调制相位差对TDLAS信噪比的影响

用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体时,不同的调制相位差结果不同。为了提高谐波检测灵敏度,采用同时考虑频率调制与振幅调制的方法分析和提取二次谐波信号,推导了相位差与二次谐波信号光电流和残余幅度调制噪声光电流的函数关系表达式,通过模拟实验分别取得了二次谐波信号和残余幅度调制噪声随相位差的变化趋势,并重点分析了相位差对信噪比的影响。结果表明,振幅调整和频率调制之间的相位差对信噪比的影响很大,与典型值/2时相比,最大降幅为59.18%;调制相位差是继残余幅度调制之外,影响信噪比的一个重要因素。     

剩余振幅调制对波长调制光谱信号线型的影响

在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的痕量气体检测中,波长直接调制时剩余振幅调制也会伴随发生,并对检测信号的线型和系统噪声产生严重影响。为了探讨剩余振幅调制对波长调制光谱二次谐波信号线型的影响,采用同时考虑振幅调制和波长调制两种影响因素的计算方法,理论分析出二次谐波信号的计算公式,与仅考虑波长调制的信号计算方式进行同条件线型计算比对,取得了二次谐波信号基线和正负峰值随剩余振幅调制的变化数据。结果表明,剩余振幅调制的大小对检测信号的线型和信号基线有直接影响,采用这种方法计算得出的二次谐波信号线型更贴近实际检测。     

波长调制光谱检测下限计算方法的研究

在基于波长调制光谱技术的大气痕量气体检测下限计算方法的研究中,全面准确地描述吸收信号及噪声的大小极为重要。为了探讨半导体二极管激光器在进行波长直接调制时伴随产生的残余振幅调制噪声对检测下限的影响,在理论推导中采用了一种同时考虑波长和振幅调制的二次谐波信号分析及提取方法,以二次谐波信号峰谷差值作为系统的检测信号,对可调谐二极管激光器吸收光谱检测系统的信噪比和检测下限进行了理论分析,取得了洛伦兹吸收线型条件下残余振幅调制噪声对系统信噪比和检测下限的影响的精确计算数据。结果表明,在吸收线的线宽较大的检测条件下,残余振幅调制噪声是影响检测下限的重要因素。     

TDLAS技术气体检测二次谐波信号的仿真与分析

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术结合半导体激光器可调谐的特点及气体分子对特定波长能量光的吸收特性,凭借灵敏度高、响应时间短等优势广泛应用于气体浓度检测。TDLAS技术气体浓度检测包括波长调制、气体吸收、二次谐波解调等环节,吸收信号的二次谐波分量携带气体浓度信息,用于计算气体浓度。利用MATLAB对气体检测过程进行了信号仿真,并利用数字锁相放大算法提取了二次谐波信号,验证了二次谐波与气体浓度的关系。通过仿真分析了二次谐波信号随调制系数的变化关系,以便确定较佳的调制参数,为后续系统搭建与气体检测实验提供参考。     

基于波长调制法的氢气激光检测参数优化分析

基于仿真平台,搭建了TDLAS氢气检测系统,对4 712.905 cm＿1处的吸收光谱进行调制并利用锁相放大器提取出二次谐波信号。通过比较不同激光调制参量对二次谐波信号波形的影响进而选取最佳参数,调制幅度参量取值范围为0.1～0.35 V,观测二次谐波波形,结合波峰和波形对称性两个评估条件,确定最佳调制幅度为0.25 V。调制频率参量取值范围0.5～30 k Hz,结合二次谐波信号幅值和对噪声的抑制效果两个评估条件,选取调制频率为10 k Hz。结果表明,通过激光调制参量的优化选择可以获得更理想的二次谐波信号。该研究为开展氢气激光检测TDLAS系统调制参数的选取提供了理论依据,对改善实际应用中系统测量精度提供理论指导。     

基于偶次谐波吸收率函数复现方法

TDLAS中波长调制光谱具有灵敏度高、信噪比高的优点,然而由于其无法有效得到绝对吸收率函数一般需要采用二次谐波峰值结合标定实验确定待测气体参数。考虑到这一问题,本文基于波长调制光谱策略,在时域上对经过高频调制的激光透过率函数于谱线中心频率处进行泰勒级数展开,在此基础上得到谐波表达式由透过率及其导数和频率调制幅度等组成,通过分析各次谐波间的关系特征建立了一种基于偶次谐波信号的吸收率函数高精度复现方法。随后采用CO2分子6976.203 cm^-1谱线对该方法进行了数值模拟和实验验证,并将实验结果与传统直接吸收法测得的吸收率函数进行对比。模拟和实验结果表明:波长调制光谱中偶次谐波信号可复现TDLAS核心参数—吸收率函数,其测量精度随着所采用谐波阶次的增加而提高,预期可为谱线参数高精度标定、复杂工业现场中痕量气体浓度监测提供新的测量方法。     

基于波长调制光谱技术的二氧化碳浓度测量

以可调谐激光二极管吸收光谱技术为基础,结合波长调制光谱技术,对不同体积浓度的二氧化碳气体进行检测。分别分析正弦波调制信号的不同调制电压及调制频率对二次谐波信号波形及峰值的影响。结果显示当调制电压为0.25 V、调制频率为10 kHz时,得到的二次谐波信号较好。在此基础上,利用实验室中搭建的单光路测量系统对不同浓度的CO2气体进行检测,得到气体浓度与二次谐波峰值线性相关系数为0.998,系统的检测极限为450 ppm。研究为该类系统调制系数的选择提供了实验依据,为工业应用打下了基础。     

