基于TDLAS的数字信号处理与分析

发布时间：2017-10-12 09:13

  本文关键词：基于TDLAS的数字信号处理与分析

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【摘要】：在我国的煤矿采集活动中,经常由于瓦斯爆炸造成人员伤亡和财产的损失,因此对于甲烷浓度的在线准确测量具有重大的意义。可调谐二极管激光光谱吸收技术通过对检测气室透射光强或反射光强的变化来检测气体的浓度,具有灵敏度高、高稳定性、选择性好等优点,近年来在气体检测领域中得到广泛应用。首先,以比尔-朗伯定律为理论基础,根据HITRAN数据库,选择红外甲烷2v3带R3支的三条吸收谱线作为研究对象。研究波长调制和谐波检测理论,利用傅里叶级数和泰勒级数对洛伦兹线型的谱线进行了强度-频率调制模型进行展开,分析了各次谐波信号,并给出了非线性强度调制下的谐波表达式,并得出谐波信号基线偏移的原因。其次,分析了TDLAS系统的噪声来源及其噪声特性,重点讲解了小波阈值去噪对带有噪声的谐波信号的处理应用,对Mallat算法的原理、分解层数、阈值函数选取和阈值的选取进行详细分析,并利用双曲函数设计了一个阈值函数,与传统的软硬阈值函数相比都有较好的效果提升。分析和对比了几种浓度反演的方案,提出了结合最小二乘法和ffII12的方法用于浓度反演方法,并讨论了光源波长漂移、频率调制幅度和波长扫描范围对检测方案的影响。经过消噪后系统的检测精度提高了3倍。再次,研究了温度变化对气体吸收谱线参数(线强度、谱线宽度、气体分子密度和气体吸收系数)以及气体浓度测量产生的影响。讨论了三种温度校准方案的优缺点,利用温度校准方案减小气体温度变化所带来的测量误差,并且结合气室结构的设计来提取温度压力参数来提高系统的检测精度和稳定性,使得检测浓度的温度漂移减小25倍,达到2ppm/℃。最后,利用Matlab的Simulink仿真工具对TDLAS气体检测模型进行了建模和仿真,根据实验室的激光器和光电探测器的工作参数分别建立了光源模块、气室模块、数据检测和信号处理模块,并对整个系统模型进行了测试和分析,验证了经过小波去噪和温度修正后,使得系统的性能得到很大的提高,并且最后介绍了对TDLAS系统的软件数据处理界面进行了设计与编写,详细介绍了各个功能模块。
【关键词】：TDLAS 小波去噪 温度校准 建模仿真
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.72
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 课题研究的目的和意义11-12
• 1.3 光纤气体传感器12-13
• 1.4 光纤气体传感器研究现状13-15
• 1.4.1 国外研究现状13-14
• 1.4.2 国内研究现状14-15
• 1.5 论文的主要内容及章节安排15-17
• 第二章 波长调制和谐波检测理论分析17-29
• 2.1 TDLAS系统设计17-18
• 2.2 气体吸收谱线基本理论18-21
• 2.2.1 气体分子能级结构18-19
• 2.2.2 谱线的线型和线宽19-20
• 2.2.3 谱线线强度20-21
• 2.3 比尔-朗伯定律21
• 2.4 甲烷谱线的选择21-23
• 2.5 波长调制理论分析23-26
• 2.5.1 频率-强度调制检测方法23-25
• 2.5.2 非线性强度调制25-26
• 2.6 系统性能的影响因素26-28
• 2.6.1 调制系数的影响26-28
• 2.6.2 系统噪声的影响28
• 2.6.3 环境因素的影响28
• 2.7 本章小结28-29
• 第三章 系统的噪声处理及浓度反演29-52
• 3.1 系统的噪声分析29-30
• 3.1.1 探测器噪声29-30
• 3.1.2 激光器额外噪声30
• 3.1.3 光学干涉条纹30
• 3.1.4 残余幅度调制30
• 3.2 噪声信号处理30-42
• 3.2.1 快速傅里叶变换滤波法31-32
• 3.2.2 小波变换去噪法32-41
• 3.2.2.1 小波变换去噪的原理32-34
• 3.2.2.2 Mallat算法的基本思路34-35
• 3.2.2.3 小波分解层数的选择35-37
• 3.2.2.4 阈值函数的改进37-39
• 3.2.2.5 阈值的改进39-41
• 3.2.3 小波去噪与快速傅里叶变换的对比41
• 3.2.4 干涉条纹的处理41-42
• 3.3 浓度反演方案与改进42-51
• 3.3.1 最小二乘法42-43
• 3.3.2 峰值拟合法43-46
• 3.3.2.1 二次谐波与一次谐波的比值法43-45
• 3.3.2.2 二次谐波与直流分量的比值法45-46
• 3.3.3 峰值拟合与最小二乘法结合法46-47
• 3.3.4 非标定浓度反演方法47-48
• 3.3.5 浓度检测方案分析48-51
• 3.3.5.1 波长漂移和扫描范围的影响48-50
• 3.3.3.2 调制系数的影响50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 系统的环境影响因素及修正52-68
• 4.1 谱线的压力特性52-54
• 4.2 谱线的温度特性54-57
• 4.2.1 温度对谱线线强度的影响54-55
• 4.2.2 温度对气体分子密度的影响55
• 4.2.3 温度对吸收谱线线宽的影响55-56
• 4.2.4 温度对吸收系数的影响56-57
• 4.3 温度波动对气体检测的影响57-58
• 4.4 温度校准方案58-65
• 4.4.1 温度自校准方案58-59
• 4.4.2 温度校准函数59-61
• 4.4.3 比例因子校准方案61-65
• 4.4.3.1 数据库的建立61-63
• 4.4.3.2 比例因子法修正效果63-65
• 4.5 吸收池设计65-67
• 4.6 本章小结67-68
• 第五章 系统的建模和分析68-82
• 5.1 系统参数的选择68-69
• 5.1.1 三角波和正弦波的调制幅度选择68
• 5.1.2 激光输出功率及强度调制系数的选择68-69
• 5.2 TDLAS系统的建模仿真69-77
• 5.2.1 光源模块70-71
• 5.2.2 气室模块71-73
• 5.2.3 光电转换模块73-74
• 5.2.4 数据检测模块74-76
• 5.2.5 数据处理模块76-77
• 5.3 系统性能分析77-80
• 5.3.1 系统检测精度77-78
• 5.3.2 系统灵敏度78
• 5.3.3 系统分辨率78-79
• 5.3.4 系统重复性79
• 5.3.5 系统最低探测限79-80
• 5.3.6 系统影响因素分析80
• 5.4 本章小结80-82
• 第六章 TDLAS系统软件设计82-89
• 6.1 软件功能设计82-83
• 6.2 软件界面设计83-88
• 6.2.1 系统功能界面84-87
• 6.2.2 软件运行效果87-88
• 6.3 本章小结88-89
• 第七章 结论89-91
• 致谢91-92
• 参考文献92-96

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王玉田,郭廷荣,王莉田,侯培国;吸收式光纤甲烷气体传感器的研究[J];传感技术学报;2001年01期

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本文编号：1017861