首頁(yè) - 激光傳感組件 - 應(yīng)用 - 應(yīng)用案例 | 參數(shù)調(diào)諧隨機(jī)共振作為增強(qiáng)波長(zhǎng)調(diào)制光譜學(xué)的工具，使用密集重疊斑點(diǎn)模式多程吸收池 近日，來(lái)自安徽大學(xué)、安慶師范大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、皖西學(xué)院的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了《參數(shù)調(diào)諧隨機(jī)共振作為增強(qiáng)波長(zhǎng)調(diào)制光譜學(xué)的工具，使用密集重疊斑點(diǎn)模式多程吸收池》論文。
背景
激光吸收光譜技術(shù)已在許多應(yīng)用中得到證明，如空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制和醫(yī)學(xué)診斷。測(cè)量的精度對(duì)這些應(yīng)用非常重要。盡管激光吸收光譜在敏感檢測(cè)方面具有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍需要很長(zhǎng)的光學(xué)路徑長(zhǎng)度和特殊的測(cè)量技術(shù)來(lái)檢測(cè)極微量的物質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)高檢測(cè)靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)這些目的，通常采用具有長(zhǎng)光學(xué)路徑的多程吸收池來(lái)增強(qiáng)吸收信號(hào)。然而，在吸收信號(hào)中經(jīng)常出現(xiàn)意想不到的干擾光束、熱噪聲、射頻噪聲、電噪聲和白噪聲，嚴(yán)重影響了檢測(cè)的精度。當(dāng)使用密集重疊斑點(diǎn)模式的多程吸收池時(shí)，這些問(wèn)題在激光吸收光譜中很常見(jiàn)。因此，從強(qiáng)噪聲背景中有效提取弱光電吸收信號(hào)具有重要意義。
已提出了幾種方法來(lái)消除噪聲的負(fù)面影響。傳統(tǒng)的弱周期信號(hào)處理方法主要包括時(shí)間平均法、濾波法和相關(guān)分析法。
① 時(shí)間平均法可以獲得信噪比（SNR）較高的信號(hào)，因此可以降低噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差并提高信號(hào)質(zhì)量。然而，這種方法無(wú)法完全消除強(qiáng)噪聲背景。
② 基于硬件和軟件的信號(hào)濾波廣泛用于降噪，其特點(diǎn)是帶寬較窄。在實(shí)際應(yīng)用中，期望的信號(hào)和噪聲通常具有連續(xù)的功率譜和寬帶寬，但制造與信號(hào)帶寬相匹配以去除噪聲的濾波器相對(duì)較困難。如果濾波器的帶寬非常小，噪聲將大幅衰減。然而，這可能會(huì)破壞期望的信號(hào)。
③ 相關(guān)檢測(cè)方法是通過(guò)周期信號(hào)的自相關(guān)來(lái)去除噪聲的。其本質(zhì)是建立一個(gè)非常窄的帶寬濾波器，以濾除與信號(hào)頻率不同的噪聲。與上述其他弱周期信號(hào)檢測(cè)方法相比，參數(shù)調(diào)諧隨機(jī)共振（SR）方法的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。即使噪聲和信號(hào)具有相同的頻率，只要它們達(dá)到最佳的共振匹配，SR方法就可以將部分噪聲能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)能量，以抑制噪聲并增強(qiáng)信號(hào)。
在這項(xiàng)工作中，我們將SR方法應(yīng)用于波長(zhǎng)調(diào)制光譜學(xué)（WMS），并使用密集重疊斑點(diǎn)模式的多程吸收池。首先，將進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以找到合適的參數(shù)并評(píng)估最佳SR系統(tǒng)的性能，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SR方法可以有效增強(qiáng)WMS信號(hào)。
實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖1所示。海爾欣光電科技有限公司為此研究提供了鎖相放大器（Healthy Photon，HPLIA），用于解調(diào)來(lái)自光電探測(cè)器的吸收信號(hào)，解調(diào)頻率為第二諧波信號(hào)2f的頻率（其中f = 6千赫茲是正弦波的調(diào)制頻率）。鎖相放大器的時(shí)間常數(shù)設(shè)置為1毫秒。解調(diào)后的信號(hào)隨后由一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字化，并顯示在計(jì)算機(jī)上。
Fig. 1. Schematic diagram of experimental device of measurement.
Healthy Photon，lock-in amplifier HPLIA
Fig. 2. 2f SR signal and 2f time average signal.
結(jié)論
參數(shù)調(diào)諧隨機(jī)共振（SR）方法可以將部分噪聲能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)能量，以抑制噪聲并放大信號(hào)，與傳統(tǒng)的弱周期信號(hào)檢測(cè)方法（例如，時(shí)間平均法、濾波法和相關(guān)分析法）相比。本研究進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，以找到將SR方法應(yīng)用于波長(zhǎng)調(diào)制光譜學(xué)（WMS）的最佳共振參數(shù)。在隨機(jī)共振狀態(tài)下，2f信號(hào)的峰值（CH4濃度恒定在約20 ppm）有效放大到約0.0863 V，比4000次時(shí)間平均信號(hào)的峰值（約0.0231 V）高3.8倍。盡管標(biāo)準(zhǔn)差也從約0.0015 V（1σ）增加到約0.003 V（1σ），但信噪比相應(yīng)提高了1.83倍（從約25.9提高到約15.8）。獲得了SR 2f信號(hào)峰值與原始2f信號(hào)峰值的線性光譜響應(yīng)。這表明在強(qiáng)噪聲背景下，SR方法對(duì)增強(qiáng)光電信號(hào)是有效的。
參考：
Parameter-tuning stochastic resonance as a tool to enhance wavelength modulation spectroscopy using a dense overlapped spot pattern multi-pass cell, Optics Express 32010
https://doi.org/10.1364/OE.465629
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