基于调频连续波的多点和大动态范围气体探测研究
发布时间：2021-01-12 21:46
气体探测在环境污染监测、燃气管道检测、大气科学研究等领域具有广泛的应用。由于光学源器件的高成本,基于激光光谱的气体传感器通常为单点传感器,一套设备只能检测一个位置,在大范围长距离的应用场景中布设大量单点传感器成本较高。另外,基于吸收光谱的气体传感器的吸收光程通常是固定的,则其浓度测量的动态范围也有限。因此研究可以降低大范围气体探测成本和提高气体浓度探测动态范围的气体探测方案具有较大意义。调频连续波（FMCW）技术具备高空间分辨率和高灵敏度,它也具有扫频特性,扫频范围足以覆盖气体的吸收峰,因此FMCW技术在原理上能够同时实现吸收定位和光谱测量。本文利用FMCW技术的频分复用特点,反演空间中不同位置对应的气体透射光谱信号,将主要进行三方面的研究。第一,通过仿真研究了基于FMCW的光谱反演过程。研究该方法的光谱分辨率及频谱泄漏引起的光谱信号的振荡噪声,并提出使用Savitzky-Golay滤波去噪的解决方案。第二,通过仿真和实验研究了基于FMCW的多点气体探测。提出了基于FMCW的多点气体探测方案,并仿真了多点乙炔气体透射光谱反演过程,仿真了通道间的串扰影响。在实验研究中实现了浓度分别为11...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于空分复用的多点气体探测基本结构[6]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-方案[6]。如图1-1所示，该系统以DFB激光器为系统光源，通过标准1550nm耦合器将光功率分为多路，通过光纤分别连接到各路的微光学气池，气池两端通过表面镀有增透膜的梯度折射率（Gradientindex,GRIN）棱镜耦合，光透过气池后连接到各自的探测器。探测器探测到的光电信号由信号处理单元处理。实验中，通过波长调制光谱测量了1665nm处的甲烷吸收信号，系统的噪声限制主要是来自气池上的干涉效应。(a)多点甲烷探测系统(b)64点系统的光功率分配图1-1基于空分复用的多点气体探测基本结构[6]2017年，何应等人提出基于微纳光纤倏逝场石英增强光声光谱（Micro-nanofiberevanescentwavequartz-enhancedphotoacousticspectroscopy,FEW-QEPAS）的多点气体探测方案[7]。PAS具有高灵敏度、抗外界干扰等特性，被广泛应用于痕量气体探测，FEW-QEPAS能降低传感系统尺寸和提高光学系统稳定性。如图1-2(a)为实验装置图，三个拉锥光纤串联在光路中，彼此间隔1km，拉锥光纤用于产生倏逝常在每个传感点分别用各自的石英音叉探测声波信号，DFB激光器在锯齿调(a)实验装置图(b)测量结果图1-2基于FEW-QEPAS的多点气体探测系统[7]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-制的同时加上高频正弦调制，通过电脑控制锁相放大器，测量各传感点的WMS-2f信号，测量结果如图1-2(b)所示。该方案中，各传感点需要使用各自单独的探测器，符合SDM特点。（2）基于WDM的多点气体探测方案2003年，ZhangY等人提出基于腔内光谱的多点气体探测方案[10]。如图1-3所示，以FBG为激光器的波长选择腔内反射镜，用可调谐滤波器将工作波长调整到不同的布拉格波长，被选光栅的布拉格波长正好对到气体的不同吸收线上，存在气体吸收时会改变腔内损耗，从而改变激光输出功率。各FBG的波长不同，则可以实现多位置的气体浓度探测。该系统可复用的传感器数量受限于EDFA增益谱内气池吸收线的个数。在实验上验证了两个传感器复用系统，串扰影响可以忽略，灵敏度比传统单通传感器高15倍。(a)(b)图1-3基于腔内光谱的多点气体探测系统。(a)系统结构；(b)激光器输出功率谱（空气、20%C2H2和80%N2）[10]2013年，LiuM等人提出用于长距离管道检测的准分布区域选择气体探测方案，该方案基于WDM原理实现多位置传感[11]。如图1-4(a)所示，为三点传感系统的实验装置图。该技术利用FBG作为每个区域的光谱检测单元，由于气体分子具有多个吸收线，将每个FBG的反射波长分别对应到气体的不同吸收线上，用光谱仪记录所有FBG的反射谱，当存在气体吸收时，对应位置的反射谱强度发生变化。如图1-4(b)所示，为存在吸收前后光谱仪的测量信号，通过前后对比，反推气体吸收强度及对应的浓度信息。该系统可用于长距离管道检测。理论仿真分析显示，每个传感区域为1km时，最大传感区域为19个，可传感范围为20km；每个传感区域10km时，最大传感区域为8个，可传感范围为80km。
【参考文献】：
博士论文
