基于非合作目标激光气体遥测仪的设计开发与应用研究

激光气体遥测作为本征安全气体探测方法,可进行实时在线、非接触、远距离探测,具有独特的优势。基于非合作目标设计和开发一款具有完全自主知识产权的便携、轻巧、可实用化的手持式激光甲烷气体遥测仪,其温控芯片采用WTC3243,控温精度可达0.01℃,收发一体光学遥测组件采用平行光轴设计。通过标准气体比对测试,结果表明测量相对误差在±5%范围之内,测量综合偏差为293×10^-6 m,遥测仪测量值与标准积分浓度值之间的拟合优度达0.999。经过不同遥测距离测试,结果表明遥测距离可达20 m,且系统具有不同遥测距离测量的一致性。通过甲烷泄漏气团实际环境模拟测试,结果表明设计与开发的该手持式激光甲烷气体遥测仪完全可用于实际燃气管道等场所甲烷气体泄漏的实时在线、非接触、远距离遥测,且满足测量要求。     

非合作目标高精度激光甲烷遥测参数仿真分析与实验研究

针对非合作目标激光甲烷遥测系统测量误差大、精度低和抗干扰能力差等问题,基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技术和波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy, WMS)技术,利用simulink软件建立一套甲烷积分浓度遥测仿真系统。采用归一化二次谐波检测技术去除环境干扰。仿真分析了正弦波频率和调制系数m对归一化二次谐波信号的影响,结果表明,m=2.2为最佳调制系数,正弦波频率的大小对归一化二次谐波信号无影响,确定了甲烷积分浓度检测的有效范围为0—2000 ppm·m,在该范围内,系统仿真的误差为-3.57%—4.06%。根据仿真结果对遥测仪进行了相关参数优化和实验研究与分析,结果表明系统测量误差为-4.68%—2.45%,采用Allan方差分析方法对系统的稳定性和检测限进行评估,该系统5 s积分时间内的检测下限为37.85 ppm·m,最佳积分时间为345 s,对应的检测下限为6.27 ppm·m。该研究结果对高精度激光甲烷遥测系统研发具有重要的意义。     

基于波长调制光谱和小波去噪的激光甲烷遥测系统

为进一步提高激光甲烷遥测仪的抗噪能力,在波长调制光谱技术"相干检测、低1/f噪声"的基础上,进一步利用小波去噪技术的"多尺度、多分辨分析"能力对气体吸收传感信号进行去噪处理。首先建立了一种甲烷遥测系统,通过仿真优化了小波去噪的相关参数,并分析了基于经验模态分解的小波去噪方法的效果;在采用和不采用小波去噪算法的情况下,开展了传感器性能的对比实验,以此验证该技术应用于遥测系统的可行性。利用积分浓度为200×10~(-6) m的甲烷气体样品开展的甲烷检测实验结果表明,采用小波去噪算法提取二次谐波信号时,可将信噪比从116.4提高到179.8。对遥测系统开展的标定实验结果表明,提取的二次谐波信号幅值与气体浓度呈正比,未采用小波去噪算法时二者的拟合优度为0.990,采用小波去噪算法后的拟合优度为0.996。根据Allan方差的计算结果,未采用小波去噪算法时检测下限为3.4×10~(-6) m,采用小波去噪算法后检测下限降至1.7×10~(-6) m,检测分辨率提高了1倍。基于小波去噪和波长调制技术的激光甲烷遥测方法具有较高的信噪比、线性度和稳定性,可推广应用至现有的甲烷遥测系统中。     

薄膜激光损伤阈值标定技术

为了满足薄膜激光损伤阈值客观、准确、高精度测量的要求, 提出了损伤阈值标定技术。通过互换两个能量探测器位置的试验标定方法, 消除分光镜的分光误差和能量探测器的测量误差, 获得准确的辐照能量。再通过调整两个CCD位置获得相同光斑尺寸的测量方法标定被测样品表面与光斑面积测量面的等效, 并剔除激光光斑中非平顶部分, 获得准确的辐照光斑面积。最后采用最小二乘法对计算得到的能量密度及其对应的损伤几率进行拟合, 获得损伤阈值。通过对TiO₂/SiO₂高反射膜1064nm激光辐照测量实验, 得到23.0164J/cm2的薄膜激光损伤阈值。结果表明, 采用标定技术使薄膜激光损伤阈值的测量精度提高了9.26%, 满足高精度的测量要求。此研究有助于薄膜激光损伤阈值的准确标定。     

