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。     

基于TDLAS的CO检测系统调制参数优化与温度补偿

在可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术中,携带气体浓度信息的二次谐波信号易受激光扫描信号与调制信号的幅值、频率等参数影响。基于TDLAS技术搭建了CO浓度检测硬件系统,与对应仿真模型进行比较分析,研究了调制参数对二次谐波信号峰值、信噪比、对称性以及峰宽的影响,总结出具体变化规律。实验确定了系统最优调制参量,在硬件不变的情况下提高了检测精度。对CO在1567.7nm的吸收光谱进行了检测,发现测量浓度随着温度的升高而降低,最大相对误差已超过15%。为了减少温度变化对测量的影响,分别采用RBF及BP神经网络、PSO优化BP神经网络和WOA优化BP神经网络算法对系统进行补偿。结果表明,WOA优化BP神经网络方法的补偿效果最好,修正后浓度相对误差降至1%以下,有效提高了系统在变温环境下的准确性和稳定性。研究为系统的调制参数设置以及精准检测提供参考,为后续实验提供了有价值的指导。     

开放型TDLAS-WMS技术CO2痕量气体检测

采用窄线宽、边模抑制高的DFB激光器研制一套开放型TDLAS波长调制技术气体检测装置.选取2004 nm处CO2分子吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器进行调制、解调后的二次谐波信号幅值检测气体浓度大小.设计基于开放环境中的Herriott型气体吸收池,使用ZEMAX非序列模式进行吸收池仿真,光线追迹后理论光程可达到13...     

TDLAS气体检测系统仿真与影响因素分析

船舶运输作为大宗货物的重要流通手段,为我国经济社会发展做出了巨大贡献,但与此同时船用柴油机带来了严重的污染排放问题。在全球排放限制日益严峻的背景下,实现对其排放参数的实时监测,对环境保护、节能减排、优化柴油机控制策略与燃烧性能等都具有重要意义。近年来可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术因其精度高、响应快等优点逐渐受到青睐,该技术的广泛应用对其的研究提出了更高要求,因此利用数学软件对其进行仿真模拟,对测试系统的开发、参数调整都具有一定价值。结合目前的船舶排放检测问题,以其中最具代表性的污染物NO为目标气体,利用软件制作了气体浓度测量仿真模型。检测系统仿真模型主要由光源调制、线型函数拟合、模拟气体吸收、线强函数S(T)拟合、锁相放大器等各部分组成。采用波长调制的方法对浓度测量过程进行仿真,将高频正弦波和低频锯齿波相叠加用以调谐激光,激光经过气室进行模拟吸收后,信号经过锁相放大器调解得到各阶谐波信号。将二次谐波比一次谐波的峰值点作为信号,采用最小二乘法进行浓度-信号幅值曲线拟合并以此进行浓度反演和误差计算,反演误差在2.5％以内。分析了温度、压力等环境因素对信号幅值的影响并绘制了谐波图线,通过引入参考气室来消除环境波动对结果造成的影响,在环境变动时不需要重新拟合浓度-峰值曲线,可直接得到结果。尝试了不同的正弦波频率和调制系数等参数,分析了调制参数对信号幅值的影响,选取了较为合适的参数范围。为柴油机在线排放测试系统的构建和参数选择提供了一定参考。     

基于Gabor变换的TDLAS检测信号的降噪研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术结合波长调制光谱(WMS)技术是用于痕量气体检测的重要技术手段。通过锁相放大器进行谐波检测,对解调得到的二次谐波信号进行分析可获得气体吸收的信息。但由于二次谐波信号受到噪声的影响,降低了检测系统的精度和稳定性。为了提高TDLAS检测系统的信噪比(SNR),提出了一种基于Gabor变换对二次谐波信号进行数字滤波降噪的方法。以CH₄在1 653.72 nm处的吸收光谱为例,通过仿真和实验对该降噪方法的有效性进行了验证。仿真结果表明,通过Gabor变换对信噪比为0dB的二次谐波信号进行处理后,系统的信噪比可提高15.73 dB。实验结果表明,基于Gabor变换进行降噪处理后,CH₄浓度在0.001%～0.02%区间内与二次谐波峰值的线性相关系数r达到了0.996 59,且系统的检测精度和稳定性明显提高。     

中红外痕量乙烷传感器设计与稳定性分析

根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性,使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理,给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响,使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。结合原理框图,通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案,描述了自主研制的软、硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考,并给出传感器光学配置实物图。而且,为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽,对气压和调制深度进行优化,研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系,最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1,对应的调制信号幅度为~0.026 V。此外,基于优化后的气压和调制深度,使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。详细介绍了ICL扫描调制信号、锁相放大及数据采集单元的参数设置,并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号,估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。最后,使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试,并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。而且,使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。结果显示,该系统工作稳定,积分时间为4 s时,乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。通过增加系统积分时间至63 s,系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。     

