多次反射气体池的可视化测量与评价方法

发布时间：2020-04-30 12:52

【摘要】：多次反射长光程气体池(Multi-pass Cell,MPC)是多种光谱测量技术的核心部件之一,但对于影响提高光谱测量精度的MPC光程长、多径传输等特性的测量方法中,存在测量精度低、测量时效性差以及实际使用和对MPC进行测量的系统差异造成测量不准确等问题。因此本文提出频率调制连续波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)前向出射外差干涉测量方法,以实现MPC的高精度的在线实时可视化测量和调节。本文工作主要包括:第一,提出了硬件反馈式和软件重采样两种激光器频率调谐线性化校正方法。硬件反馈式方法采用迭代的方式根据辅助干涉仪测得的激光器的频率调谐特性,利用反函数算法计算激光器的下一次注入电流波形,该反馈校正方法不存在失锁问题。用该方法将激光器的频率调谐特性线性拟合残差从11.93 GHz降低到0.03 GHz,降低了3个数量级,MPC系统光程差为3144.9mm下校正后空间分辨率为3.5mm,比未校正的空间分辨率至少提高3个数量级。软件重采样方法不需要改变激光器注入电流等硬件条件,利用辅助干涉仪对测量路产生的干涉拍频信号直接进行软件重采样校正。校正前后得到激光器的频率调谐特性线性拟合残差从11.75GHz降低到7.21×10~(-4)GHz,提高了5个数量级。MPC系统光程差为7630.4mm下得到校正后空间分辨率为4.0mm,比未校正的至少提高4个数量级,而且软件重采样方法噪声水平为-80dB比硬件反馈式的噪声水平-60 dB低两个数量级。第二,首次提出了采用FMCW结合反馈式校正方法的外差干涉前向出射气体池系统测量方法。由于反馈校正方法相对于软件重采样方法的测量系统简单,并且对于较大的干扰拍频能够满足调节的需要,因此,采用反馈式校正方法搭建气体池在线实时可视化测量和调节的软硬件系统,并实现对气体池的有效在线可视化测量和调节。在光程差为8.45m情况下在4.75m处存在的由于多径反射形成的拍频干扰,经过调节气体池的微调旋钮后去除了4.75m处干扰峰值。第三,为了进一步提高空间测量分辨率,针对激光器频率调谐带宽,利用光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflection,OFDR)做光源,激光器的频率调谐范围从GHz增大到THz,并结合重采样方式首次实现了对气体池的前向出射高分辨率测量。校正前后得到激光器的频率调谐特性线性拟合残差从15.11GHz降低到1.97×10~(-4)GHz,降低了5个数量级,空间分辨率从45.434mm提高到0.071mm,提高640倍。在气体池中实际光程位置约1575mm处,前向测量得到的空间分辨率0.152mm比OFDR后向测量方式的空间分辨率0.427mm高2倍以上,实现了对气体池的高分辨率测量。并且对MPC进行多次调节,采用波长调制吸收光谱测量气体浓度方法验证了调节的有效性。
【图文】：

t——调频时间变量；( ) ( )b af t f t （1.测量光与本振光形成的拍频信号光强 I 如式（1.5）所示：2 cos[( ) ]a b a b a bI I I I I t （1.Ia——本振光光强；Ib——测量光光强；——两路光的相位差；将式（1.3）和（1.4）带入式（1.5），得到式（1.6）：2 cos[2 ]a b a bLI I I I I k tc （1.c——光速；ΔL——本振光路和测量光路的光程差；从式（1.6）得到光程差与拍频频率的关系如式（1.7）所示，根据该式得到被测标的距离信息：cL fk （1.

图 1.3 拍频形成原理[55]10波激光扫频干涉测距原理是假设激光调频是理想线身很难做到出射光频率调谐是理想线性的，一般都会拍频的频谱展宽，从而导致空间测量分辨率的下降得高精度测量至关重要，所以国内外对非线性校正技[56]等人采用主动碉啾线性化对激光器调频非线性进进行测距，利用带宽和线性度的增加，产生的距离分了对 1.5m 距离测量只有 86nm 的测量误差，但是这出现反馈环路失锁现象。 Dale[57]等人提出了采用频率扫描干涉（FSI）技术的SI，使用两个频率扫描激光器、气体吸收池和参考干未知光程长度差。气体吸收池是测量系统的长度基国际标准。利用测量和参考干涉仪信号之间的相位之得到被测距离，测得 0.2m 距离的相对测量不确定度
【学位授予单位】：北华航天工业学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248;O433.1

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本文编号：2645786