波长调制光谱技术中免标定气体检测方法的研究及优化

摘要

快速准确的气体检测方法，能够为环境保护与生产安全提供重要保障。在众多的气体检测手段中，可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术凭借其非侵入式、选择性好、分辨率高、响应速度快等优势，在燃烧过程诊断分析、工业过程监测控制和痕量污染物检测等领域中有广阔的应用前景。TDLAS技术中的波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)方法通过在扫描信号上叠加高频调制信号，有效抑制了低频噪声，具有较高的系统灵敏度。WMS分为标定和免标定方法。标定方法无需标准具和光谱数据库的先验信息，但在实际中需要在已知体系中校准。随着气体检测技术的发展，免标定波长调制方法成为当下研究的热点。
　　本文围绕免标定波长调制方法，从拓展已有方法的检测范围和提高系统的信噪比两个方面，展开全面的理论和实验研究:(1)在WMS方法中，对激光频率进行调制时，激光强度将同步受到调制，产生与吸收相关的剩余幅度调制(Residual Amplitude Modulation，RAM)信号。从RAM信号中提取气体参数信息的方法称为RAM方法。现有RAM方法均需做弱吸收假设和简化，不适用于高浓度、长光程等强吸收环境下的测量，在实际应用中具有一定的局限性。(2)前人研究结果表明，三角波高频调制方式与常用的正弦波调制方式相比具有更高的灵敏度，然而在三角波调制下的免标定测量策略未见文献报道。针对上述问题，本文以甲烷为目标气体，开展了如下研究工作:
　　1、研究了强吸收条件下，利用RAM信号实现气体浓度免标定测量的方法，拓展了现有RAM方法的适用范围。建立了适用于任意吸光度和调制系数下的傅里叶光谱吸收模型，提出了对背景信号归一化的一次谐波Y分量进行拟合的免标定算法。搭建实验平台，选择1653.73nm处的CH4吸收谱线，开展了不同调制系数下CH4气体浓度测量实验，实验结果验证了该方法的可行性。
　　2、提出并实现了基于三角波调制的免标定测量方法，用于提高测量系统的信噪比。将三角波波形简化为若干正弦波叠加的形式，建立了DFB激光器在三角波调制方式下的频率响应模型。搭建实验平台，开展了不同浓度下CH4气体测量实验。实验结果证明了该模型的可行性，并实现了基于三角波调制的CH4气体浓度的免标定测量。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 现有气体浓度测量方法

1．2．1 接触式测量方法

1．2．2 非接触式测量方法

1．3 TDLAS技术的发展历史与研究现状

1．3．1 半导体激光器的发展

1．3．1 TDLAS技术的研究现状

1．4 论文的研究目的、结构及内容

1．4．1 论文的研究目的

1．4．2 论文组织结构及内容

第二章 激光吸收光谱技术的基本测量原理

2．1 TDLAS测量的基本原理

2．1．1 分子吸收光谱基本原理

2．1．2 Beer-Lambert定律

2．2 谱线线型函数

2．2．1 Gauss线型函数

2．2．2 Lorentz线型函数

2．2．3 Voigt线型函数

2．3 直接吸收光谱技术

2．4 波长调制光谱方法

2．5 现有RAM方法的原理

2．5．1 气体吸收谱线线型提取万法

2．5．2 强吸收测量环境中的修正方式

2．6 本章小结

第三章 基于剩余幅度调制技术对强吸收下气体浓度的测量研究

3．1 基于傅里叶级数展开的理论分析

3．2 基于RAM信号的气体参数免标定算法

3．2．1 线型函数

3．2．2 免标定算法的实现步骤

3．2．3 甲烷气体谱线选择

3．3 实验系统的设计与搭建

3．3．1 实验系统架构及流程

3．3．2 实验装置

3．3．3 调制频率的确定

3．3．4 调制电压的选择

3．3．5 参考信号相位角的确定

3．4 实验数据处理

3．4．1 频率响应特性

3．4．2 背景信号归一化过程

3．5 实验结果与分析

3．6 本章小结

第四章 基于三角波调制的免标定气体浓度测量方法研究

4．1 免标定方法实现步骤

4．2 三角波调制方式下的DFB激光器频率响应模型的建立

4．3 实验和结果分析

4．3．1 实验过程

4．3．2 实验结果

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 论文创新点

5．3 进一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间获得的主要学术成果