基于射频噪声源下的离轴积分腔输出光谱技术中腔镜反射率标定研究

离轴积分腔输出光谱技术具有实验装置简单、灵敏度高、响应时间快等特点,常被应用于一些超高灵敏度的气体探测领域。高反射率镜片作为系统的重要组成部分,其反射率是影响整个光谱系统测量准确性的重要因素之一。结合射频噪声源搭建了一套离轴积分腔输出光谱测量系统,首先以CH₄气体在6046.96 cm^-1处的吸收谱线作为研究目标,对不同压力下有无噪声源时的腔镜反射率进行了标定研究,结果表明在有无噪声源两种不同条件下标定的镜片反射率具有一致性,而且反射率随着压力的增加有降低的趋势,计算得到的镜片最高反射率约为0.99992。进而对有无噪声源时0.4μmol/mol浓度下的CH₄测量信号进行了研究,发现引入噪声源后,虽然降低了信号的峰值高度,但信噪比提高了约1.3倍,最小可检测浓度为0.0045μmol/mol,表明该系统可有效用于大气环境以及工业应用过程中的CH₄高灵敏度测量。     

以干扰光谱做内部标准的乙醇激光遥测技术

乙醇是具有宽带吸收特征的大分子挥发性有机物气体,其宽带吸收受空气背景光谱的干扰,这给遥测带来了极大的困难。文中提出通过准确测量干扰光谱、用干扰光谱作为差分吸收谱内部标准的宽带谱气体分析方法,修正光谱分析系统可能的基线偏移和非线性,该方法成功应用于乙醇气体的激光遥测。针对乙醇的近红外特征吸收（7180 cm?1）,在实验室条件下,以近红外DFB激光器构建了开放式的遥测实验系统,测量结果表明乙醇浓度测量误差小于3.5 ppm,由Allan方差评价结果表明在积分时间15.1 s时,检测限2.6 ppm,比目前报道的最低检测限低近2个数量级。实现了乙醇的高灵敏开放光程遥测,为进一步研制小型化的乙醇气体遥测系统奠定了基础。     

基于数字锁相放大器的甲烷气体检测仪设计

针对甲烷气体浓度实时检测的要求,设计了一型基于谐波检测原理的检测仪器。该仪器由DFB激光器、准直器、角反射器构成高信噪比光路系统,由数字锁相放大器提取甲烷气体吸收后的一次和二次谐波,并采用标准仪器校准、最小二乘拟合等方法,得到了甲烷气体浓度计算公式,最大测量误差不超过1.1%。测试表明：该仪器通过高性能光路系统和数字电路提取微弱信号,提高了仪器工作稳定性和检测信噪比,测量误差满足使用要求。     

基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统研制

针对甲烷气体泄漏高精度、非接触和远距离探测的需求，提出一种基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统。该系统采用高级精简指令集机器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)双核架构，FPGA实现数字锁相解调提取一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号，ARM通过串行外设接口(SPI)实时接收FPGA解调的1f、2f信号并传送至Labview进行谐波信号分析和甲烷浓度在线解调。通过2f/1f信号处理技术消除光强与靶标反射系数的变化对系统测量结果的影响。研究同等实验条件下0～90 m范围内谐波信号与探测距离的关系，结果表明，2f/1f信号处理技术对噪声抑制效果显著。测量不同积分浓度的谐波信号，采用最小二乘法对2f/1f和气体积分浓度数据进行线性拟合，获得系统标定线性度，为0.9966。对系统误差进行实验测量和分析，在0～2000×10^-6 m范围内，系统测量最大相对误差为-3.66%，最小为-0.23%。利用1500×10^-6 m甲烷浓度的二次谐波信号评估系统的检测下限为70.5×10^-6 m。结果表明，设计和研制的甲烷泄漏遥测系...     

