本文關(guān)鍵詞：基于TDLAS的數(shù)字信號處理與分析

  更多相關(guān)文章： TDLAS 小波去噪 溫度校準(zhǔn) 建模仿真

【摘要】：在我國的煤礦采集活動中,經(jīng)常由于瓦斯爆炸造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失,因此對于甲烷濃度的在線準(zhǔn)確測量具有重大的意義�？烧{(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)通過對檢測氣室透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化來檢測氣體的濃度,具有靈敏度高、高穩(wěn)定性、選擇性好等優(yōu)點(diǎn),近年來在氣體檢測領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。首先,以比爾-朗伯定律為理論基礎(chǔ),根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫,選擇紅外甲烷2v3帶R3支的三條吸收譜線作為研究對象。研究波長調(diào)制和諧波檢測理論,利用傅里葉級數(shù)和泰勒級數(shù)對洛倫茲線型的譜線進(jìn)行了強(qiáng)度-頻率調(diào)制模型進(jìn)行展開,分析了各次諧波信號,并給出了非線性強(qiáng)度調(diào)制下的諧波表達(dá)式,并得出諧波信號基線偏移的原因。其次,分析了TDLAS系統(tǒng)的噪聲來源及其噪聲特性,重點(diǎn)講解了小波閾值去噪對帶有噪聲的諧波信號的處理應(yīng)用,對Mallat算法的原理、分解層數(shù)、閾值函數(shù)選取和閾值的選取進(jìn)行詳細(xì)分析,并利用雙曲函數(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)閾值函數(shù),與傳統(tǒng)的軟硬閾值函數(shù)相比都有較好的效果提升。分析和對比了幾種濃度反演的方案,提出了結(jié)合最小二乘法和ffII12的方法用于濃度反演方法,并討論了光源波長漂移、頻率調(diào)制幅度和波長掃描范圍對檢測方案的影響。經(jīng)過消噪后系統(tǒng)的檢測精度提高了3倍。再次,研究了溫度變化對氣體吸收譜線參數(shù)(線強(qiáng)度、譜線寬度、氣體分子密度和氣體吸收系數(shù))以及氣體濃度測量產(chǎn)生的影響。討論了三種溫度校準(zhǔn)方案的優(yōu)缺點(diǎn),利用溫度校準(zhǔn)方案減小氣體溫度變化所帶來的測量誤差,并且結(jié)合氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來提取溫度壓力參數(shù)來提高系統(tǒng)的檢測精度和穩(wěn)定性,使得檢測濃度的溫度漂移減小25倍,達(dá)到2ppm/℃。最后,利用Matlab的Simulink仿真工具對TDLAS氣體檢測模型進(jìn)行了建模和仿真,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的激光器和光電探測器的工作參數(shù)分別建立了光源模塊、氣室模塊、數(shù)據(jù)檢測和信號處理模塊,并對整個(gè)系統(tǒng)模型進(jìn)行了測試和分析,驗(yàn)證了經(jīng)過小波去噪和溫度修正后,使得系統(tǒng)的性能得到很大的提高,并且最后介紹了對TDLAS系統(tǒng)的軟件數(shù)據(jù)處理界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)與編寫,詳細(xì)介紹了各個(gè)功能模塊。
【關(guān)鍵詞】：TDLAS 小波去噪 溫度校準(zhǔn) 建模仿真
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN911.72
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 課題研究的目的和意義11-12
• 1.3 光纖氣體傳感器12-13
• 1.4 光纖氣體傳感器研究現(xiàn)狀13-15
• 1.4.1 國外研究現(xiàn)狀13-14
• 1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀14-15
• 1.5 論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排15-17
• 第二章 波長調(diào)制和諧波檢測理論分析17-29
• 2.1 TDLAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)17-18
• 2.2 氣體吸收譜線基本理論18-21
• 2.2.1 氣體分子能級結(jié)構(gòu)18-19
• 2.2.2 譜線的線型和線寬19-20
• 2.2.3 譜線線強(qiáng)度20-21
• 2.3 比爾-朗伯定律21
