發(fā)布時間：2020-04-30 12:52

【摘要】：多次反射長光程氣體池(Multi-pass Cell,MPC)是多種光譜測量技術(shù)的核心部件之一,但對于影響提高光譜測量精度的MPC光程長、多徑傳輸?shù)忍匦缘臏y量方法中,存在測量精度低、測量時效性差以及實際使用和對MPC進行測量的系統(tǒng)差異造成測量不準(zhǔn)確等問題。因此本文提出頻率調(diào)制連續(xù)波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)前向出射外差干涉測量方法,以實現(xiàn)MPC的高精度的在線實時可視化測量和調(diào)節(jié)。本文工作主要包括:第一,提出了硬件反饋式和軟件重采樣兩種激光器頻率調(diào)諧線性化校正方法。硬件反饋式方法采用迭代的方式根據(jù)輔助干涉儀測得的激光器的頻率調(diào)諧特性,利用反函數(shù)算法計算激光器的下一次注入電流波形,該反饋校正方法不存在失鎖問題。用該方法將激光器的頻率調(diào)諧特性線性擬合殘差從11.93 GHz降低到0.03 GHz,降低了3個數(shù)量級,MPC系統(tǒng)光程差為3144.9mm下校正后空間分辨率為3.5mm,比未校正的空間分辨率至少提高3個數(shù)量級。軟件重采樣方法不需要改變激光器注入電流等硬件條件,利用輔助干涉儀對測量路產(chǎn)生的干涉拍頻信號直接進行軟件重采樣校正。校正前后得到激光器的頻率調(diào)諧特性線性擬合殘差從11.75GHz降低到7.21×10~(-4)GHz,提高了5個數(shù)量級。MPC系統(tǒng)光程差為7630.4mm下得到校正后空間分辨率為4.0mm,比未校正的至少提高4個數(shù)量級,而且軟件重采樣方法噪聲水平為-80dB比硬件反饋式的噪聲水平-60 dB低兩個數(shù)量級。第二,首次提出了采用FMCW結(jié)合反饋式校正方法的外差干涉前向出射氣體池系統(tǒng)測量方法。由于反饋校正方法相對于軟件重采樣方法的測量系統(tǒng)簡單,并且對于較大的干擾拍頻能夠滿足調(diào)節(jié)的需要,因此,采用反饋式校正方法搭建氣體池在線實時可視化測量和調(diào)節(jié)的軟硬件系統(tǒng),并實現(xiàn)對氣體池的有效在線可視化測量和調(diào)節(jié)。在光程差為8.45m情況下在4.75m處存在的由于多徑反射形成的拍頻干擾,經(jīng)過調(diào)節(jié)氣體池的微調(diào)旋鈕后去除了4.75m處干擾峰值。第三,為了進一步提高空間測量分辨率,針對激光器頻率調(diào)諧帶寬,利用光頻域反射計(Optical Frequency Domain Reflection,OFDR)做光源,激光器的頻率調(diào)諧范圍從GHz增大到THz,并結(jié)合重采樣方式首次實現(xiàn)了對氣體池的前向出射高分辨率測量。校正前后得到激光器的頻率調(diào)諧特性線性擬合殘差從15.11GHz降低到1.97×10~(-4)GHz,降低了5個數(shù)量級,空間分辨率從45.434mm提高到0.071mm,提高640倍。在氣體池中實際光程位置約1575mm處,前向測量得到的空間分辨率0.152mm比OFDR后向測量方式的空間分辨率0.427mm高2倍以上,實現(xiàn)了對氣體池的高分辨率測量。并且對MPC進行多次調(diào)節(jié),采用波長調(diào)制吸收光譜測量氣體濃度方法驗證了調(diào)節(jié)的有效性。
【圖文】：

t——調(diào)頻時間變量；( ) ( )b af t f t （1.測量光與本振光形成的拍頻信號光強 I 如式（1.5）所示：2 cos[( ) ]a b a b a bI I I I I t （1.Ia——本振光光強；Ib——測量光光強；——兩路光的相位差；將式（1.3）和（1.4）帶入式（1.5），得到式（1.6）：2 cos[2 ]a b a bLI I I I I k tc （1.c——光速；ΔL——本振光路和測量光路的光程差；從式（1.6）得到光程差與拍頻頻率的關(guān)系如式（1.7）所示，根據(jù)該式得到被測標(biāo)的距離信息：cL fk （1.

圖 1.3 拍頻形成原理[55]10波激光掃頻干涉測距原理是假設(shè)激光調(diào)頻是理想線身很難做到出射光頻率調(diào)諧是理想線性的，一般都會拍頻的頻譜展寬，從而導(dǎo)致空間測量分辨率的下降得高精度測量至關(guān)重要，所以國內(nèi)外對非線性校正技[56]等人采用主動碉啾線性化對激光器調(diào)頻非線性進進行測距，利用帶寬和線性度的增加，產(chǎn)生的距離分了對 1.5m 距離測量只有 86nm 的測量誤差，但是這出現(xiàn)反饋環(huán)路失鎖現(xiàn)象。 Dale[57]等人提出了采用頻率掃描干涉（FSI）技術(shù)的SI，使用兩個頻率掃描激光器、氣體吸收池和參考干未知光程長度差。氣體吸收池是測量系統(tǒng)的長度基國際標(biāo)準(zhǔn)。利用測量和參考干涉儀信號之間的相位之得到被測距離，測得 0.2m 距離的相對測量不確定度
【學(xué)位授予單位】：北華航天工業(yè)學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN248;O433.1

【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：2645786