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可调谐激光二极管吸收光谱谱线畸变校正及数字调理技术研究

梁波  
【摘要】: 随着世界经济的全球化,能源与环境问题也日益突出。提高能源利用效率和控制污染气体的排放逐渐成为了世界的共识,监测污染气体的排放是治理改善的前提,可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)最具代表性,但它也存在的问题是二次谐波畸变和未实现全数字化调理。针对这一问题本文主要目的是研究可调谐激光二极管吸收光谱仪器中残余光强幅度调制对谐波探测和全数字化信号处理的影响,提出同步抑制的方案,搭建了基于电压可调谐光强衰减器(MEMS VOA)的光强残余幅度调制的补偿实验系统平台,并针对二氧化碳气体进行了相应的补偿实验。 本文首先简单介绍了TDLAS技术基本原理以及气体吸收谱线线型函数的基本理论,推导了基于波长调制技术的二次谐波检测理论,提出了波长调制技术的实现方案,并且分析了该系统的噪声来源类型以及控制方案。 本文分析了TDLAS气体浓度检测系统的光强残余调制的影响,并针对光强残余调制提出了基于可调衰减器的同步补偿系统方案,以高斯光束传播理论分析并设计了具有准直会聚光学系统的气室,介绍了锁相放大技术对弱信号的提取,并对基于FPGA的数字锁相放大电路进行了初步的研究,完成了主要功能模块的设计仿真。 根据补偿方案搭建了TDLAS光强残余调制补偿实验系统平台,包括光路系统,dSPACE AutoBox信号仿真箱信号,建立波长调制和衰减器驱动信号控制模型;进行了可调谐激光二极管的特性测试实验和无吸收气体的补偿实验,确定了衰减器驱动模型的参数,获得较好的残余光强调制的线性和余弦的补偿效果;进行了CO2气体吸收的补偿实验,通过补偿前后吸收信号的频谱对比,论证了补偿效果,通过锁相放大器得到了补偿后的二次谐波信号,残余光强调制引起的线型畸变和一阶谐波信号分别降低到补偿前的20%和0.1%。 本文提出的在光路中加入与波长调制信号同步匹配的残余光强调制补偿方法,对提高TDLAS信号处理水平、提高TDLAS应用水平具有一定的指导意义。


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