[1]几种改进OFDR性能方法的提出及验证[D]. 丁振扬.天津大学 2013
[2]气体监测的可调谐多模二极管激光关联光谱技术研究[D]. 娄秀涛.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于调频连续波的多通池气体传感技术研究[D]. 陈晨.哈尔滨工业大学 2018
[2]可调谐二极管激光波长调制光谱技术的模拟研究[D]. 陈斌.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：2973602
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于空分复用的多点气体探测基本结构[6]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-方案[6]。如图1-1所示，该系统以DFB激光器为系统光源，通过标准1550nm耦合器将光功率分为多路，通过光纤分别连接到各路的微光学气池，气池两端通过表面镀有增透膜的梯度折射率（Gradientindex,GRIN）棱镜耦合，光透过气池后连接到各自的探测器。探测器探测到的光电信号由信号处理单元处理。实验中，通过波长调制光谱测量了1665nm处的甲烷吸收信号，系统的噪声限制主要是来自气池上的干涉效应。(a)多点甲烷探测系统(b)64点系统的光功率分配图1-1基于空分复用的多点气体探测基本结构[6]2017年，何应等人提出基于微纳光纤倏逝场石英增强光声光谱（Micro-nanofiberevanescentwavequartz-enhancedphotoacousticspectroscopy,FEW-QEPAS）的多点气体探测方案[7]。PAS具有高灵敏度、抗外界干扰等特性，被广泛应用于痕量气体探测，FEW-QEPAS能降低传感系统尺寸和提高光学系统稳定性。如图1-2(a)为实验装置图，三个拉锥光纤串联在光路中，彼此间隔1km，拉锥光纤用于产生倏逝常在每个传感点分别用各自的石英音叉探测声波信号，DFB激光器在锯齿调(a)实验装置图(b)测量结果图1-2基于FEW-QEPAS的多点气体探测系统[7]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-制的同时加上高频正弦调制，通过电脑控制锁相放大器，测量各传感点的WMS-2f信号，测量结果如图1-2(b)所示。该方案中，各传感点需要使用各自单独的探测器，符合SDM特点。（2）基于WDM的多点气体探测方案2003年，ZhangY等人提出基于腔内光谱的多点气体探测方案[10]。如图1-3所示，以FBG为激光器的波长选择腔内反射镜，用可调谐滤波器将工作波长调整到不同的布拉格波长，被选光栅的布拉格波长正好对到气体的不同吸收线上，存在气体吸收时会改变腔内损耗，从而改变激光输出功率。各FBG的波长不同，则可以实现多位置的气体浓度探测。该系统可复用的传感器数量受限于EDFA增益谱内气池吸收线的个数。在实验上验证了两个传感器复用系统，串扰影响可以忽略，灵敏度比传统单通传感器高15倍。(a)(b)图1-3基于腔内光谱的多点气体探测系统。(a)系统结构；(b)激光器输出功率谱（空气、20%C2H2和80%N2）[10]2013年，LiuM等人提出用于长距离管道检测的准分布区域选择气体探测方案，该方案基于WDM原理实现多位置传感[11]。如图1-4(a)所示，为三点传感系统的实验装置图。该技术利用FBG作为每个区域的光谱检测单元，由于气体分子具有多个吸收线，将每个FBG的反射波长分别对应到气体的不同吸收线上，用光谱仪记录所有FBG的反射谱，当存在气体吸收时，对应位置的反射谱强度发生变化。如图1-4(b)所示，为存在吸收前后光谱仪的测量信号，通过前后对比，反推气体吸收强度及对应的浓度信息。该系统可用于长距离管道检测。理论仿真分析显示，每个传感区域为1km时，最大传感区域为19个，可传感范围为20km；每个传感区域10km时，最大传感区域为8个，可传感范围为80km。
【参考文献】：
博士论文
[1]几种改进OFDR性能方法的提出及验证[D]. 丁振扬.天津大学 2013
[2]气体监测的可调谐多模二极管激光关联光谱技术研究[D]. 娄秀涛.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于调频连续波的多通池气体传感技术研究[D]. 陈晨.哈尔滨工业大学 2018
[2]可调谐二极管激光波长调制光谱技术的模拟研究[D]. 陈斌.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：2973602
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