连续和准连续调制激光吸收光谱的软件锁相解调比较研究

根据对激光器施加的调制信号是否连续,波长调制光谱分为连续和准连续调制激光吸收光谱技术。为了深入的比较研究这两种方案,设计准连续调制谱专用的软件锁相放大器,将准连续调制信号因间断产生的无效信号滤除后,再对吸收信号解调得到二次谐波信号。与连续激光调制谱软件解调的二次谐波信号进行了比较,结果表明,参数相同,准连续调制谱比连续调制谱的信噪比提高5%、检测限降低11.3%。在滤除无效信号后,准连续调制谱也可以解调出标准的二次谐波信号,因此有望用于与气体线型相关的研究中。该工作为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了准确依据。     

准连续激光调制吸收谱的多谐波分析

使用准连续二极管激光器进行多重调制光谱检测时,发现吸收光谱信号中存在着丰富的倍频、和频以及差频成分;从激光与气体吸收谱线的非线性作用角度研究了倍频、和频及差频等信号存在的必然性;从实验角度对信号特征进行研究,发现其中有些和频、差频成分的幅度比传统调谐二极管激光吸收光谱技术中的二次谐波信号的幅度更大,有望在准连续调制谱技术中提高检测的灵敏度。     

准连续激光调制吸收光谱的解调方法研究

针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调,设计了一种专用的准连续软件锁相放大器,对采集的数据做有效性判断、 无效数据滤除、 数字相敏检测、 数字滤波等处理,实现了准连续激光调制吸收光谱的谐波信号解调。 构建气体检测实验系统,对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验,结果表明,使用准连续软件锁相放大器的Allan方差比后者小1个数量级、 检测限低2倍。 并能够解决小占空比时的信号失锁问题,具有小的信号波形失真。     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

窄带吸收光谱扫描技术在气体定量检测中的应用

提出一种基于窄带气体吸收光谱扫描技术的气体定量测量系统。利用可调谐光纤滤波器(TOF)输出的窄带光作为探测光,结合波长调制技术,克服不同气体间的交叉敏感,提高了对环境中待测气体测量的选择性。为克服TOF非线性特性对测量结果的影响,提高系统运行稳定性,系统以光纤光栅反射光谱作为参考波长,实现了TOF透射光波长调制范围以及调制中心的稳定控制。为提高系统测试灵敏度,开发了以同步累积器为核心的微弱信号检测电路,实现了系统微弱响应信号的高灵敏度提取。以乙炔气体为实验气体,通过实验证明系统响应与输入乙炔气体浓度之间具有良好的线性关系。当信噪比为3时,系统最低检测限为5×10-6。     

调制噪声下激光检测气体吸收光谱信号处理研究

为减小调制噪声背景的干扰,提出了直接吸收光谱激光检测气体浓度反演的三级卷积降噪信号处理方法.以谱线6 612.939cm-1附近氨气分子吸收为例,分析了该降噪方法对氨气浓度反演的有效性.实验结果表明,经三级卷积降噪后的氨气原始吸收谱线信号整体均方根误差由初始8.53降至1.01,基线扣除归一化得到的氨气光谱吸收率谱线信噪比提高3.3倍;连续5次测量浓度5%标准氨气,反演浓度值平均偏差为0.0743%,相对标准偏差为1.4%,优于原始吸收谱线信号的小波降噪和不降噪处理反演值.采用三级卷积降噪方法预处理原始吸收谱线信号,提高了气体浓度反演精度,可为工业过程高浓度气体激光在线检测提供参考.     