使CO2浓度测量误差减小的星载激光雷达波长优化

研究了星载积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达系统工作波长与大气CO2 分子柱线浓度测量误差之间的关系,并优化波长以降低测量误差。首先介绍CO2 分子柱线浓度测量原理,理论分析并模拟仿真了系统随机误差、温度不确定性误差、频率不稳定性误差和水蒸汽干扰误差随激光雷达工作波长变化关系,优化工作波长使浓度测量总误差达到最小值。最终选定激光雷达on-line波长为6361.2250cm-1,off-line 波长为6 360.99 cm-1,并仿真计算得到温度不确定性为1 K、频率不稳定度为0.6 MHz 时,共导致的CO2 柱线浓度测量误差为0.58710-6,达到CO2 浓度测量精度110-6 的要求,为星载IPDA 激光雷达系统实现高精度CO2 柱线浓度探测优化系统参数提供了参考。     

面向特大齿轮的激光跟踪测量精度提升方法

为实现特大齿轮激光跟踪测量精度的提升,采用激光跟踪仪与柔性关节坐标测量臂相结合的测量方式,建立了基于激光跟踪多边测量方法的特大齿轮组合式测量网络。采用柔性关节坐标测量臂蛙跳技术确定激光跟踪仪全局坐标系与柔性关节坐标测量臂坐标系之间的坐标转换关系,实现不同站位下测量臂测量数据的空间配准。引入激光跟踪仪多边测量方法,摒弃其角度测量模块,建立激光跟踪多边测量位置参数标定模型,通过测量冗余数据并对其进行L-M优化迭代,以提高激光跟踪仪的全局控制精度。对建立的组合式测量网络进行仿真实验,分析对比测量数据,组合式测量网络的测量误差平均值为0.007 mm,误差标准差为0.004 mm,相同条件下,使用激光跟踪仪直接测量方法的测量误差平均值为0.044 mm。仿真实验分析表明,该方法显著提升了测量精度,满足了特大齿轮现场齿形测量的要求,具有较好的理论与工程应用价值。     

用于激光微烧蚀冲量测量噪声误差的蒙特卡洛分析方法

水平扭摆冲量测量装置是研究激光与工质烧蚀冲量耦合的有效手段。针对测量过程易受干扰的特点,基于冲量瞬间作用模型,通过系统参数标定误差和冲量误差与噪信比关系,采用蒙特卡洛数值仿真方法,提出了测量噪声影响系统参数标定和冲量测量误差的分析方法。所提出的方法可应用于分析测量噪声对系统参数标定误差、冲量测量误差的影响规律研究,为微小冲量测量误差和结构设计提供依据。     

基于球心拟合的多边激光跟踪系统自标定方法

随着大尺寸工件和设备的制造加工以及装配的精度要求提高,对工件加工装配过程进行测量的测量系统精度要求也有所提高。多边法激光跟踪三维坐标测量系统只利用距离测量数据解算空间点坐标,能够避免激光跟踪仪角度测量带来的误差。文中提出了一种通过在跟踪仪测头挂载夹具进行球心拟合来获取跟踪仪测量原点的方式进行系统自标定,并辅以移站的方式,可使用两台激光跟踪仪构建四站多边法激光跟踪三维坐标测量系统。另外,文中还尝试了三站系统的构建。实验证明,四站系统将对标称长度1000.943 mm位于约20 m处的标准尺长度测量误差由最大110 μm减小至28 μm,三站系统将对标称长度969.045 mm位于约7.5 m处的标准尺长度的测量误差由最大67 μm减小至21 μm,相较于单台跟踪仪提高了精度,相较于传统多边系统降低了测站数量和成本,能够在工业现场实现高精度三维坐标测量。     

基于组合激光光源的双组分微量气体检测系统

CH₄和C₂H₂是变压器发生故障时两种重要的特征气体。为了实现对变压器中溶解的微量CH₄和C₂H₂气体含量检测的需求, 采用激光光声光谱气体检测技术, 通过分析CH₄和C₂H₂气体的近红外吸收谱线, 选取合适的激光光源并确定激光调制参数; 设计并搭建了一套以双激光光源和非共振光声池为核心的光声光谱微量CH₄和C₂H₂气体检测系统, 获得了系统对CH₄和C₂H₂气体检测灵敏度和低含量检测误差。结果表明, CH₄和C₂H₂气体分别在体积分数为0~1000×10-6和0~500×10-6的范围内具有良好的线性响应, 每10-6体积分数的检测响应度分别为5.8969μV和16.1831μV; 在低含量CH₄/C₂H₂混合气体对系统的重复性和精度测试中, CH₄气体体积分数为3.00×10-6时的检测最大绝对误差为0.30×10-6, C₂H₂气体体积分数为0.50×10-6时的检测最大绝对误差为0.20×10-6。此研究结果满足测量误差的技术指标要求, 实现了对微量CH₄和C₂H₂气体的高灵敏度检测。     

