可調(diào)諧二極管激光吸收光譜中的高精度氣體檢測技術(shù)研究.pdf

1、可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)具有高靈敏度、高特異性、高譜線分辨率，已經(jīng)成為現(xiàn)場痕量氣體檢測的一種有效的方法。從發(fā)展進程看，國內(nèi)外已經(jīng)報道了很多大氣檢測應(yīng)用并取得了成功，但仍有需要解決的問題。本課題在這種背景下，研究TDLAS的高精度氣體檢測技術(shù)，主要研究在氣體檢測中的消除背景和減小誤差等技術(shù)，具體包括系統(tǒng)仿真模型、激光器特性、二次諧波背景消除技術(shù)和一次諧波背景消除與基線校正，主要內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　1、TDLAS

2、系統(tǒng)仿真建模。建立TDLAS系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)中光源、氣體吸收池、信號檢測模塊分別進行了建模。討論了強度調(diào)制的線性部分和非線性部分對二次諧波波形的影響，得到二次諧波畸變及剩余幅度調(diào)制（RAM）形成的根本原因。給出了由標準具產(chǎn)生的光學(xué)干涉條紋信號的變化規(guī)律，分別仿真出長標準具與短標準具對諧波的影響情況。為諧波信號中的背景成分分析提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。
　　2、激光器特性研究。包括激光器的調(diào)諧特性、相對強度噪聲（RIN）、激光器掃描

3、步長和線寬特性。給出了激光器輸出波長調(diào)諧特性曲線和一次、二次擬合結(jié)果及表達式，提高了波長對應(yīng)精度。研究了RIN對光電探測器電流的影響，給出了不同條件時探測器的電流噪聲譜密度與調(diào)制頻率之間的關(guān)系曲線，為系統(tǒng)參數(shù)的選取提供依據(jù)。詳細分析了具有一定線寬的激光器出射激光與氣體吸收譜線的關(guān)系原理，提出了掃描信號引起激光器掃描步長的產(chǎn)生原理，確定系統(tǒng)允許的鋸齒波臺階數(shù)。文中通過仿真，在不同氣體吸收半高全寬（FWHM）條件下，得出激光器線寬與氣體吸收

4、譜線最大幅值及產(chǎn)生的線寬誤差關(guān)系曲線；給出激光器線寬確定時允許的最小 FWHM（FWHMmin）及適用的溫度和壓強范圍。激光器特性的研究可以提高波長對應(yīng)精度，減小 RIN噪聲及掃描誤差、線寬誤差，最終為提高氣體檢測精度提供了相關(guān)理論依據(jù)。
　　3、二次諧波背景消除技術(shù)的研究。在應(yīng)用 TDLAS技術(shù)的開放式和密閉式氣體檢測中，當進行背景消除時，存在無法更換氣體、不便增加裝置或增加系統(tǒng)復(fù)雜性等情況。本文提出一種基于無吸收譜線區(qū)域檢測諧

5、波（HDINASR）的背景消除方法，通過改變激光器工作溫度改變發(fā)射波長至無吸收譜線區(qū)域，利用標準背景信號搜索最佳背景位置，實現(xiàn)背景消除。文中設(shè)計出背景分離技術(shù)、搜索方法以及譜線選取原則，分析了系統(tǒng)背景信號的穩(wěn)定性，以參考信號和待測信號的背景消除前后相關(guān)程度來描述背景消除的效果。此種方法的優(yōu)點是可以避免更換氣體，為開放和密閉式的氣體檢測提供一種有效的背景消除方法。
　　4、一次諧波背景消除與基線校正技術(shù)的研究。針對 TDLAS一次諧

6、波信號中具有背景信號及較大的基線信號，提出一種新型的背景消除與基線校正的處理方法。該方法分為兩步，第一步利用HDINASR進行背景消除；第二步進行基線校正：第一步背景消除后會有一個剩余基線，通過選取水平基線的一部分采樣數(shù)據(jù)進行直線擬合，實現(xiàn)基線校正。一次諧波信號經(jīng)過背景消除和基線校正后，信號的畸變得到明顯改善，基線得到校正。文中驗證了該方法在激光器其他工作溫度（26.7-27.2℃）是有效的，并對氟化氫（HF）氣體濃度檢測精度的改善進行