中红外谐波检测背景信号漂移的修正方法

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）由于具有高灵敏度、高分辨率、非侵入及实时检测等特点,被广泛应用于燃烧诊断、痕量气体监测、工业过程控制等领域中。波长调制光谱（WMS）的二次谐波（2f）检测是最常用的TDLAS气体传感方法之一。激光器作为TDLAS-WMS在线检测系统中最核心的部件之一,在长期运行过程中会由于其工作温度等因素变化,引起输出激光波长漂移和2f背景信号基线变化,从而导致气体浓度反演的精确度和TDLAS-WMS在线检测系统的稳定性降低。针对上述问题,根据NO气体分子在中红外波段5.176~5.189 μm的基频吸收特性,选择峰值发射波长位于5.184 μm的分布反馈式连续波量子级联激光器（DFB-CW QCL）,分析了输出激光中心波长对应的峰值采样点位置随采样时间变化的漂移规律和2f吸收及其背景信号的漂移特性。基于上述分析,提出了以2f信号平均峰峰值替代2f信号峰值建立气体浓度反演模型以修正2f背景信号基线漂移,并结合以信噪比最优为2f背景信号波长漂移修正原则的2f背景信号漂移综合修正方法,以消除TDLAS-WMS在线检测系统长期连续检测过程中2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的不利影响。研究结果表明,2f信号平均峰峰值随配置的NO样气浓度的增加而增大,这两者呈现较好的线性关系,其拟合曲线的线性拟合度R2达到了0.999 9。在使用体积浓度为20×10-6 NO气体样品开展的连续60 min监测实验中,波长漂移修正后,反演浓度的标准偏差由波长漂移修正前的0.19×10-6下降到了0.07×10-6,反演浓度的最大相对误差由波长漂移修正前的6.30%下降到了3.85%,相对误差均方值由波长漂移修正前的24.39%下降到了9.99%。结果显示,该2f背景信号漂移综合修正方法可以有效地抑制2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的影响,显著提高了TDLAS-WMS在线检测系统连续监测的灵敏度、精确度和稳定性。     

一种基于谱线幅值归零的加窗插值FFT谐波检测方法

提出了一种基于谱线幅值归零的加窗插值 FFT 谐波检测方法用于分析复杂电网信号中的各次谐波。 该检测方法将每一次在离散频谱中找到的最大谱线及其左右两侧的数根谱线幅值归零,直到各次谐波分析完毕。 通过仿真实验分析了在基波频率稳定时对模拟信号的测量精度,研究了基波频率波动对谐波分析的影响。通过对EAST 实验数据的分析,验证了该谐波检测方法的可行性和高精度性。     

光声光谱与TDLAS技术在不同气压下的特性研究

基于PAS与TDLAS的基本原理,讨论了两者之间的联系,推导了光声信号和TDLAS信号与气压的关系式,设计并构造了一个可以同时进行PAS与TDLAS气体测量的对比装置,并对两者在不同气压条件下的测量结果进行了分析和研究,为不同气压条件下的气体测量技术选择提供了参考。试验研究表明：随着气压上升,光声光谱与TDLAS信号均变大,极限检测灵敏度均提高;随着气压上升,气体吸收能量转化为光声信号的效率变低;在低压时,使用光声光谱进行气体检测具有更好的效果。     

可调谐二极管激光吸收光谱技术参数选择及优化

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)系统性能受调制参数,如调制度、调制频率、扫描幅度及扫描频率影响,实际测量中各参数不存在明确的选择依据。针对此问题,文章在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响,通过分析检测信号的特征,如幅值、信噪比、对称性及峰宽得出其变化规律,总结出在不同系统功能和需求下系统各调制参数的优化依据及方法。系统在计算浓度和温度时应优先考虑幅值和信噪比,从而使调制度达到最佳值,调制频率和扫描频率取较小值;在线形推导压强时优先考虑信号的对称性和峰宽,根据计算的具体要求确定调制参数;扫描幅度的确定以得到完整谐波信号为准;再根据系统的速度和精度需求调整扫描频率。该研究为此类系统工作状态的确定提供了实验依据。     

