氣體探測(cè)在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、燃?xì)夤艿罊z測(cè)、大氣科學(xué)研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于光學(xué)源器件的高成本,基于激光光譜的氣體傳感器通常為單點(diǎn)傳感器,一套設(shè)備只能檢測(cè)一個(gè)位置,在大范圍長(zhǎng)距離的應(yīng)用場(chǎng)景中布設(shè)大量單點(diǎn)傳感器成本較高。另外,基于吸收光譜的氣體傳感器的吸收光程通常是固定的,則其濃度測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍也有限。因此研究可以降低大范圍氣體探測(cè)成本和提高氣體濃度探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的氣體探測(cè)方案具有較大意義。調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)具備高空間分辨率和高靈敏度,它也具有掃頻特性,掃頻范圍足以覆蓋氣體的吸收峰,因此FMCW技術(shù)在原理上能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸收定位和光譜測(cè)量。本文利用FMCW技術(shù)的頻分復(fù)用特點(diǎn),反演空間中不同位置對(duì)應(yīng)的氣體透射光譜信號(hào),將主要進(jìn)行三方面的研究。第一,通過仿真研究了基于FMCW的光譜反演過程。研究該方法的光譜分辨率及頻譜泄漏引起的光譜信號(hào)的振蕩噪聲,并提出使用Savitzky-Golay濾波去噪的解決方案。第二,通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了基于FMCW的多點(diǎn)氣體探測(cè)。提出了基于FMCW的多點(diǎn)氣體探測(cè)方案,并仿真了多點(diǎn)乙炔氣體透射光譜反演過程,仿真了通道間的串?dāng)_影響。在實(shí)驗(yàn)研究中實(shí)現(xiàn)了濃度分別為11... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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基于空分復(fù)用的多點(diǎn)氣體探測(cè)基本結(jié)構(gòu)[6]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-方案[6]。如圖1-1所示，該系統(tǒng)以DFB激光器為系統(tǒng)光源，通過標(biāo)準(zhǔn)1550nm耦合器將光功率分為多路，通過光纖分別連接到各路的微光學(xué)氣池，氣池兩端通過表面鍍有增透膜的梯度折射率（Gradientindex,GRIN）棱鏡耦合，光透過氣池后連接到各自的探測(cè)器。探測(cè)器探測(cè)到的光電信號(hào)由信號(hào)處理單元處理。實(shí)驗(yàn)中，通過波長(zhǎng)調(diào)制光譜測(cè)量了1665nm處的甲烷吸收信號(hào)，系統(tǒng)的噪聲限制主要是來(lái)自氣池上的干涉效應(yīng)。(a)多點(diǎn)甲烷探測(cè)系統(tǒng)(b)64點(diǎn)系統(tǒng)的光功率分配圖1-1基于空分復(fù)用的多點(diǎn)氣體探測(cè)基本結(jié)構(gòu)[6]2017年，何應(yīng)等人提出基于微納光纖倏逝場(chǎng)石英增強(qiáng)光聲光譜（Micro-nanofiberevanescentwavequartz-enhancedphotoacousticspectroscopy,FEW-QEPAS）的多點(diǎn)氣體探測(cè)方案[7]。PAS具有高靈敏度、抗外界干擾等特性，被廣泛應(yīng)用于痕量氣體探測(cè)，F(xiàn)EW-QEPAS能降低傳感系統(tǒng)尺寸和提高光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖1-2(a)為實(shí)驗(yàn)裝置圖，三個(gè)拉錐光纖串聯(lián)在光路中，彼此間隔1km，拉錐光纖用于產(chǎn)生倏逝常在每個(gè)傳感點(diǎn)分別用各自的石英音叉探測(cè)聲波信號(hào)，DFB激光器在鋸齒調(diào)(a)實(shí)驗(yàn)裝置圖(b)測(cè)量結(jié)果圖1-2基于FEW-QEPAS的多點(diǎn)氣體探測(cè)系統(tǒng)[7]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-制的同時(shí)加上高頻正弦調(diào)制，通過電腦控制鎖相放大器，測(cè)量各傳感點(diǎn)的WMS-2f信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如圖1-2(b)所示。該方案中，各傳感點(diǎn)需要使用各自單獨(dú)的探測(cè)器，符合SDM特點(diǎn)。（2）基于WDM的多點(diǎn)氣體探測(cè)方案2003年，ZhangY等人提出基于腔內(nèi)光譜的多點(diǎn)氣體探測(cè)方案[10]。如圖1-3所示，以FBG為激光器的波長(zhǎng)選擇腔內(nèi)反射鏡，用可調(diào)諧濾波器將工作波長(zhǎng)調(diào)整到不同的布拉格波長(zhǎng)，被選光柵的布拉格波長(zhǎng)正好對(duì)到氣體的不同吸收線上，存在氣體吸收時(shí)會(huì)改變腔內(nèi)損耗，從而改變激光輸出功率。各FBG的波長(zhǎng)不同，則可以實(shí)現(xiàn)多位置的氣體濃度探測(cè)。該系統(tǒng)可復(fù)用的傳感器數(shù)量受限于EDFA增益譜內(nèi)氣池吸收線的個(gè)數(shù)。在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了兩個(gè)傳感器復(fù)用系統(tǒng)，串?dāng)_影響可以忽略，靈敏度比傳統(tǒng)單通傳感器高15倍。(a)(b)圖1-3基于腔內(nèi)光譜的多點(diǎn)氣體探測(cè)系統(tǒng)。(a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(b)激光器輸出功率譜（空氣、20%C2H2和80%N2）[10]2013年，LiuM等人提出用于長(zhǎng)距離管道檢測(cè)的準(zhǔn)分布區(qū)域選擇氣體探測(cè)方案，該方案基于WDM原理實(shí)現(xiàn)多位置傳感[11]。如圖1-4(a)所示，為三點(diǎn)傳感系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。該技術(shù)利用FBG作為每個(gè)區(qū)域的光譜檢測(cè)單元，由于氣體分子具有多個(gè)吸收線，將每個(gè)FBG的反射波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)到氣體的不同吸收線上，用光譜儀記錄所有FBG的反射譜，當(dāng)存在氣體吸收時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的反射譜強(qiáng)度發(fā)生變化。如圖1-4(b)所示，為存在吸收前后光譜儀的測(cè)量信號(hào)，通過前后對(duì)比，反推氣體吸收強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的濃度信息。該系統(tǒng)可用于長(zhǎng)距離管道檢測(cè)。理論仿真分析顯示，每個(gè)傳感區(qū)域?yàn)?km時(shí)，最大傳感區(qū)域?yàn)?9個(gè)，可傳感范圍為20km；每個(gè)傳感區(qū)域10km時(shí)，最大傳感區(qū)域?yàn)?個(gè)，可傳感范圍為80km。

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]幾種改進(jìn)OFDR性能方法的提出及驗(yàn)證[D]. 丁振揚(yáng).天津大學(xué) 2013
[2]氣體監(jiān)測(cè)的可調(diào)諧多模二極管激光關(guān)聯(lián)光譜技術(shù)研究[D]. 婁秀濤.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2009

碩士論文
[1]基于調(diào)頻連續(xù)波的多通池氣體傳感技術(shù)研究[D]. 陳晨.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[2]可調(diào)諧二極管激光波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)的模擬研究[D]. 陳斌.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010



本文編號(hào)：2973602