一种基于TDLAS谐波探测技术的甲烷传感器

实验研究了近红外二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术在煤矿瓦斯气体安全探测中的应用.基于TDLAS的自平衡二次谐波探测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响,特殊设计的气体吸收池能有效抑制光学干涉条纹,从而降低检测限.实验中吸收池长10 cm,充有10300 ppm的甲烷气体,检测限低于6.5 ppm.这种方法不需使用多次反射池,光路调节简单,能适应煤矿中甲烷气体的监测.     

可调谐二极管激光吸收光谱技术在探测灵敏度上的探讨

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或定量的分析的一种技术方法.在对痕量气体的监测时一般会采取一定的措施去克服直接吸收型气体传感器的缺陷,提高检测精度.文中概述了TDLAS技术的研究现状,针对近年来国内外出现的基于可调谐二极管激光吸收光谱技术在减小系统干扰,提高探测灵敏度的技术措施,从系统结构处理,调制解调技术,检测装置的处理,检测信号的处理等多个方面作了深入的研讨.     

可调谐激光吸收光谱技术监测燃烧中CO检测方法比较

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收谱线的吸收光谱,从而对待测气体进行定性或定量分析.TDLAS技术与开放式的多次反射池相结合,分别利用二次谐波探测方法和自平衡加波长调制的新型检测方法,测量了酒精喷灯火焰的CO浓度.测量结果表明,自平衡加波长调制的新型检测方法与二次谐波检测方法相比,不仅使检测限提高了16.3倍,还有效地消除了激光器、火焰的光强波动影响,可以应用在燃烧控制及喷焰气体CO浓度测量等多个领域.     

可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析.在大气痕量气体和气体泄漏的监测中,为了提高探测的灵敏度,一般会根据具体情况对激光器采取不同的调制技术如波长调制、振幅调制、频率或者位相调制等,同时和长光程吸收池相结合使用,并辅之以各种噪声压缩技术.TDLAS不仅精度较高,选择性强而且响应速度快,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测.报道了最近研制的一套可调谐二极管激光吸收光谱检测大气中甲烷浓度的实验装置,这套装置具有灵敏度高、检测限低(ppb量级)、易于集成为便携式痕量气体检测仪等优点,若激光器的调谐波长范围能覆盖1.3～1.8 μm或者在光路中装配几台窄范围可调谐激光器实现波长扫描范围覆盖1.3～1.8μm,则可同时实现对大气中诸多重要痕量气体如CO2、CH4、CO、CH2O、H2S、NH3、HCI、C2H2等的同步监测.     

可调谐二极管激光吸收光谱法监测环境空气中甲烷的浓度变化

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术是利用二极管激光器波长调谐特性，获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱，从而对污染气体进行定性或定量分析。通过该方法对环境空气中甲烷（CH4）的含量进行了长时间的监测。以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器作为光源；使用多次反射池增加吸收光程来提高检测灵敏度；并且使用了二次谐波检测技术进一步降低了检测限，使检测限低于0.087mg／m^3，满足了对环境空气中甲烷进行监测的需要。     

气体浓度检测光学技术的研究现状和发展趋势

综述了近些年来国内外痕量气体浓度检测技术研究的最薪进展.首先对传统的非光学气体浓度检测技术作出了简单的介绍,包括超声波技术、气敏法、热催化法、气相色谱法、干涉法应用技术,被动检气管法,然后重点阐述了基于光谱学分析气体浓度检测技术的最新发展动态,其中分别对差分吸收光谱技术(DOAS)、傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)、差分吸收激光雷达(DIAL)和拉曼散射激光雷达、激光诱导荧光光谱技术、激光光声光谱技术进行了详细介绍,最后提出了现代气体浓度检测技术的发展方向.     