基于波长调制技术的激光器调制特性研究

在流场诊断技术中,可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一,其可实现非接触、原位检测。波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法,在目标含量很低或者极端流场环境下,波长调制技术呈现出更多的优势,检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。在近红外波长调制技术应用领域,分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一,无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合,还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数,吸收模型的准确建立均十分重要。在模型建立时,激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。为解决吸收模型准确建立问题,提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法,通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性,研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度,调制频率以及工作温度的变化。根据该方法得到的调制参数,建立吸收模型,测得常温下空气中水汽浓度为1.97%,直接吸收方法测得浓度为1.99%,验证了该测量方法的准确性。研究表明,调制深度随调制幅度的增加线性增加,随调制频率的增加非线性单调减小,随工作温度的升高线性增加;激光器的出光强度和频率同时被调制,强度变化超前频率变化的相位,随调制幅度的变化不明显,随调制频率的增加单调增加,随工作温度的升高单调减小;归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加,随调制频率的增加而减小,随工作温度的变化不明显。在吸收光谱应用领域,波长调制技术发挥的作用愈加重要,调制系数与谐波信号的峰值息息相关,在波长调制技术应用时,选取适当的调制参数,有利于得到合适的谐波信号,可通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数。研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性,该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究,利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。     

L-M非线性拟合的TDLAS氧气测量研究

氧气浓度是工业生产过程中重要监测参数,采用可调谐二极管激光吸收光谱法(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS),结合波长调制技术,可以实现对现场氧气浓度的高精度在线监测,利用氧气位于760 nm处的特征吸收峰进行了氧气浓度的测量。由于激光具有很强的相干性,所以TDLAS技术的检测灵敏度受到光学干涉噪声的严重制约,特别在低浓度时,光学干涉引起的基线起伏使得提取吸收峰波形信号时出现较大误差,影响了TDLAS分析仪的监测灵敏度。针对这一情况,采用了Levenberg-Marquardt非线性拟合算法,并且利用了吸收谱线线型——洛伦兹线型的导数形式对波长调制后获得的二次谐波波形信号进行拟合,提取波形信息。另一方面Levenberg-Marquardt非线性拟合方法需要有大量的计算,为了使研制的TDLAS分析仪能够实现现场的实时监测,采用了支持浮点运算的DSP的C28系列芯片进行数据处理,实现仪器在现场实时监测的功能。实验结果表明,该算法能够有效提取二次谐波信号的吸收峰特征值、克服背景噪声影响,由算法反演得到的氧气浓度与实际浓度的线性比值为1.01,浓度测量的线性误差为1.18%。     

封装西林药瓶残留氧气检测中的谐波基线校正和去噪方法

可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术的成熟和快速非接触气体浓度测量的优点,十分适合用于对封装西林药瓶内残留氧气进行浓度检测。采用TDLAS技术对封装西林药瓶内残留氧气进行浓度检测,检测系统的光路经过空气和玻璃药瓶,玻璃瓶壁对激光的散射和衰减是检测系统的主要干扰,给二次谐波信号的稳定性带来了很大影响。设计和搭建了基于TDLAS的封装西林药瓶残氧量检测系统。针对从系统中提取出的二次谐波信号,提出了一种基于小波变换的基线消除和噪声滤除方法, 解决在残留氧气浓度检测过程中基线漂移和噪声干扰问题,克服玻璃瓶壁对二次谐波信号的干扰,效果明显。选用“sym6”小波,将实验测得的信号进行五层小波分解,根据每一层小波分解得到的低频分量求出相应的基线斜率,对五个基线斜率进行加权平均得到原始信号的基线斜率。由求得的基线斜率,对原始信号经过去基线处理,再进行小波分解和软阈值处理后得到重构信号。对氧气浓度为21%的西林瓶的测量结果表明,处理后谐波信号和理论信号之间的相对误差由处理前的1.26%下降到了0.12%,证明了此方法可以很好地解决在残留氧气浓度检测过程中基线漂移和噪声干扰问题,克服玻璃瓶壁对二次谐波信号的干扰,为氧气浓度测量提供很高质量的信号。     