基于TDLAS的气体检测技术算法

可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术,具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制,使得激光输出频率和强度同时受到调制,具有高信噪比和灵敏度的特点,但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析,发现调制幅度达到a=0.032 cm-1（调制系数m=2）时,仿真结果与理论计算结果（a=0）相对误差不超过2%,进一步验证了算法的可靠性与准确性。     

光谱线宽对可调谐激光调制吸收光谱技术测量CO2浓度的影响

在利用可调谐激光调制吸收光谱技术进行测量时,气体参量改变将导致线宽变化,从而影响二次谐波信号峰值的大小.针对于Lorentz线型,给出了线宽变化对二次谐波峰值影响的理论分析及利用二次谐波信号峰谷比值进行修正的方法.在10 cm的吸收池内利用1578.22 nm处的吸收谱线对CO2进行了测晕,在不同调制幅度下验证了不同工况中线宽对二次谐波信号的影响.结果表明,利用二次谐波峰谷比值确定调制系数进行修正可有效地减小由于工况改变时线宽变化对测量带来的影响,当压力由1.0×105Pa变化至1.5×105Pa时,修正前后的测量相对误差分别为34.3%与1.8%;当气体体积分数在20%～100%变化时,修正前后的平均误差分别为12.8%与1.8%.     

TDLAS检测系统的ARM主控型激光驱动电路的设计

可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)是一种利用激光二极管的波长扫描和电流调谐特性对气体进行测量的技术,具有高选择性、高分辨率、高反应速度、高灵敏度等优点。TDLAS检测系统通常基于谐波检测的原理,通过高频调制某个依赖于频率的信号,使其扫过待测气体的吸收峰,再以调制频率的倍频作为参考信号进行信号处理。为了满足TDLAS检测系统对激光器驱动的需要,本文以ARM7系列的LPC2138为主控器,通过将DAC8830产生的锯齿波扫描信号和AD9958产生的一路正弦调制信号进行叠加,来实现TDLAS检测系统激光器的驱动。     

High frequency heterodyne spectroscopy with current-modulated diode lasers

The use of current-modulated semiconductor lasers for optical heterodyne spectroscopy has been investigated at modulation frequencies up to 2.6 GHz. The current modulation produces a simultaneous frequency and amplitude modulation of the laser output. A characteristic heterodyne spectrum occurs when the modulated laser probes a narrow absorption line. In order to analyze the measured spectra, a complete line shape theory has been derived for heterodyne spectroscopy with frequency- and amplitude-modulated laser light. The results show how the obtained signals depend on the modulation frequency and the phase difference between the frequency and the amplitude modulation. The measurement technique permits investigation of the FM-AM phase difference of current-modulated semiconductor lasers.     

相位调制非线性对开环光纤陀螺工作点测量与信号解调的影响

在全光纤开环光纤陀螺中，利用压电陶瓷调制器可以为光纤陀螺提供互易性正弦相位偏置，但相位调制中的寄生非线性会对陀螺测量产生影响。从理论上给出了二倍频非线性相位调制情况下开环光纤陀螺输出信号的一、二、四次谐波表达式，分析了相位调制非线性对陀螺工作点测量与信号解调的影响，实验验证了相关结果。实验结果与理论分析表明在陀螺应用中必须采取措施抑制非线性相位调制的幅度。     

一种红外气体检测中谐波信号锁相放大器的设计

基于波长调制光谱技术,本文设计了一种采用键控法进行相敏检测的二次谐波信号锁相放大器。与传统相敏检测方法相比,键控法相敏检测简化了电路的设计,降低锁相放大器的成本。本文利用MATLAB软件对设计搭建了仿真模型,包括带通滤波器、相敏检测器、低通滤波器等部分。通过对模型进行仿真验证了该设计,在二次谐波信号幅度为01 V,高斯带限白噪声方差为10时,输出最大误差在2以内,且具有良好的线性度。通过仿真表明该方法能够用于气体浓度检测,且方法简单,性价比高。     

基于TDLAS技术的高斯线型二次谐波数值模拟与分析

作为新的痕量气体监测分析方法,可调谐二极管激光吸收光谱学的二次谐波技术在大气化学研究和污染气体监测得到实际应用。本文以CO气体的中心波长为λ0=1579.74nm的P（5）振-转吸收谱线为目标,建立高斯线型的二次谐波信号数值模型,仿真得到二次谐波曲线,研究了二次谐波信号特性与调制度m的关系。并对仿真结果与洛仑兹吸收线型二次谐波信号特性进行了分析和比较。     

对数变换-波长调制光谱在气体检测中的应用

为了提高痕量气体检测的稳定性并扩大动态范围,引入对数变换方法和差分检测电路,对常规波长调制光谱技术进行了改良。在使用锁相放大器提取与气体吸收相关的谐波信号之前,由自制的接收器完成对数变换和差分检测功能。通过对数变换,使激光强度调制与气体吸收引起的光功率衰减量实现了分离,再利用差分检测消除前者。受益于此双管齐下的策略,理论上可以捕捉吸收光谱的任意阶谐波分量,并且免受剩余幅度调制和谐波畸变的影响。为了验证理论,对NH3的P（6）吸收谱线的二次谐波进行了采集。在296 K的环境温度、1.01105 Pa的总压力和24.5 cm的有效光程下,假设信噪比降低为1时推导得到的理论检测下限为0.7 ppm（1 ppm=10-6）。以上结果表明该方案是痕量气体检测应用的一种理想选择。