實施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施范圍并不 局限于此。
[0049] Simulink作為一種計算機仿真軟件工具，是Matlab的重要組件，它為用戶提供 一種動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，具有如下特點：（1)內(nèi)部提供豐富的模塊 庫，可以模擬連續(xù)、離散或混合系統(tǒng)，線性、非線性系統(tǒng)；(2)提供圖形編輯器，操作簡單； (3)可呈現(xiàn)層次關(guān)系框圖，可封裝成模塊，流程清晰；(4)通過示波器可直接觀察仿真結(jié)果， 進(jìn)行實時分析；（5)可訪問Matlab，進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和存儲，對進(jìn)過進(jìn)行分析與可視化，定 義參數(shù)和測試數(shù)據(jù)；（6)提供傳遞模塊和接口工具，可將Matlab算法和C/C++代碼導(dǎo)入模 型；（7)廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理、通信、電路仿真、控制邏輯設(shè)計、電力系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域。
[0050] 本發(fā)明正是利用Simulink軟件，進(jìn)行檢測系統(tǒng)的模型建立，對檢測系統(tǒng)的各工作 模塊進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果得到檢測的直接吸收和二次諧波信號。本發(fā)明的仿真系統(tǒng)包 括：光源模塊、氣室模塊、信號檢測模塊。
[0051] 光源模塊，用于將調(diào)制電流注入到激光器中進(jìn)行波長調(diào)制，由激光器輸出一定頻 率及強度的激光。驅(qū)動激光器的調(diào)制信號由低頻鋸齒波掃描信號和高頻正弦波調(diào)制信號及 驅(qū)動器自身設(shè)置的中心注入電流組成，如公式（1)。
[0052] iic=i〇+ib+iacos(2nft) (1)
[0053] 相應(yīng)的輸出激光的波長如公式（2)所示。
[0054] v(t) =v〇+vb+vacos(2tift) (2)
[0055] 激光二極管的輸出波長在低頻調(diào)制范圍內(nèi)可近似認(rèn)為是隨注入電流線性變化的， 存在以下關(guān)系：v=kv;ii，第四章的實驗計算結(jié)果知，kv;i= 0. 07nm/mA。該系統(tǒng)的激光驅(qū)動 器調(diào)制輸入存在電壓電流轉(zhuǎn)換關(guān)系50mA/V，即i= 0. 05u，轉(zhuǎn)化系數(shù)ki;u= 0. 05A/V，其中u 為驅(qū)動器輸入的電壓值。激光器輸出激光波長如公式（3)所不。
[0056] v(t) =v〇+kv；i ?ki；u ?ub ?t+kv；i ?ki；u ?ua ?cos(2itft) (3)
[0057] 輸入?yún)?shù)：
[0058] (1)激光器：中心頻率v0= 1512nm，光強I。=led;
[0059] (2)正弦波調(diào)制信號：頻率f= 15KHz，幅值ua= 0? 2V;
[0060] (3)鋸齒波掃描信號：頻率f= 5Hz，幅值ub= 0? 6V;
[0061] 輸出參數(shù)：激光器瞬時頻率v(t)，中心頻率V(l，輸出光強L。光源仿真模塊結(jié)構(gòu)示 意如圖2所示，設(shè)定仿真時間及仿真步長，輸出的激光波長的仿真結(jié)果，如圖3所示。
[0062] 且有，以上公式中，取L為led，氣體濃度C為1。吸收光程長L為lm。所選激光 器的中心波長％為1512nm。氨氣分子吸收線型函數(shù)，只考慮洛倫茲線型和高斯線型，譜線 強度S(T)取為1，譜線寬度AV為0.5nm〇
[0063] 氣室模塊，用于實現(xiàn)待測氣體在特定中心波長處，按照特定譜線吸收線型對激光 進(jìn)行吸收，主要在于譜線線型的確定，完成模擬激光在氣室中的吸收。氣室模塊的仿真結(jié)構(gòu) 如圖4所示。
[0064] 經(jīng)過氣室相應(yīng)吸收線型函數(shù)吸收后，得到的吸收信號分別如圖5所示，其中5a為 洛倫茲吸收線型下的氣體吸收信號，5b為高斯吸收線型下的氣體吸收信號。
[0065] 信號檢測模塊，用于探測二次諧波信號，封裝后的仿真模塊如圖6所示，洛倫茲和 高斯線型下的二次諧波信號的仿真結(jié)果，如圖7所示，其中7a為洛倫茲吸收線型下的二次 諧波信號；7b為高斯吸收線型下的二次諧波信號。
[0066] 一、理想情況下，不同吸收線型下的二次諧波信號建模分析方法如下：
[0067] 調(diào)制度作為影響二次諧波探測的首要因素，對二次諧波的線型有著重要影響。所 謂的理想情況下，即不考慮光強調(diào)制時，分別對不同調(diào)制度下的洛倫茲線型和高斯線型吸 收下的二次諧波進(jìn)行建模分析如下。
