基于可调谐激光吸收光谱法的林火早期探测技术研究
发布时间：2021-12-09 03:59
森林是生物圈最重要的生存环境之一,是一个巨大的资源宝库;具有防治风沙、净化空气、防止水土流失、保持大气平衡的功能;但目前森林火灾已成为森林最严重的危害,如何实现森林火灾早期发现、准确定位、及时报警,减少森林火灾损失,一直是森林防火技术人员研究的热点和难点,本文针对森林火灾早期发展过程中产生的烟和热以及辐射能量较小,传统森林火灾监测方法精准探测能力不足等问题,提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱法的林火早期探测技术研究;通过构建森林火灾早期气体排放模型,采用TDLAS（可调谐半导体激光吸收光谱法）痕迹气体测试方法,实时探测CO气体浓度变化趋势,实现森林火灾早期探测,并通过模拟燃烧试验对所提方法进行了验证。具体研究工作概况如下:1)森林可燃物燃烧通常由吸热、热分解、混合和燃烧过程四个阶段组成,本文通过牡丹江双峰林场林火模拟燃烧试验,对森林火灾燃烧机理以及火灾早期热解过程气体排放进行研究,通过构建森林火灾早期气体排放与气体分布流动特征模型以及试验数据分析,提出一种基于TDLAS痕迹CO气体监测进行森林火灾早期探测的新思路和新方法。2)对TDLAS痕迹气体探测原理、CO气体吸收谱线选择、锁相放大...
【文章来源】：东北林业大学黑龙江省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题研究意义及背景
1.2 国内外森林火灾探测研究现状
1.2.1 国外森林火灾探测研究现状
1.2.2 国内森林火灾探测研究现状
1.2.3 森林火灾探测发展趋势
1.3 痕量气体浓度检测技术发展现状
1.4 课题主要研究内容
1.5 论文结构安排
2 森林火灾早期气体排放机理分析
2.1 引言
2.2 森林火灾可燃物燃烧过程
2.3 森林火灾早期热分解过程
2.3.1 森林可燃物主要成分
2.3.2 可燃物主要成分热解过程
2.3.3 树叶热解和氧化的对应关系
2.4 森林火灾气体生成机理与组成
2.4.1 森林可燃物燃烧路径
2.4.2 含碳气体的生成机理
2.5 森林火灾毒性气体作用机理
2.5.1 森林火灾毒性气体效用分析
2.5.2 典型毒性气体对人体生理特征的影响
2.6 森林火灾毒性气体浓度变化趋势模型
2.7 本章小结
3 基于TDLAS森林火灾早期气体检测原理
3.1 引言
3.1.1 气体的光谱吸收原理
3.1.2 气体分子能级结构和振转光谱理论
3.2 Beer-Lambert定律
3.2.1 气体吸收线强与分子数密度
3.2.2 归一化线型函数
3.2.3 CO吸收谱线的选择
3.3 TDLAS技术原理
3.3.1 谐波检测原理
3.3.2 锁相放大器基本原理
3.4 本章小结
4 基于TDLAS森林火灾早期检测系统构建
4.1 引言
4.2 系统整体方案设计
4.3 光源驱动系统设计
4.3.1 光源选型
4.3.2 光源特性分析
4.3.3 电流源设计
4.3.4 基于负反馈PID的光源温度控制系统设计
4.4 基于自聚焦透镜与先进的分子筛技术微型气室设计
4.5 光电探测系统设计
4.5.1 光电探测器选型
4.5.2 前置放大器设计
4.5.3 主放大器设计
4.5.4 带通滤波器设计
4.6 基于FPGA的数字正交锁相放大器设计
4.6.1 锁相放大器实现方案对比
4.6.2 DDS设计
4.6.3 低通滤波器
4.6.4 乘法器
4.6.5 开放运算
4.6.6 双通道锁相放大器
4.7 本章小结
5 森林火灾早期检测系统多因素参数优选策略
5.1 引言
5.2 谐波次数的选择
5.3 激光器调制的影响
5.3.1 调制度对谐波信号的影响
5.3.2 调制频率对谐波信号的影响
5.3.3 扫描信号幅度对谐波信号的影响
5.3.4 扫描信号频率对谐波信号的影响
5.4 锁相参数对信号的影响
5.4.1 锁相放大器重要参数
5.4.2 时间常数对检测信号的影响
5.5 基于最佳信噪比的多因素参数优选策略
5.6 本章小结
6 森林火灾早期检测系统噪声抑制与稳定补偿
