可调谐二极管激光吸收光谱中的高精度气体检测技术研究

摘要

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术具有高灵敏度、高特异性、高谱线分辨率，已经成为现场痕量气体检测的一种有效的方法。从发展进程看，国内外已经报道了很多大气检测应用并取得了成功，但仍有需要解决的问题。本课题在这种背景下，研究TDLAS的高精度气体检测技术，主要研究在气体检测中的消除背景和减小误差等技术，具体包括系统仿真模型、激光器特性、二次谐波背景消除技术和一次谐波背景消除与基线校正，主要内容和创新点如下：
　　1、TDLAS系统仿真建模。建立TDLAS系统仿真模型，对系统中光源、气体吸收池、信号检测模块分别进行了建模。讨论了强度调制的线性部分和非线性部分对二次谐波波形的影响，得到二次谐波畸变及剩余幅度调制（RAM）形成的根本原因。给出了由标准具产生的光学干涉条纹信号的变化规律，分别仿真出长标准具与短标准具对谐波的影响情况。为谐波信号中的背景成分分析提供了理论依据和指导。
　　2、激光器特性研究。包括激光器的调谐特性、相对强度噪声（RIN）、激光器扫描步长和线宽特性。给出了激光器输出波长调谐特性曲线和一次、二次拟合结果及表达式，提高了波长对应精度。研究了RIN对光电探测器电流的影响，给出了不同条件时探测器的电流噪声谱密度与调制频率之间的关系曲线，为系统参数的选取提供依据。详细分析了具有一定线宽的激光器出射激光与气体吸收谱线的关系原理，提出了扫描信号引起激光器扫描步长的产生原理，确定系统允许的锯齿波台阶数。文中通过仿真，在不同气体吸收半高全宽（FWHM）条件下，得出激光器线宽与气体吸收谱线最大幅值及产生的线宽误差关系曲线；给出激光器线宽确定时允许的最小 FWHM（FWHMmin）及适用的温度和压强范围。激光器特性的研究可以提高波长对应精度，减小 RIN噪声及扫描误差、线宽误差，最终为提高气体检测精度提供了相关理论依据。
　　3、二次谐波背景消除技术的研究。在应用 TDLAS技术的开放式和密闭式气体检测中，当进行背景消除时，存在无法更换气体、不便增加装置或增加系统复杂性等情况。本文提出一种基于无吸收谱线区域检测谐波（HDINASR）的背景消除方法，通过改变激光器工作温度改变发射波长至无吸收谱线区域，利用标准背景信号搜索最佳背景位置，实现背景消除。文中设计出背景分离技术、搜索方法以及谱线选取原则，分析了系统背景信号的稳定性，以参考信号和待测信号的背景消除前后相关程度来描述背景消除的效果。此种方法的优点是可以避免更换气体，为开放和密闭式的气体检测提供一种有效的背景消除方法。
　　4、一次谐波背景消除与基线校正技术的研究。针对 TDLAS一次谐波信号中具有背景信号及较大的基线信号，提出一种新型的背景消除与基线校正的处理方法。该方法分为两步，第一步利用HDINASR进行背景消除；第二步进行基线校正：第一步背景消除后会有一个剩余基线，通过选取水平基线的一部分采样数据进行直线拟合，实现基线校正。一次谐波信号经过背景消除和基线校正后，信号的畸变得到明显改善，基线得到校正。文中验证了该方法在激光器其他工作温度（26.7-27.2℃）是有效的，并对氟化氢（HF）气体浓度检测精度的改善进行了定量分析。该方法为一次谐波信号的后续处理提供了方便。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 TDLAS技术发展及课题研究现状

1.3本文的研究内容与结构安排

1.4 本章小结

第二章 光谱理论及系统结构

2.1 气体吸收光谱理论

2.2 直接吸收和谐波检测技术

2.3 光谱信号成分理论

2.4 系统结构

2.5 本章小结

第三章 TDLAS系统建模

3.1系统各功能模块建模

3.2强度调制分析

3.3光学干涉条纹分析

3.4 本章小结

第四章 激光器特性研究

4.1激光器调谐特性

4.2 激光器RIN噪声

4.3 激光器扫描步长特性

4.4激光器线宽特性

4.5 本章小结

第五章 二次谐波背景消除技术

5.1 二次谐波背景信号成分

5.2 背景消除技术

5.3 HF吸收谱线与激光器温度选择

5.4 二次谐波信号相关数据处理

5.5 本章小结

第六章 一次谐波背景消除及基线校正技术

6.1 一次谐波背景信号成分

6.2 背景消除与基线校正技术

6.3 一次谐波信号相关数据处理

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 课题研究总结

7.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