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基于掺铒光纤激光器的环腔式气体分析技术研究

姜媛媛  
【摘要】: 检测有毒有害气体和易燃易爆气体对于环境保护和安全生产具有重要的意义。实现对多种气体的现场检测是气体分析领域一直追求的目标,但是传统气体检测的方法或是有局限性,或是需要化学试剂,或是成本太高,无法实现这一目标。本课题旨在研究一种可以定性定量检测多种气体的高灵敏度气体分析技术—基于掺铒光纤环腔激光器的环腔式气体检测技术。 基于掺铒光纤激光器的环腔式气体检测技术将气室置于激光谐振腔内,利用光子在腔内谐振形成激光的过程多次经过气室,大大增加了有效光程长,提高了气体检测的灵敏度;结合掺铒光纤激光器宽波长覆盖范围,可以完成多种气体的定性定量测量;并将波长调制技术应用于本系统中,进一步提高了检测灵敏度和精度。本课题以乙炔为例,探讨了腔内传感技术的可行性,分析了其定性定量检测的精度。 本课题主要完成以下工作: 首先搭建基于掺铒光纤环腔激光器的腔内气体传感系统,研究影响其灵敏度的主要因素。并利用布拉格光栅定标实现高波长准确性的定性检测,为多种气体成分的检测奠定了基础。最后对系统的定量检测的性能做出评价,通过测量已知浓度的标准气体,对系统的重复性、检测精度和检测极限等进行评价,分析误差产生的原因及消除办法。 针对基于掺铒光纤环腔激光器的腔内气体传感系统噪声大、受背景连续光谱包络影响等特点,研究谱线去噪和提取的算法。根据小波变换多分辨率的特点,对受噪声污染的光谱信号进行小波变换,按照Birge-Massart策略对其小波系数进行阈值处理,实现在保留吸收峰信息的同时去除噪声的目的。结合小波变换零交叉法对去噪后的光谱信号进行连续谱拟合,拟合精度高,降低了吸收峰强度的提取的误差,提高了浓度反演的精度。 将波长调制技术应用于本系统中,通过数值模拟证明谐波检测技术在本系统中的可行性。通过测量已知浓度的标准气体,证明应用波长调制技术比静态扫描光谱在重复性、检测精度和检测极限等方面都有明显的改善。


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