TDLAS技术气体检测二次谐波信号的仿真与分析

发布时间：2025-03-19 06:26

　　 可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术结合半导体激光器可调谐的特点及气体分子对特定波长能量光的吸收特性,凭借灵敏度高、响应时间短等优势广泛应用于气体浓度检测。TDLAS技术气体浓度检测包括波长调制、气体吸收、二次谐波解调等环节,吸收信号的二次谐波分量携带气体浓度信息,用于计算气体浓度。利用MATLAB对气体检测过程进行了信号仿真,并利用数字锁相放大算法提取了二次谐波信号,验证了二次谐波与气体浓度的关系。通过仿真分析了二次谐波信号随调制系数的变化关系,以便确定较佳的调制参数,为后续系统搭建与气体检测实验提供参考。

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【部分图文】：

图1 调制后的激光器输出信号

如图1所示为调制后的激光器输出信号。在实际系统中，激光器的输出中心波长和输出功率会随着注入电流的不同发生较为复杂的变化[9-10]。半导体激光器的非线性影响因素仿真中一般难以实现，因此忽略非线性影响得到激光器输出信号与驱动调制信号波形一致。3.2气体吸收信号仿真

图2 气体的Lorentz吸收线型

气体的吸收光谱在地球低空附近主要由碰撞展宽引起，自然展宽和多普勒展宽可忽略不计[11]，因此仿真气体吸收光谱线时可近似认为是Lorentz线型，CO2吸收谱线强度等相关参数可通过HITRAN数据库查询。为方便仿真，Lorentz线型函数中的相关参数设为比实际数值大的简单整数或小数....

图3 探测器测得的的调制吸收信号

在气体吸收池内覆盖气体吸收谱线的光能量被气体充分吸收，探测器测得该调制吸收信号如图3所示，图中凹陷处便对应气体吸收能量最多的吸收峰处，探测信号包含了激光器的调制信号。3.3二次谐波信号仿真

图4 锁相解调的一次和二次谐波信号

利用锁相放大器可从调制吸收信号中提取出二次谐波，进而推出气体浓度。锁相放大器的实质为傅里叶变换器，由相关检测原理可知，其输出信号只与输入信号中与参考信号一致的频率有关，其他频率的信号不会对输出信号产生影响[13-14]。因此，在锁相放大器的仿真过程中，参考信号的频率为正弦信号频率....

本文编号：4036806