• 2.4 甲烷譜線的選擇21-23
• 2.5 波長調(diào)制理論分析23-26
• 2.5.1 頻率-強(qiáng)度調(diào)制檢測方法23-25
• 2.5.2 非線性強(qiáng)度調(diào)制25-26
• 2.6 系統(tǒng)性能的影響因素26-28
• 2.6.1 調(diào)制系數(shù)的影響26-28
• 2.6.2 系統(tǒng)噪聲的影響28
• 2.6.3 環(huán)境因素的影響28
• 2.7 本章小結(jié)28-29
• 第三章 系統(tǒng)的噪聲處理及濃度反演29-52
• 3.1 系統(tǒng)的噪聲分析29-30
• 3.1.1 探測器噪聲29-30
• 3.1.2 激光器額外噪聲30
• 3.1.3 光學(xué)干涉條紋30
• 3.1.4 殘余幅度調(diào)制30
• 3.2 噪聲信號處理30-42
• 3.2.1 快速傅里葉變換濾波法31-32
• 3.2.2 小波變換去噪法32-41
• 3.2.2.1 小波變換去噪的原理32-34
• 3.2.2.2 Mallat算法的基本思路34-35
• 3.2.2.3 小波分解層數(shù)的選擇35-37
• 3.2.2.4 閾值函數(shù)的改進(jìn)37-39
• 3.2.2.5 閾值的改進(jìn)39-41
• 3.2.3 小波去噪與快速傅里葉變換的對比41
• 3.2.4 干涉條紋的處理41-42
• 3.3 濃度反演方案與改進(jìn)42-51
• 3.3.1 最小二乘法42-43
• 3.3.2 峰值擬合法43-46
• 3.3.2.1 二次諧波與一次諧波的比值法43-45
• 3.3.2.2 二次諧波與直流分量的比值法45-46
• 3.3.3 峰值擬合與最小二乘法結(jié)合法46-47
• 3.3.4 非標(biāo)定濃度反演方法47-48
• 3.3.5 濃度檢測方案分析48-51
• 3.3.5.1 波長漂移和掃描范圍的影響48-50
• 3.3.3.2 調(diào)制系數(shù)的影響50-51
• 3.4 本章小結(jié)51-52
• 第四章 系統(tǒng)的環(huán)境影響因素及修正52-68
• 4.1 譜線的壓力特性52-54
• 4.2 譜線的溫度特性54-57
• 4.2.1 溫度對譜線線強(qiáng)度的影響54-55
• 4.2.2 溫度對氣體分子密度的影響55
• 4.2.3 溫度對吸收譜線線寬的影響55-56
• 4.2.4 溫度對吸收系數(shù)的影響56-57
• 4.3 溫度波動對氣體檢測的影響57-58
• 4.4 溫度校準(zhǔn)方案58-65
• 4.4.1 溫度自校準(zhǔn)方案58-59
• 4.4.2 溫度校準(zhǔn)函數(shù)59-61
• 4.4.3 比例因子校準(zhǔn)方案61-65
• 4.4.3.1 數(shù)據(jù)庫的建立61-63
• 4.4.3.2 比例因子法修正效果63-65
• 4.5 吸收池設(shè)計(jì)65-67
• 4.6 本章小結(jié)67-68
• 第五章 系統(tǒng)的建模和分析68-82
• 5.1 系統(tǒng)參數(shù)的選擇68-69
• 5.1.1 三角波和正弦波的調(diào)制幅度選擇68
• 5.1.2 激光輸出功率及強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)的選擇68-69
• 5.2 TDLAS系統(tǒng)的建模仿真69-77
• 5.2.1 光源模塊70-71
• 5.2.2 氣室模塊71-73
• 5.2.3 光電轉(zhuǎn)換模塊73-74
• 5.2.4 數(shù)據(jù)檢測模塊74-76
• 5.2.5 數(shù)據(jù)處理模塊76-77
• 5.3 系統(tǒng)性能分析77-80
• 5.3.1 系統(tǒng)檢測精度77-78
• 5.3.2 系統(tǒng)靈敏度78
• 5.3.3 系統(tǒng)分辨率78-79
• 5.3.4 系統(tǒng)重復(fù)性79
• 5.3.5 系統(tǒng)最低探測限79-80
• 5.3.6 系統(tǒng)影響因素分析80
• 5.4 本章小結(jié)80-82
• 第六章 TDLAS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)82-89
• 6.1 軟件功能設(shè)計(jì)82-83
• 6.2 軟件界面設(shè)計(jì)83-88
• 6.2.1 系統(tǒng)功能界面84-87
• 6.2.2 軟件運(yùn)行效果87-88
• 6.3 本章小結(jié)88-89
• 第七章 結(jié)論89-91
• 致謝91-92
• 參考文獻(xiàn)92-96

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王玉田,郭廷榮,王莉田,侯培國;吸收式光纖甲烷氣體傳感器的研究[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2001年01期

，

本文編號：1017861