[0068] 1、洛倫茲吸收線型下的二次諧波分析
[0069] 通過對洛倫茲吸收線型下的探測到的二次諧波進(jìn)行仿真建模，不同調(diào)制度下的二 次諧波信號的仿真結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯S著調(diào)試度的變化，峰型發(fā)生了明顯變化。 如圖9所示，定義幾個二次諧波的峰型特征值：譜線中心峰的最大幅值為P，兩側(cè)峰谷值的 絕對值為N，且有峰高值為S=P+N，波峰波谷幅值比為R=P/N，。該四個變量分別隨調(diào)制 度的變化圖如圖10所示。對于洛倫茲吸收線型，二次諧波的最大幅值P隨調(diào)制度的增大先 增大后減小，通過計算知調(diào)制度為2. 2時達(dá)最大值；峰谷值的絕對值N，以近指數(shù)方式增大； 峰高值S隨調(diào)制度的變化與P的變化趨勢類似，不同的是調(diào)制度為3. 1左右時達(dá)最大值；波 峰波谷幅值比R隨調(diào)制度以近指數(shù)形式逐漸減小。
[0070] 2、高斯吸收線型下的二次諧波分析
[0071] 與洛倫茲吸收線型下二次諧波類似，對高斯線型下的二次諧波進(jìn)行仿真建模，二 次諧波仿真結(jié)果如圖11所示。高斯線型下的二次諧波隨調(diào)制度的變化與洛倫茲線型明顯 不同。對P、N、S、R進(jìn)行計算分析，其隨調(diào)試度的變化如圖12所示。
[0072] 由圖12可知，高斯吸收線型情況下：最大幅值P、峰谷值的絕對值N和峰高值S隨 調(diào)制度的增大都以近指數(shù)形式增大；波峰波谷幅值比R不隨調(diào)制度變化。
[0073] 同時可以看出，洛倫茲吸收線型下的二次諧波信號的峰寬隨著調(diào)制度的增加而逐 漸變寬，而高斯吸收線型下的二次諧波信號的峰寬不隨調(diào)制度的變化而變化。這一特點對 于多氣體探測二次諧波時非常重要，因為當(dāng)檢測氣體的壓強較大時，氣體按洛倫茲線型對 探測光進(jìn)行吸收，當(dāng)外界條件變化以及參數(shù)改變時，譜線的展寬會引起相鄰二次諧波譜線 的重疊，造成測量干擾。
[0074] 二、針對實際情況中存在的光強調(diào)制影響，考慮光強調(diào)制下的二次諧波進(jìn)行仿真 分析的過程詳述如下。
[0075] 實際檢測過程中，不但激光頻率被調(diào)制，光強也被調(diào)制了，并存在關(guān)系如公式 (3-4)所示。
[0077] 經(jīng)過調(diào)制后的激光強度的仿真結(jié)果，如圖13所示。
[0078] 最終得到的二次諧波探測信號如公式（3-5)所示。
[0080] 考慮到光強調(diào)制的線性和非線性部分的存在，可知與理想情況下的二次諧波：
相比，實際情況下，二次諧波信號中引入了奇次諧 波成分及高次諧波成分，使得二次諧波的線型發(fā)生畸變，不再保持理論上的對稱性。同時由 于非線性部分的存在，使得探測到的諧波信號產(chǎn)生了與吸收無關(guān)的背景信號
，即 RAM，作為一種背景信號影響信號的基線水平。從上式中也可以看出，考慮光強調(diào)制時，二次 諧波的線型是由其線性部分、非線性部分以及調(diào)制幅度和吸收線型共同決定的。下面我們 從這三個方面對二次諧波信號的影響分別進(jìn)行仿真分析。這里將左右峰高比（PHR)作為線 型對稱性的判別依據(jù)，峰高比為La/Lb，如圖14所示。
[0081] 1、光強調(diào)制的線性部分對二次諧波的影響
[0082] 首先給定非線性部分參數(shù)，通常非線性部分較小，設(shè)置非線性部分參數(shù)如下：小2 =100°，k2=0. 05,模擬結(jié)果通過Simulink的存儲模塊"ToWorkspaces"導(dǎo)出到Matlab里 進(jìn)行分析顯示，模擬結(jié)果如圖14和15所示，其中橫坐標(biāo)為歸一化頻率失諧量x= (v。-%)/Av〇
[0083] (1)線性相移傘滿影響：
[0084]固定線性系數(shù)&，改變線性相移，由圖15可知分析信號和探測信號的基線隨 線性相移基本保持不變。但由于非線性部分的存在，探測信號較之分析信號，基線發(fā)生了偏 移。通過計算，可知兩信號峰高比PHR隨著巾滿變化相同，如圖15中（15a)，隨著相移角 對90 °的接近，峰高比接近1，對稱性逐漸變好。
[0085](2)線性系數(shù)匕的影響：
[0086] 固定線性相移t，改變線性系數(shù)匕。當(dāng)線性相移<^= 90°時，由公式（2-47)和 (2-51)可知分析信號和探測信號相同，線性部分為0,匕對信號無影響。
[0087] 當(dāng)線性相移(^#90°時，改變線性系數(shù)1^，二次諧波的分析信號和探測信號分別 為圖16的（a)和（b)所示，可知兩者的基線隨&基本保持不變，探測信號依舊存在基線偏 移。兩者峰高比隨k/變化相同，如圖17所示，均隨著ki的增大而線性減小，對稱性變差，即 h影響線型的不對稱程度。
[0088] 2、光強調(diào)制的非線性部分對二次諧波的影響
[0089] 首