测量甲烷浓度的红外激光雷达建模仿真研究

摘要

甲烷是一种易燃易爆气体,是煤矿瓦斯的主要成分。一直以来瓦斯灾害是制约煤炭安全的主要因素。因此,实时准确地检测井下甲烷气体浓度有着十分重要的意义。本文研究的是基于光谱吸收的井下检测甲烷气体浓度的红外激光雷达,它可以远距离对甲烷气体进行实时准确的检测。首先,根据红外激光雷达的检测原理和井下环境,分析和建立了红外激光雷达系统模型;其次,根据建立的模型,研究了激光雷达的回波信号统计模型,并研究了斑纹及干扰噪声对回波信号统计模型的影响;然后,提出了应用kalman滤波算法对信号进行信号处理;最后,根据建立的红外激光模型和提出的信息处理算法,利用matlab软件进行仿真研究并建立相应的仿真系统。研究结果表明:建立的雷达系统模型符合实际,提出的信号处理算法能更好地提取甲烷气体浓度。通过建立的仿真系统,可以直观方便地评价和分析井下检测甲烷气体浓度的红外激光雷达的性能,有助于井下检测甲烷气体浓度的红外激光雷达的方案制定和性能改进,是一种及科学有经济的研究手段。

目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 选题意义

1.2 现有检测气体浓度的方法

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究状况

1.4 主要工作

1.5 章节安排

1.6 本章小结

2 红外激光雷达的基本原理

2.1 引言

2.2 分子的吸收谱

2.3 甲烷的红外吸收光谱

2.3.1 红外光的划分

2.3.2 甲烷吸收光谱

2.4 朗伯-比尔（Lamber-Beer）定律

2.5 红外吸收式激光雷达的基本原理

2.5.1 红外激光雷达的距离方程

2.5.2 红外激光雷达的工作原理

2.6 本章小结

3 红外激光雷达建模

3.1 引言

3.2 系统结构

3.3 发射系统

3.4 大气传输

3.4.1 大气的吸收

3.4.2 大气的散射

3.4.3 粉尘的消光

3.4.4 大气的总衰减系数

3.5 反射目标

3.5.1 反射目标物的光学特性

3.5.2 斑纹效应

3.6 接收探测系统

3.6.1 接收探测模型

3.6.2 接收探测噪声

3.7 本章小结

4 红外激光雷达回波信号统计模型及信息处理算法

4.1 引言

4.2 回波信号统计模型

4.2.1 斑纹的调制因子

4.2.2 接收探测噪声

4.3 回波信号统计特性分析

4.4 高斯光束

4.5 红外激光雷达的测量灵敏度

4.6 信息处理算法

4.6.1 kalman 滤波

4.6.2 Kalman 滤波模型

4.6.3 数值仿真分析

4.7 本章小结

5 红外激光雷达仿真系统

5.1 引言

5.2 红外激光雷达系统结构

5.3 红外激光雷达仿真系统的设计

5.3.1 仿真系统的设计目标

5.3.2 仿真系统的设计方案

5.4 红外激光雷达仿真系统的实现

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录 信息处理算法程序

作者简历

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