基于光纤环衰荡方法的分布式气体监测系统研究

摘要

本文以二氧化碳的俘获与存储为应用背景，旨在开发一种能工作于恶劣环境的CO2泄露监测系统，实现分布式远程实时在线的气体浓度检测。调研了现有的气体检测技术，重点针对CO2的检测，分析了化学方法、电化学方法、和光学方法的发展现状和优缺点，在光谱吸收领域找到一种技术--腔衰荡光谱法，并将其与光纤传感技术结合形成一种新的结构--光纤环衰荡光谱法。光纤环衰荡光谱法用光纤环和气体吸收室的结构取代光学腔，同样是测量气体吸收所引起的光脉冲衰减速率，但更有利于分布式远程监测系统的开发。
　　 首先，本文以DFB激光器为系统的光源，研究了激光二极管和温度控制部分的工作原理并进行了性能测试；用激光器电流和温度控制器完成了恒定光强连续输出模式下的温度扫描；用电路实现了10ns脉宽的光脉冲输出，脉冲峰值强度达到1mW。其次，基于之前的激光器恒定光强连续输出的温度扫描系统，搭建了CO2浓度测量实验平台，得到不同浓度的气体吸收谱，并用吸收谱强度归一化、谱相关平移算法和最小二乘法解冗余线性方程的数据处理，最后得到标定数据的误差曲线，浓度测量精度小于1％，测量时间小于2s。光纤环衰荡光谱法是光纤传感技术和气体测量技术的结合点，也是本文的重要创新点，但是光纤环中固有损耗的控制是需要解决的关键技术难点。基于之前的激光器脉冲输出的研究成果，搭建了光纤环衰荡实验平台，并将光纤放大器引入光纤环内延长衰荡时间，并用实验得到了不同衰减情况下的衰荡信号。衰荡时间是决定测量精度的关键，所以用寻峰处理和指数衰减曲线拟合等方法估计衰荡时间。根据实验结果比较，引入新方法后衰荡时间延长十余倍，由现有实验平台信噪比和单环衰减的控制水平，得出CO2浓度测量精度能达到5％。最后，针对一些不具备光纤敷设条件或者敷设成本过高的应用环境，对无线传感网络做了初步的研究；并开发了无线气体检测节点--用微处理器完成了对气体检测系统的控制和信号处理，用无线模块完成了信息的收发；从系统能耗和成本上分析了其组网的可行性。
　　 本文的主要创新点包括：分析了用光纤衰荡光谱法实现分布式气体测量的方法，实现光纤衰荡环固有损耗的补偿，开发评估衰荡时间的算法；提出谱相关平移算法优化计算气体浓度的方法，并实现吸收谱的自动识别和处理和计算被测气体浓度；提出气体检测无线传感网络的思路，开发气体检测无线节点。