6.1 引言
6.2 激光光学干涉影响
6.2.1 激光光学干涉形成机理
6.2.2 光学干涉谐波信号影响分析
6.2.3 光学干涉背景信号影响分析
6.3 温度对TDLAS系统的影响
6.3.1 温度对电路部分影响
6.3.2 TDLAS系统受温度影响分析
6.3.3 线型函数比较
6.4 校正算法设计
6.4.1 TDLAS校正模型
6.4.2 校正补偿因子分析
6.4.3 补偿校正
6.5 结论
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢
附件
本文编号：3529874
【文章来源】：东北林业大学黑龙江省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题研究意义及背景
1.2 国内外森林火灾探测研究现状
1.2.1 国外森林火灾探测研究现状
1.2.2 国内森林火灾探测研究现状
1.2.3 森林火灾探测发展趋势
1.3 痕量气体浓度检测技术发展现状
1.4 课题主要研究内容
1.5 论文结构安排
2 森林火灾早期气体排放机理分析
2.1 引言
2.2 森林火灾可燃物燃烧过程
2.3 森林火灾早期热分解过程
2.3.1 森林可燃物主要成分
2.3.2 可燃物主要成分热解过程
2.3.3 树叶热解和氧化的对应关系
2.4 森林火灾气体生成机理与组成
2.4.1 森林可燃物燃烧路径
2.4.2 含碳气体的生成机理
2.5 森林火灾毒性气体作用机理
2.5.1 森林火灾毒性气体效用分析
2.5.2 典型毒性气体对人体生理特征的影响
2.6 森林火灾毒性气体浓度变化趋势模型
2.7 本章小结
3 基于TDLAS森林火灾早期气体检测原理
3.1 引言
3.1.1 气体的光谱吸收原理
3.1.2 气体分子能级结构和振转光谱理论
3.2 Beer-Lambert定律
3.2.1 气体吸收线强与分子数密度
3.2.2 归一化线型函数
3.2.3 CO吸收谱线的选择
3.3 TDLAS技术原理
3.3.1 谐波检测原理
3.3.2 锁相放大器基本原理
3.4 本章小结
4 基于TDLAS森林火灾早期检测系统构建
4.1 引言
4.2 系统整体方案设计
4.3 光源驱动系统设计
4.3.1 光源选型
4.3.2 光源特性分析
4.3.3 电流源设计
4.3.4 基于负反馈PID的光源温度控制系统设计
4.4 基于自聚焦透镜与先进的分子筛技术微型气室设计
4.5 光电探测系统设计
4.5.1 光电探测器选型
4.5.2 前置放大器设计
4.5.3 主放大器设计
4.5.4 带通滤波器设计
4.6 基于FPGA的数字正交锁相放大器设计
4.6.1 锁相放大器实现方案对比
4.6.2 DDS设计
4.6.3 低通滤波器
4.6.4 乘法器
4.6.5 开放运算
4.6.6 双通道锁相放大器
4.7 本章小结
5 森林火灾早期检测系统多因素参数优选策略
5.1 引言
5.2 谐波次数的选择
5.3 激光器调制的影响
5.3.1 调制度对谐波信号的影响
5.3.2 调制频率对谐波信号的影响
5.3.3 扫描信号幅度对谐波信号的影响
5.3.4 扫描信号频率对谐波信号的影响
5.4 锁相参数对信号的影响
5.4.1 锁相放大器重要参数
5.4.2 时间常数对检测信号的影响
5.5 基于最佳信噪比的多因素参数优选策略
5.6 本章小结
6 森林火灾早期检测系统噪声抑制与稳定补偿
6.1 引言
6.2 激光光学干涉影响
6.2.1 激光光学干涉形成机理
6.2.2 光学干涉谐波信号影响分析
6.2.3 光学干涉背景信号影响分析
6.3 温度对TDLAS系统的影响
6.3.1 温度对电路部分影响
6.3.2 TDLAS系统受温度影响分析
6.3.3 线型函数比较
6.4 校正算法设计
6.4.1 TDLAS校正模型
6.4.2 校正补偿因子分析
6.4.3 补偿校正
6.5 结论
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢
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