脉冲波腔衰荡光谱信号采集关键技术研究

摘要

进入21世纪全世界掀起了对海洋领域开发的热潮，各国对海洋的关注程度不断攀升。海水中蕴含丰富的天然气资源，因此对水中溶存性气体浓度检测的研究具有重要意义。激光腔衰荡光谱技术具备光谱选择性好、检测灵敏度高和定量研究的能力，有可能成为探测天然气水合物的有效手段之一。
　　本论文以脉冲波腔衰荡光谱（Cavity Ringdown Spectroscopy，CRDS）技术为依托，设计一种小型化、集成化的脉冲波腔衰荡光谱信号采集系统，实现高速数据采集。整个数据采集系统的电子控制部分包括ART高速数据采集卡、台湾研华PC104工控机和同步触发信号发生电路。由于衰荡信号持续时间非常短暂，因此高速数据采集卡的触发方式的选择是一个关键性问题。本论文选用腔前模式匹配镜分出来的一束光，用GT101光电二极管检测信号作为数据采集卡的同步触发脉冲，通过用C＃对系统编程实现对数据采集卡的控制。为确保采集到衰荡信号，实验时选取中间触发方式来完成腔衰荡信号的采集。针对脉冲波腔衰荡信号的特点，对采集到的数据点用Origin软件进行波形还原和指数拟合，使用相关系数作为评价依据找到了符合腔衰荡信号规律的数据点，并计算出了衰荡时间。
　　本论文的主要内容包括:
　　1)搭建电子控制系统模块，将PC104工控机和ART高速数据采集卡对接。在Microsoft Visual Studio2010环境下使用C＃编写程序，完成对数据采集卡的功能控制。借助函数发生器产生与脉冲波腔衰荡信号相似的信号，电子控制模块采用不同的触发方式进行信号采集，采集到的波形信号和函数发生器产生的波形信号一致，验证了信号采集系统的功能。
　　2)详细介绍了脉冲波腔衰荡光谱技术原理以及光学系统中主要设备的参数型号。搭建光学系统模块，利用MPL-Ⅲ-532脉冲激光器发射激光，激光经过模式匹配镜进入衰荡腔，从衰荡腔中透射出来的信号即为脉冲波腔衰荡信号。示波器显示衰荡信号波形，验证了光学系统产生衰荡信号的功能正常。
　　3)将电子控制系统模块与光学系统模块联合调试，实现对腔衰荡信号的高速数据采集，采集到的数据保存在计算机中。利用Origin软件对数据进行波形还原和指数拟合，通过比较相关系数完成对衰荡时间的计算。
　　通过实验测试，电子控制系统模块和光学系统模块工作正常，两大模块联合调试的实验进展顺利。在本论文中，光学系统中衰荡腔长0.5m，高反射镜的反射率为99.6％，脉冲波衰荡时间的理论值为417ns。信号采集系统成功的采集到衰荡信号，实现了高速数据采集的功能。整个系统的设备体积小、性能稳定、易于集成，解决了系统小型化的问题。由于时间仓促本系统未能进行样品测试和水下测试，还需要开展进一步的工作。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 CRDS研究现状

1．3 本论文工作与安排

2 腔衰荡光谱技术原理

2．1 CRDS基本结构器件及其定量分析

2．1．1 CRDS基本结构

2．1．2 CRDS主要工作器件

2．1．3 CRDS技术定量分析

2．1．4 CRDS技术检测灵敏度

本章小结

3 信号采集系统设计与实现

3．1 信号采集系统硬件设计

3．1．1 工控机选型

3．1．2 高速数据采集卡选型

3．2 模块配置与调试

3．2．1 设置触发源

3．2．2 设置采集模式

3．2．3 时钟设置和自动校准

3．3 信号采集系统软件设计

3．3．1 ART高速数据采集卡函数接口

3．3．2 基于接口函数的程序编写

3．4 信号采集系统调试

本章小结

4 Pulsed-CRDS信号采集系统测试

4．1 Pulsed-CRDS信号采集系统框图

4．2 光学系统

4．2．1 激光信号源和驱动电流源

4．2．2 模式匹配镜模块

4．2．3 光学衰荡腔

4．2．4 光电倍增管模块

4．3 光学系统调试

4．4 Pulsed-CRDS信号采集系统联合调试及数据分析

4．4．1 系统联合调试

4．4．2 数据分析

本章小结

5 总结及展望

5．1 论文工作总结

5．2 下一步工作展望

参考文献

附录

致谢

个人简历