小波降噪对TDLAS 干涉抑制的研究

基于多光程吸收池的可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 系统在检测过程中容易出现噪声干扰, 影响着其 实际检测性能。针对这种干扰的特征进行分析, 提出利用小波降噪法来改善 TDLAS 系统的探测性能。首先依据理论 研究结果选择合适的小波函数和分解层数, 然后通过这种小波对叠加干扰的仿真信号进行滤波, 结果表明这种降噪技 术具有良好的去噪效果。最后利用小波降噪技术处理了实验采集的不同浓度气体的直接吸收光谱 (DAS) 和二次谐波 信号, 相比于原信号, 降噪后信号的信噪比从 0.4 增加到 259, 系统的检测限也达到 7×10−6, 表明小波降噪方法在气体 光谱检测中具有较高的应用价值。     

湍流对激光吸收光谱信号的影响及改善方法研究

为了解决可调谐激光二极管吸收光谱气体传感器在开放光路气体测量中,激光吸收光谱信号受到大气湍流的影响,使光谱信号幅度随大气湍流的波动而改变造成获取的气体吸收光谱信号形状发生畸变问题,改善湍流对激光吸收光谱信号的影响,提高信号检测灵敏度,采用改变激光波长扫描频率的办法进行了理论分析和实验验证,当激光波长扫描频率为2kHz时,吸收光谱相邻周期间的信号均方误差小于0.1。结果表明,该方法可以有效地改善激光吸收光谱信号受大气湍流的影响。     

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。     

可调谐激光痕量气体检测中的数字滤波技术的优选

为改善可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统的检测性能,以浓度为50×10-6和17×10-6的H2S气体检测为例,根据TDLAS系统的噪声特征,选择了4种数字滤波技术并利用Visual C++软件分别编写了程序对二次谐波原始信号进行压噪和有效信号的提取。结果表明,采用非线性最小二乘法与数字平均滤波技术相结合,使系统理论检测极限由原来的30×10-6提高到了5×10-6量级;对于反演后气体的浓度信号则采用Kalman滤波进行再去噪,使信噪比提高了近8倍。比较结果表明,经过上述滤波处理,TDLAS系统的信噪比和检测极限性能有明显改善。本文的上述方法实际应用到我们的TDLAS在线工业排放气体的测量系统中,取得了良好的效果。     

改进型双二进制归零码信号在标记交换系统中的新应用

提出以改进型双二进制归零码(MD-RZ)信号作为标记,分别采用差分相移键控非归零码(NRZ-DPSK)信号和差分正交相移键控非归零码(NRZ-DQPSK)信号作为载荷进行正交调制的新方案.然后提出了一种从标记信号中提取和恢复时钟的简单方案.比较了背对背系统中2.5 Gbit/s的MD-RZ标记叠加到10 Gbit/s的NRZ-DPSK载荷和20 Gbit/s的NRZ-DQPSK载荷上的频谱特性,证明了MD-RZ标记占空比越大,光分组信号的频带利用率越高.采用传统的二进制强度调制-直接检测(IM-DD)系统的接收机检测得到了背对背系统中不同占空比的2.5 Gbit/s MD-RZ标记的眼图.结果表明,若采用色散补偿技术,两种光分组信号中的MD-RZ标记能够在长距离传输时克服接收端眼图的失真;当入纤功率值高于18 dBm时,占空比取值越大,MD-RZ标记的眼开度代价具有越高的传输鲁棒性.     

泵浦激光频率漂移对光声稳频信号的影响

在CO2激光泵浦的气体太赫兹源中,泵浦激光的频率稳定性控制问题十分关键。针对基于光声效应的泵浦源稳频技术,理论分析和数值模拟了光声信号的探测条件(光声腔内气压、传声器灵敏度等)对微弱光声信号检测的影响,进而对探测条件进行了优化。在此基础上,进一步分析了泵浦激光频率在气体吸收谱线中心频率附近漂移时光声信号的变化规律。结果表明:在实际工作中,为了实现高精度的稳频,需要将光声腔的气压控制在低压范围内,并采用高灵敏度的光声传感器;当泵浦激光频率产生漂移时,利用探测到的微弱光声信号通过反馈系统可以精确地改变激光器的腔长,以实现高精度的光声稳频,且频率漂移范围可控制在MHz量级以内。     

光纤气体传感检测技术研究

光谱吸收型光纤气体传感器可以实现对气体的准确、快速、高灵敏度的检测,结合原理和典型系统综述了五种检测方法,其中单波长光谱吸收检测、差分检测、谐波检测技术发展得比较成熟,并且开始应用在石油化工等领域,而光腔衰荡光谱技术（CRDS）和有源腔气体检测技术是近几年刚兴起的新技术,具有实际吸收光程长,检测精度不受光源强度及其变化影响的特性,是很有发展潜力的光谱吸收检测技术。     

