基于TDLAS的數(shù)字信號處理與分析.pdf

1、在我國的煤礦采集活動中，經(jīng)常由于瓦斯爆炸造成人員傷亡和財產(chǎn)的損失，因此對于甲烷濃度的在線準(zhǔn)確測量具有重大的意義。可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)通過對檢測氣室透射光強或反射光強的變化來檢測氣體的濃度，具有靈敏度高、高穩(wěn)定性、選擇性好等優(yōu)點，近年來在氣體檢測領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
　　首先，以比爾-朗伯定律為理論基礎(chǔ)，根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫，選擇紅外甲烷2v3帶R3支的三條吸收譜線作為研究對象。研究波長調(diào)制和諧波檢測理論，利用傅里葉級數(shù)和

2、泰勒級數(shù)對洛倫茲線型的譜線進(jìn)行了強度-頻率調(diào)制模型進(jìn)行展開，分析了各次諧波信號，并給出了非線性強度調(diào)制下的諧波表達(dá)式，并得出諧波信號基線偏移的原因。
　　其次，分析了TDLAS系統(tǒng)的噪聲來源及其噪聲特性，重點講解了小波閾值去噪對帶有噪聲的諧波信號的處理應(yīng)用，對Mallat算法的原理、分解層數(shù)、閾值函數(shù)選取和閾值的選取進(jìn)行詳細(xì)分析，并利用雙曲函數(shù)設(shè)計了一個閾值函數(shù)，與傳統(tǒng)的軟硬閾值函數(shù)相比都有較好的效果提升。分析和對比了幾種濃度反演

3、的方案，提出了結(jié)合最小二乘法和I2f/I1f的方法用于濃度反演方法，并討論了光源波長漂移、頻率調(diào)制幅度和波長掃描范圍對檢測方案的影響。經(jīng)過消噪后系統(tǒng)的檢測精度提高了3倍。
　　再次，研究了溫度變化對氣體吸收譜線參數(shù)(線強度、譜線寬度、氣體分子密度和氣體吸收系數(shù))以及氣體濃度測量產(chǎn)生的影響。討論了三種溫度校準(zhǔn)方案的優(yōu)缺點，利用溫度校準(zhǔn)方案減小氣體溫度變化所帶來的測量誤差，并且結(jié)合氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計來提取溫度壓力參數(shù)來提高系統(tǒng)的檢測精度和

4、穩(wěn)定性，使得檢測濃度的溫度漂移減小25倍，達(dá)到2ppm/℃。
　　最后，利用Matlab的Simulink仿真工具對TDLAS氣體檢測模型進(jìn)行了建模和仿真，根據(jù)實驗室的激光器和光電探測器的工作參數(shù)分別建立了光源模塊、氣室模塊、數(shù)據(jù)檢測和信號處理模塊，并對整個系統(tǒng)模型進(jìn)行了測試和分析，驗證了經(jīng)過小波去噪和溫度修正后，使得系統(tǒng)的性能得到很大的提高，并且最后介紹了對TDLAS系統(tǒng)的軟件數(shù)據(jù)處理界面進(jìn)行了設(shè)計與編寫，詳細(xì)介紹了各個功能模塊