中文引用格式： 张衍群，景婉洋，苏殿强，等. 基于FPGA的TDLAS甲烷检测电路系统设计与实现[J]. 电子技术应用，2026，52(4)：108-114.
英文引用格式： Zhang Yanqun，Jing Wanyang，Su Dianqiang，et al. Design and implementation of a TDLAS methane detection system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(4)：108-114.
引言
随着社会经济的快速发展，环境污染与气候变化问题日益受到人们的广泛关注，甲烷作为第二大温室气体，其排放检测需求日益迫切。同时甲烷作为天然气的主要成分，其泄露会带来安全和环境问题[1-2]。然而，传统的甲烷监测技术已经难以满足对痕量甲烷的检测需求。为此，需要开发更加灵敏、精度更高的甲烷浓度检测装置以适应现代环境监测对温室气体检测的更高要求。
可调谐激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy ,TDLAS）技术有高灵敏度、通用性和快速响应的优点，因此广泛应用在痕量气体检测领域中。因为不同气体的吸收谱线分布在不同波长，所以使用TDLAS技术可以在复杂的气体环境中实现对某个单一气体的高灵敏度和高选择性检测[3]。TDLAS技术分为直接吸收法和调制光谱法，同时调制光谱法根据调制频率的不同又分为波长调制和频率调制，这两种方法都进一步抑制了激光和探测器噪声影响。根据比尔-朗伯定律，在气体吸收峰附近，激光透射光的强度会受到气体浓度的影响。光电探测器检测透射光强，通过锁相放大器提取二次谐波信号。这个过程可以显著地抑制1/f低频噪声的干扰，提高系统的检测灵敏度[4-5]。
TDLAS技术通过将高频正弦波调制信号叠加在低频锯齿波驱动信号中，从而实现激光器的波长在一定范围内扫描，完整覆盖待测气体的吸收谱线。激光在经过待测气体时，气体会吸收部分激光，导致透射光强减弱。光电探测器将透射光转换为电信号，再通过锁相放大处理获得气体浓度信息 [6-7]。
目前TDLAS气体检测设备在实际应用中有以下不足之处。首先，大多数设备采用的是分布式器件系统，导致其体积较大、集成度低，容易引入噪声。其次，不少电路系统使用模拟电路解调二次谐波信号，环境噪声对模拟信号影响较大。此外，一些做到系统集成的设备在检测低浓度的甲烷气体时，各模块性能有限，检测精度较差。
针对上述问题，本文设计了一套基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）的TDLAS甲烷气体检测系统。本系统将激光器驱动、信号调制解调、二次谐波周期平均算法以及小波变换滤波算法集成于FPGA平台。此系统具有集成度高、数字化控制参数的优点。系统实现了高精度控制激光器电流和温度，还可以加速信号的实时解调与处理，提高气体检测的精度和稳定性。
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作者信息：
张衍群1，2，景婉洋1，2，苏殿强1，2，姬中华1，2，马维光1，2，赵延霆1，2
（1.山西大学 激光光谱研究所 光量子技术与器件全国重点实验室，山西 太原 030006；
2.山西大学 极端光学协同创新中心，山西 太原 030006）