折射率调制矩阵的Bragg光栅光谱分布特性研究

为了实现对光纤光栅回波光谱分布的控制,利用传输矩阵法构建了分段调制折射率的数学模型。通过在各个分段中以不同形式的折射率调制组合实现对回波光谱分布的控制,研究了基于不同折射率分布条件下的谱形特性,为实现获取任意形态的Bragg光谱分布提供了理论支撑。系统结合耦合模理论与矩阵传输算法,当分段后子光纤光栅尺寸符合边界条件时,即仍可应用耦合模理论计算,同时又可以将多段的耦合方程以正、反向模式的形式通过矩阵函数进行表达。由此可知,虽然任意折射率调制组合构成的整个光纤光栅不具备通解形式,但分段后的子光纤光栅具有可解析的特性,同时再利用矩阵传输算法可以将m段子光纤光栅的正反向模式进行计算,就能将任意形式光纤光栅的折射率调制函数转化为传输矩阵组,再对其反射率分布场进行解析。最终,可以得到整个光纤光栅的等效正、反模式,即实现回波光谱分布的控制。由理论部分可知,回波光谱分布特性主要受正反向导模耦合系数、纤芯位置、分段数决定,可由(z)和k(z)表示。通过MATLAB仿真分析可知,两参数在(0, 1)范围内对反射率函数具有明显的调制作用。随着控制参数阶数的增大,反射率调制斜率也会增大;当k(0.38, 0.48), (0.52, 0.58)时,反射率调制符合单调特性。从而得到了不同控制参数条件下反射率函数的分布变化,讨论了耦合系数对回波谱形控制的量化效果。实验利用AVESTA公司的Ti: Sapphire飞秒激光器完成了四种不同结构光纤光栅的制作,采用了四种折射率分段调制的FBG结构,分别是：①在m段中Λ₁和Λ₂交替均匀分布;②在m/2段中Λ₁和Λ₂交替均匀分布,其余段随机分布;③在m/2段中Λ₁和Λ₂随机分布,其余段也随机分布;④在整个光纤光栅段折射率随机分布。对以上四种FBG的回波光谱分布进行测试与比较,可知采用分段折射率调制对Bragg光谱特性的作用效果。实验结果显示：当以矩阵组形式的FBG若在m段分布时,则与传统串联型均匀FBG测试效果一致,具有两个明显的Bragg特征峰;而矩阵组在m/2段中分布时,测试光谱仍能明显获取折射率调制特征信息,即存在两个Bragg特征峰,但峰峰值减小,噪声谱增大,半宽变窄。同时,相比交替模式而言,随机分布形式此种变化趋势更为明显。由此可见,通过控制矩阵组分布对回波谱形中特征峰值、半宽及功率谱进行调制。该方法在预先设计折射率调制矩阵的条件下,可以对Bragg光谱分布进行精确控制,实现目标回波谱形的获取。     

TDLAS波长调制压力测量法参数优化

使用TDLAS技术进行动态压力测量已经成为压力测量领域的研究热点。波长调制法实验装置较为复杂,需要对多个参数进行设置,选择出最优的预设参数能够取得更好的实验效果,获得更高的测量精度。目前波长调制法的实验参数设置基本凭借个人经验,使用Matlab程序仿真结合波长调制法的TDLAS测量技术,能够对实验中需要进行预设的重要参数进行了分析。通过计算4990cm-1波段和6330cm-1波段附近的多条吸收峰,发现4990.09cm-1波段处的吸收峰更适合作为波长调制法的测量波段。以4990.09cm-1处的吸收峰为研究对象,进行了波长调制法压力测量仿真建模,计算了调制度、调谐频率和调制频率对二次谐波幅值和对称性的影响并深入地分析了影响因素,总结了其变化规律。在综合考虑抗噪性能和测量精度的情况下,选择了调制度为2.5,调谐频率30Hz,调制频率5kHz为最佳实验参数。基于Matlab的仿真模型能够快速计算大量参数点,更加直观地分析出对参数的影响趋势,为实验仪器和预设参数的选择提供依据。     

相对误差最小二乘法的TDLAS气体浓度标定曲线拟合

可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）是光谱检测技术的一个分支,具有高灵敏度、高分辨率、实时监测、便携性好、小型化等优点,在工业环保、医疗检测、气象监测等领域得到了广泛应用。TDLAS气体传感器的测量精度与标定曲线密切相关,标定时,常用最小二乘法对标定曲线进行多项式拟合,但最小二乘法是以绝对误差的最小平方和作为评价标准,无法对相对误差进行约束,在低浓度量程下TDLAS气体传感器的标定曲线相对误差偏大,限制了标定量程。推导了光强透射率对数与气体浓度关系式作为目标函数,提出了基于相对误差意义下的最小二乘法,迭代方法采用高斯-牛顿迭代法（Gauss-Newton iteration method）,实验以雅士林DHS-100恒温恒湿箱来产生大量程范围的水汽标定浓度,Vaisala HMT337在线湿度检测仪的测量值作为标定浓度,自主研发的TDLAS湿度传感器选择波数为7 306.752 1 cm-1的水汽吸收峰,气室的光路长为50 mm,对1%~50%VOL的水汽浓度进行了拟合标定,对比了最小二乘法与相对误差最小二乘法的标定拟合结果。实验结果表明：采用最小二乘法拟合时,在低浓度量程下会出现较大的相对误差,高浓度量程下相对误差逐渐减小,无法保证整个大量程下测量精度要求;采用相对误差最小二乘法拟合时,在整个大量程范围下的相对误差波动比较小,相对误差分布曲线比较平稳,最大相对误差和相对误差标准差都远小于最小二乘法的拟合结果;以Ratio-C关系式作为目标函数,采用相对误差最小二乘法进行拟合标定时,最大相对误差为0.049 4,相对误差标准差为0.023 7,远优于最小二乘法的拟合结果,符合TDLAS传感器测量精度要求,验证了相对误差最小二乘法的标定算法可靠性,提高了TDLAS气体传感器的测量精度。