TDLAS气体检测系统中FPGA控制与信号处理技术研究

摘要

经济的高速发展和工业水平的快速提高，改善社会生活水平的同时也带来了一系列环境问题，包括雾霾、温室效应等，给人体健康和生态环境带来了威胁。气体检测技术对于气体污染物监测和产业格局变革具有重要意义，其中可调谐二极管激光器吸收光谱（TDLAS）技术与传统气体检测技术相比，具有高灵敏度、高精度等优点，在气体检测领域有着广泛的应用前景。
　　本文首先介绍了TDLAS气体检测系统的基本原理，包括基本的光谱学知识和常用的气体检测方案，以甲烷气体为测试对象，选取了1653.72nm的位置作为气体吸收线，描述了基于波长调制方式的TDLAS系统方案。其次，选择了DFB激光器作为系统光源，并根据其工作原理设计了激光器的驱动部分，包括电流驱动和温度控制。电流驱动部分利用单片机控制数模转换器的输出电压来改变MOS管导通度，进而使激光器驱动电流得到调节。利用负反馈和PID算法来保持电流的恒定，并设计了限流保护和延时启动电路来保护激光器。温度控制部分，以专业温控芯片LTC1923为核心设计了外围电路。再次，设计了数字锁相放大器来提取TDLAS系统的二次谐波信号。介绍了作为锁放理论基础的相关函数概念以及相关检测和相关解调技术。根据以上原理，基于System Generator对锁放中的各模块进行建模和仿真验证，包括DDS、FIR滤波器、开方模块等，搭建了单通道锁放，并最终在单通道锁放的基础上扩展并搭建了双通道的锁放，可进一步消除相位对锁放输出的影响。基于Verilog语言在FPGA平台（Xilinx公司的Spartan6系列XC6SLX45T型主芯片）上完成了各功能模块的设计与仿真。基于以上工作，对TDLAS各功能模块以及系统特性进行测试，研究了激光器输出性能与电流源和温控模块的关系，利用设计的数字锁相放大器完成对二次谐波信号的提取，选取不同浓度的甲烷气体进行相关实验，并基于LabVIEW软件对实验结果进行拟合，完成气体浓度的反演计算，并测试了TDLAS系统的实验精度。

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第一章 绪 论

1.1 论文的研究背景与意义

1.2 常见的气体检测技术

1.3 TDLAS的技术特点和应用

1.4 TDLAS的发展史和现状

1.5 论文的研究内容

第二章 基于TDLAS的气体检测技术原理

2.1 TDLAS技术的光谱吸收原理

2.2 光谱线的线型和增宽

2.3 吸收谱线的选择

2.4 波长调制技术

2.5 谐波检测技术

2.6 TDLAS系统整体方案

2.7 本章小结

第三章 TDLAS系统的驱动设计

3.1 激光器驱动总体方案

3.2 恒流源模块设计

3.3 光源温控模块设计

3.4 本章小结

第四章 数字锁相放大器设计及仿真

4.1 数字锁相放大器的理论基础

4.2 锁相放大器总体实现方案

4.3 参考信号设计

4.4 低通滤波器的设计

4.5 单通道数字锁相放大器

4.6 双通道数字锁相放大器

4.7 本章小结

第五章 数字锁相放大器的FPGA实现

5.1 参考信号DDS的实现

5.2 乘法器的实现

5.3 FIR滤波器的实现

5.4 开方模块的实现

5.5 单通道数字锁相放大器

5.6 双通道数字锁相放大器

5.7 本章小结

第六章 TDLAS气体检测系统试验

6.1 系统光源驱动测试

6.2 TDLAS系统的信号处理

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献