發(fā)布時(shí)間：2020-04-30 12:52

【摘要】：多次反射長(zhǎng)光程氣體池(Multi-pass Cell,MPC)是多種光譜測(cè)量技術(shù)的核心部件之一,但對(duì)于影響提高光譜測(cè)量精度的MPC光程長(zhǎng)、多徑傳輸?shù)忍匦缘臏y(cè)量方法中,存在測(cè)量精度低、測(cè)量時(shí)效性差以及實(shí)際使用和對(duì)MPC進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)差異造成測(cè)量不準(zhǔn)確等問(wèn)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(cè)量方法,以實(shí)現(xiàn)MPC的高精度的在線實(shí)時(shí)可視化測(cè)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(cè)得的激光器的頻率調(diào)諧特性,利用反函數(shù)算法計(jì)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(wèn)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(gè)數(shù)量級(jí),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(gè)數(shù)量級(jí)。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(duì)測(cè)量路產(chǎn)生的干涉拍頻信號(hào)直接進(jìn)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(gè)數(shù)量級(jí),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(gè)數(shù)量級(jí)。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(cè)量方法。由于反饋校正方法相對(duì)于軟件重采樣方法的測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單,并且對(duì)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(shí)時(shí)可視化測(cè)量和調(diào)節(jié)的軟硬件系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體池的有效在線可視化測(cè)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(guò)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(jìn)一步提高空間測(cè)量分辨率,針對(duì)激光器頻率調(diào)諧帶寬,利用光頻域反射計(jì)(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(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體池的前向出射高分辨率測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí),空間分辨率從45.434mm提高到0.071mm,提高640倍。在氣體池中實(shí)際光程位置約1575mm處,前向測(cè)量得到的空間分辨率0.152mm比OFDR后向測(cè)量方式的空間分辨率0.427mm高2倍以上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體池的高分辨率測(cè)量。并且對(duì)MPC進(jìn)行多次調(diào)節(jié),采用波長(zhǎng)調(diào)制吸收光譜測(cè)量氣體濃度方法驗(yàn)證了調(diào)節(jié)的有效性。
【圖文】：

t——調(diào)頻時(shí)間變量；( ) ( )b af t f t （1.測(cè)量光與本振光形成的拍頻信號(hào)光強(qiáng) 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(qiáng)；Ib——測(cè)量光光強(qiáng)；——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(cè)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(cè)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(cè)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(huì)拍頻的頻譜展寬，從而導(dǎo)致空間測(cè)量分辨率的下降得高精度測(cè)量至關(guān)重要，所以國(guó)內(nèi)外對(duì)非線性校正技[56]等人采用主動(dòng)碉啾線性化對(duì)激光器調(diào)頻非線性進(jìn)進(jìn)行測(cè)距，利用帶寬和線性度的增加，產(chǎn)生的距離分了對(duì) 1.5m 距離測(cè)量只有 86nm 的測(cè)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(gè)頻率掃描激光器、氣體吸收池和參考干未知光程長(zhǎng)度差。氣體吸收池是測(cè)量系統(tǒng)的長(zhǎng)度基國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。利用測(cè)量和參考干涉儀信號(hào)之間的相位之得到被測(cè)距離，測(cè)得 0.2m 距離的相對(duì)測(cè)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN248;O433.1

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本文編號(hào)：2645786