.2 波长波动对系统测量的影响
虽然激光器从硬件控制电路上进行了恒温恒流控制，但环境温度、器件老化等因素的变化会造成半导体激光器输出光波中心波长的波动，进而给系统检测带来测量偏差，见表1。
表1 环境温度变化对系统测量的影响
Table 1 Influence of ambient temperature variation on system measurement
并且由于激光器自身的差异性很大[18]，无变化规律可依，无法直接通过统一的算法进行补偿。因此如何实现激光光波恒定输出，成为激光甲烷检测系统的难点和关键，直接影响检测系统甲烷体积分数测量值的长期稳定性。
2.3 激光自稳频算法
笔者提出一种激光光波自稳频技术解决方案，采用软硬件结合的方式，通过1/8光分束器在分布式多
点激光甲烷检测系统中引入一条参考光路，光路中的参考气室密封有浓度恒定的甲烷气体。通过实时检测参考光路中甲烷吸收信号的二次谐波波形，提取出光波中心波长λ1(吸收信号采样点850对应的波长)和光波工作范围Δλ1(波谷-波谷之间的范围)，如图7所示，与设定值进行比较，判定其偏差值。并通过控制激光器驱动链路中的DA幅值和范围来改变激光器驱动电流I的大小和扫描范围ΔI，以达到激光器出射光波中心频率和光波工作范围的高度一致，从而确保系统检测的长期稳定性，电流控制精度为0.01 mA，波长控制精度为0.000 1 nm。系统中激光自稳频控制框图如图8所示。
图7 参考信号的二次谐波波形及特征波长信息
Fig.7 Second harmonic waveform of reference signal and characteristic wavelength information
图8 系统中激光自稳频控制框图
Fig.8 Laser self-stabilizing control block diagram of System
2.4 验证测试
在实验室环境中，将系统置于高低温箱内进行-10～50 ℃的变温循环实验，并记录测试结果，测试数据见表2。数据表明激光自稳频技术能有效抑制系统中激光光波波长及工作范围的波动，大大减小系统的测量误差。
3 分布式多点激光甲烷检测系统
3.1 分布式多点激光甲烷检测系统设计
系统采用DFB半导体激光器，设定中心波长为1 653.723 5 nm，光谱工作范围为1 653.65～1 653.80 nm。激光器在驱动和温控模块控制下，出射特定光谱的激光光波，光波经1/8光分束器后，转换成8路光波，再经过导光光缆传输至甲烷测量气室(待测点)，光波被甲烷按比例吸收后，携带信息的光波由光纤准直器耦合进导光光缆，并由InGaAs光电探测器将光信号转换成电信号，再经过放大、滤波、锁相、相关等信号处理，得到待测信号的一次谐波和二次谐波波形，再经数值分析反演得到待测甲烷气体的浓度。为提高系统的稳定性，引入参考光路8号通道，内置甲烷体积分数恒定的参考气室，用于自动锁定激光器出射中心波长和光谱范围，并根据解算的参考气室内甲烷的浓度值对系统检测值进行实时修正。系统的组成如图9所示。
表2 系统采用自稳频算法后的测试结果
Table 2 Test result of system use self-stabilizing algorithm
图9 分布式多点激光甲烷检测系统组成
Fig.9 Composition of distributed multi-point laser methane detection system
3.2 系统的实验测试
该实验系统可以实现7个不同测点环境中甲烷体积分数的实时同步监测，测点范围为10 km。由于系统中各测量光路的光电探测器、气室长度等存在差异，在进行测试前，需对各测量气室通入氮气和20.0%的标准甲烷气体进行线性标定。
在实验室环境中，对该检测系统分别通入0.5%,2.0%,8.00%,60.0%,85%的标准甲烷气体。实验测试数据见表3，在测量范围内，实验系统的最大线性偏差小于1%。
表3 分布式多点激光甲烷检测系统的线性测试数据
Table 3 Linear test data for distributed multipoint laser methane detection system
系统长期测量稳定性测试(60 d)，测试过程中不再标校，每天分别通入2%,20%,60%的标准甲烷气体，以其中1号测点为例，其测试数据如图10所示。数据表明，该系统测量误差≤1%，远低于煤矿等现场对甲烷体积分数检测的误差要求，具有很好的长期稳定性。
图10 分布式多点甲烷检测系统的长期稳定性测试数据
Fig.10 Long-term stability test data for distributed multi-point methane detection system
4 结 论
(1)首先对激光甲烷检测原理进行了分析，在此基础上针对目前激光甲烷检测系统中环境温度、老化等因素对激光光波的影响，提出了一种激光光波自稳频技术解决方案，并进行了实验测试验证，在-10 ℃～50 ℃的温度范围内，气体浓度测量相对误差为±0.5%，该方案显著提高了系统测量稳定性。
(2)基于激光自稳频技术设计的分布式多点激光甲烷检测系统，结合参考气室实现7个不同测点环境中甲烷浓度的实时同步监测，测点范围为10 km。在实验环境中对该检测系统分别通入0.5%,2.0%,8.00%,60.0%,85%的标准甲烷气体，测试数据表明，测量值与真实甲烷气体浓度的误差约为1%;系统通过了60 d的长期稳定性测试，系统稳定性测量误差在±1%范围内，远低于目前煤矿用甲烷传感器的测量误差要求。为分布式多点激光甲烷检测系统在煤矿等工业现场的应用提供了技术支撑。
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