Advanced modulation formats for more robust optical transmission systems

Interest in advanced modulation formats for optical communication systems has so far experienced two major waves. The first one was motivated by the potential to enhance receiver sensitivity of thermal noise-limited systems using coherent detection in combination with phase shift keying. It ended with the advent of optical amplification, enabling high sensitivities together with polarization insensitive, simple and stable direct detection. The second wave is still rolling, fueled by the potential of advanced modulation formats to increase robustness of optical transmission systems against signal distortions. Due to performance limitations given by direct detection and nonlinear effects in the transmission fiber, it is not decided yet, whether there will be widespread application in carrier networks.     

基于平均滤波算法的光纤气体传感系统研究

数字平均滤波是信号处理中一种常用的方法。在小信号检测中,使用数字平均滤波可以获得较高的信噪比,提高检测的灵敏度。本文提出了一种利用光学器件来实现数字平均滤波的新方法,应用于基于差分吸收检测原理的窄带扫描光源光纤气体传感系统。系统的输出是一段连续的光谱,包含有被测乙炔气体的多个特征吸收峰。系统使用法珀标准具ETALON和参考光栅提供波长参考,完成对输出信号的光谱重建。对相同波长范围的信号进行平均滤波,使气体的相同特征吸收峰重合,提高检测的灵敏度。利用光谱重建,克服了可调谐Fabry-Perot滤波器驱动电压和透射波长不稳定因素的影响。实验结果表明,本系统可以方便有效地实现光谱意义上的数字平均滤波,检测到较低浓度的乙炔气体,比较适用于工业化气体检测系统。     

Transmission Performance Comparison of Direction Detection‐Based 100‐Gb/s Modulation Formats for Metro Area Optical Networks

Transmission performances of direct detection‐based 100‐Gb/s modulation formats are investigated and compared for metro area optical networks. The effects of optical signal‐to‐noise ratio sensitivity, chromatic dispersion, cross‐channel nonlinearity, and transmission distance on the performance of differential 8‐ary phase‐shift keying (D8PSK), differential phase‐shift keying plus three‐level amplitude‐shift keying (DPSK+3ASK), and dual‐carrier differential quaternary phase‐shift keying (DC‐DQPSK) are evaluated. The performance of coherent dual‐polarization quadrature phase‐shift keying (DP‐QPSK) with block phase estimation and coherent DP‐QPSK with digital differential detection are also presented for reference. According to our analysis, all three direct detection modulation formats could transmit a 100‐Gb/s signal over several hundred kilometers of a single‐mode fiber link. The results also show that DC‐DQPSK outperforms D8PSK and DPSK+3ASK, and the performance of DC‐DQPSK is comparable to that of coherent DP‐QPSK with digital differential detection. The maximum transmission distance of DC‐DQPSK is over 1,000 km, which is enough distance for metro applications.     

基于谐波检测原理的双光路CH4检测研究

基于谐波检测原理,研究了一种高灵敏度易于实现的近红外光谱吸收型光纤CH4气体传感器.系统采用分布反馈式(DFB)LD做光源,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,加入参考光路和参考气室,利用2个二次谐波的比值作为系统输出,消除了光源波动和光路干扰的影响,建立了传感器的数学模型,给出了CH4气体测量系统的实验结果,实验表明,该仪器的检测灵敏度可以达到1×10-4.     

丙丁烷TDLAS测量系统的吸收峰自动检测

基于丙丁烷在3.37μm处的基频吸收峰,使用相应中心波长的连续带间级联激光器和长光程吸收池,研制了基于波长调制技术的丙丁烷气体检测系统。为自动确定波长调制过程中的锯齿波中心值参数,基于电流与输出光频率的线性关系,通过均匀增加激光器驱动电流获得直接吸收光谱。使用基于洛伦兹线型的拟合算法确定吸收峰值对应电流,使锯齿波输出光以其为中心覆盖吸收峰。实验证明,以拟合结果31.94mA为中心值的锯齿波,在叠加频率为20 000Hz、幅值为0.03V的高频正弦调制波后,系统二次谐波峰值超过100mV。算法全过程不依赖标气和F-P标准具等精密光学器件,可适应实际生产条件下的系统自动定参。