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H₂O和CO₂等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25 μm附近的ν₂+ν₃谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH₃的测量能力,实验对H₂O,CO₂和NH₃的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH₃受较大浓度的H₂O和CO₂谱线的干扰较小,尤其是CO₂谱线的干扰可以忽略不计,且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH₃的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波信号的模拟与分析

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术,具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点。波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号,用于气体浓度信息的反演。利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink,模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号,利用锁相放大原理提取二次谐波分量。采用数字锁相,正交双通道结构实现锁相算法。通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况,分析了二次谐波信号与调制系数的关系,以便确定最佳参数,用于二次谐波的提取。     

信号处理改善波长调制光谱灵敏度的实验研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱，提出了一种新的信号处理方法用于提高吸收光谱测量的灵敏度. 研究结果表明：采用信号处理（DSP）可以使波长调制光谱的信噪比提高一个数量级,且测量CO₂分子的时候发现一条新谱线. 这些信号处理包括多次平均、数字低通滤波以及最小二乘法拟合. 由于该方法不需要增加设备的复杂性，所以比其他噪声抑制技术更容易在实验中实施、有更实际的应用价值. 关键词： 波长调制 信号处理 半导体激光器 吸收光谱     

基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、灵敏度高、精确度高、非侵入式测量等优点,被广泛应用于大气环境监测、燃烧流场诊断、工业过程控制、人体呼吸探测等领域。直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段,其中直接吸收技术测量系统结构简单、信号处理相对容易、成本较低、避免提前标定,在测量气体为常量组分时广泛使用。直接吸收技术测量气体浓度时,首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号,这一过程被称为基线拟合。基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差,这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。针对上述问题,基于梯度下降法,将基线、气体浓度、吸收线型等作为未知量,通过建立激光吸收光谱信号的数学模型,对透射信号直接拟合,最终得到气体的浓度信息。这种方法同步拟合了线型和基线,相比传统的积分面积法,增强了拟合的整体一致性。在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上,利用中心波长在1 580 nm处的分布反馈式激光器,通过该方法对实际浓度为10%,12%,14%,16%,18%和20%的CO₂进行了测量,并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。研究结果显示,六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10-4,测量浓度的最小相对误差仅为0.90%,最大相对误差为4.40%,此时迭代时间在4 s以内,计算检测限为0.39%;直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%,直接拟合法优于积分面积法。实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性,为直接吸收技术提供了一个新的思路。     

一种用于谐波检测过程中消除谐波背景方法的研究

针对可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）连续检测技术中,二次谐波背景信号存在漂移的现象,提出改变激光器中心电流实时提取背景信号,以消除连续检测过程中背景信号的漂移对浓度反演的影响。依据波长调制理论推导了二次谐波背景信号的理论表达式,并分析了实际情况下影响二次谐波背景信号的因素。给出激光器在不同工作温度时电流和输出光强度之间的关系曲线,并分析了改变激光器中心电流实时提取背景信号的可行性。结合背景信号搜索方法设计了基于LabVIEW的背景信号提取流程图。设计以氨气为检测对象的TDLAS实验系统,选取了氨气的吸收谱线以及对应的吸收中心电流。在激光器电流全工作区间内只存在唯一吸收峰的情况下,确定实验中各参数的数值及搜索背景的电流范围。实验结果表明：该方法可实时提取谐波背景信号。结合线性最小二乘法拟合反演可有效地减小检测误差及背景信号对浓度反演精度的影响,提高浓度的检测精度及准确性。在连续检测实验中,反演浓度的标准差由2.688 3降到1.856 1,减小背景信号漂移对检测浓度准确性的影响,提高了连续检测的准确性。     

基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚,是一种较为新颖的痕量气体探测手段,本文以大气中的水汽作为测量目标,开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。理论上,首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析,得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案,并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。实验中,以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源,采用激光器波长调制和2次谐波探测技术,首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。QEPAS系统经过优化后,获得了5.9 ppm的探测极限,同时对不同浓度的水汽进行了测量,实验数据线性拟合后,得到R-Square为0.98,证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。最后,运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术,对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量,实验结果表明,该系统性能稳定,具有良好的连续测量能力,可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。     