采用VCSEL激光光源的TDLAS甲烷检测系统的研制

相比于使用DFB边发射激光器,采用VCSEL激光器作为检测光源的TDLAS激光气体检测系统,具有功耗低的优点。针对低功率下的TDLAS气体检测信号特点,结合VCSEL激光光源调制特性,自主开发了VCSEL激光器驱动模块、信号采集及处理模块,采用波长调制光谱(WMS)技术研制出了一套低功率甲烷(CH4)气体检测系统。选择了1653.7 nm附近CH4分子的吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。实验研究了不同浓度的CH4检测的响应情况,记录2f信号的峰峰值并进行线性拟合,线性度为0.999 8。该检测系统在50~500 ppmv范围内,检测精度优于10%,检测下限为10 ppmv。对250 ppmv的CH4持续检测10 h,数值波动小于±2.4%。引入Allan偏差分析,初始积分时间为1 s时,Allan偏差为9.9 ppmv;积分时间达到359 s时,Allan偏差为0.06 ppmv,表征了系统良好的稳定度。     

机载激光雷达测量二氧化碳浓度误差分析

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项,分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理,并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差,激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差,以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明:在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时,机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm,满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。     

一种三维激光雷达系统标定方法北大核心CSCD

为了解决无人化叉车在运行中对物料的尺寸及距离的高精度测量要求,设计了一个基于二维激光雷达和步进电机云台的长臂三维激光雷达系统,并重点研究了此系统的参数标定方法。针对现有标定方法存在忽略了激光中心和旋转轴中心的安装误差,特定点选取易造成较大标定误差等问题,通过建立激光雷达系统的数学模型,分析其内在联系,使用解耦合的方法分离待标定参数,并使用直线拟合的方法和双拟合平面重合的方法来标定未知系统参数。通过室内标定实验和叉车搭载测量实验进行验证,结果表明,标定参数准确可靠,测量误差不超过3%,满足无人化叉车作业的要求。     

高精度双闭环负反馈激光器温度控制系统设计

为保证激光甲烷传感器在煤矿等现场环境应用的测量精度和长期工作稳定性，首先提出了一种基于激光吸收峰和工作温度的高精度双闭环激光器温度控制系统设计方法，以提高DFB激光器温控系统的控制精度，减小温控系统对激光甲烷传感器测量值的影响。采用ADN8834集成TEC控制器芯片，设计了基于PI补偿网络的温度控制系统，并对温控系统进行仿真分析，得到了系统的频域、时域特性。为验证温控系统的精度和长期工作稳定性，激光甲烷传感器整机通过了（-20~60）℃高低温实验和60天长期工作稳定性实验，激光器温控系统对吸收峰的控制误差减小到±1.8‰，为激光甲烷传感器在煤矿等工业现场的应用提供了技术支撑。     

用焦斑法测量激光辐射发散角的误差

激光的发散性是激光辐射最重要的特性之一.目前,焦斑法测量激光辐射发散角在实践中获得广泛应用.这种方法使用了无象差透镜和光子记录器,例如,在透镜焦面上记录光场分布的胶卷.所使用记录器的动态范围应该尽可能大,因为在最佳情况下,测量误差的10%～12%由它决定.这种测量发散角的方法仍然有些不足之处,这就是必须对胶卷进行预先标定和光化学处理以及显微光度学测量.     

基于气体吸收光谱的新型激光测距技术仿真研究

提出了一种基于气体吸收光谱的新型激光测距技术,将携带气体吸收光谱信息的参考光信号和测量光信号混频,利用傅里叶变换提取光程差,从而得出距离信息.根据推导的测距原理设计了基于激光甲烷遥测仪的测距系统,通过Matlab软件对测距过程进行了仿真分析.仿真结果验证了新型气体激光测距技术的可行性,为开发激光气体雷达指出了有意义的探索方向.     

基于QE65000光谱仪和DOAS的大气痕量气体浓度测量

针对QE65000光谱仪低噪声、紫外灵敏度高且尺寸小和重量轻等特点,开发了基于QE65000的差分吸收光谱(DOAS)遥测系统。首先研究了QE65000光谱仪探测器的偏置、暗电流以及暗电流与积分时间的关系,然后利用汞灯标定了光谱仪的波段范围和分辨率,并构建了基于QE65000的DOAS遥测实验装置,给出利用此系统测量的大气痕量气体吸收光谱和氙灯吸收谱,基于差分原理反演了大气中痕量气体的浓度,并给出测量误差和遥测系统探测低限。研究结果表明QE65000光谱仪应用于差分系统,为实现DOAS系统的小型化、便携化提供了可能。