相敏式激光啁啾色散光谱技术在高吸收度情况下的应用

研究了相敏式激光啁啾色散光谱法在高吸收度情况下的应用.用窄频半导体激光器作为光源,利用一工作于载波抑制模式的铌酸锂电光强度调制器调制单频激光,在单频激光两侧产生两个边频分量,并通过两边频分量产生外差干涉信号.利用外差干涉的相位波动来测量甲烷气体位于1653.7 nm附近的折射率波动,通过气体折射率与吸收系数之间的Kramers-Kronig关系计算甲烷气体浓度.传统的波长调制光谱法受限于郎伯-比尔定律,在应用于高吸收度的情况时,存在灵敏度下降的问题,甚至出现随气体浓度上升输出信号反而下降的现象.实验结果显示,相同实验条件下,波长调制光谱法的线性测量范围为38.1—1500 ppm·m,线性测量的动态范围仅为16 d B;而相敏式激光啁啾色散光谱法在很大的吸收度范围内均具有线性输出,检出限低至47.3 ppm·m,线性测量范围上限为174825 ppm·m,具有超过35 d B的动态范围.     

调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性,扫描待测气体特征吸收线,从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果,检测限低于体积比1.2×10-6,与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单,自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测,该方法不用加信号调制和锁相放大器,直接探测待测气体的吸收光谱,从而降低成本,减小系统装置体积,易于集成为便携式痕量气体检测仪。     

一种用于一次谐波背景消除与基线校正的新型方法

针对可调谐半导体激光吸收光谱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.分析了一次谐波背景中的激光器相关强度调制信号,电子学噪声和光学干涉条纹,采用无吸收谱线区域检测谐波方法消除背景信号.给出了激光器不同工作温度时的电流和强度之间的关系曲线,由此设计出消除背景后剩余基线的校正方法.文中给出了背景搜索方法的原理以及LabView软件流程图.设计了检测氟化氢气体的实验系统,根据谱线选取原则确定吸收谱线为1312.59 nm,设置激光器的工作温度为27.0?C,对应的背景温度为30.2?C.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,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HF气体浓度精度的改善进行了定量分析,为一次谐波信号的后续处理提供了方便.     

基于中红外量子级联激光器和石英增强光声光谱的CO超高灵敏度检测研究

采用石英增强光声光谱(QEPAS)技术对CO痕量气体展开检测研究. 为了实现超高灵敏度探测, 采用输出波长为4.6 μm的新颖中红外高功率分布反馈量子级联激光器为光源, 实现了对CO气体基频吸收带的激发与测量. 在优化了调制深度、气体压强和提高了CO分子的振动-转动弛豫速率后, 获得了1.95 ppbv的优异探测极限. 在分析检测结果的过程中, 讨论了能级寿命对信号强度的影响, 并对QEPAS信号强度的表达式进行了修正.     

基于可调谐多模二极管激光吸收光谱的二氧化碳浓度测量

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点,是气体探测中的主流技术。使用多模二极管激光器作为光源,将多模二极管激光吸收光谱技术与关联光谱技术相结合有助于提高测试可靠性和稳定性,同时还可有效解决单模二极管激光器长时间工作时中心波长随外界温度或机械特性的变化而发生偏移的问题。以1 570 nm多模二极管激光器为光源,利用多模二极管激光关联光谱和波长调制的气体测量技术(TMDL-COSPEC-WMS),通过计算待测气体和参考池气体之间二次谐波信号峰值高度之间的关系,实现了对二氧化碳浓度的测量。实验中二氧化碳浓度测量范围在0.6%～30%之间,计算结果表明,二氧化碳浓度与真实浓度值之间具有良好的线性关系,其线性度为0.998 7,线性拟合的斜率为1.061±0.016 8。对二氧化碳与氮气混合气体的连续测量结果表明,系统的探测极限达到335 ppm·m,对同一样品在20 min内的20次连续测量的标准偏差为0.036 7%,表明了系统良好的稳定性,所有测量结果都显示了系统用于二氧化碳气体监测的有效性。