基于调频连续波的多通池气体传感技术研究

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1、硕士学位论文基于调频连续波的多通池气体传感技术研究MULTIPASSCELLGASSENEINGBASEDONFREQUENCYMODULATEDCONTINUOUSWAVE陈晨哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O436.2学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开工学硕士学位论文基于调频连续波的多通池气体传感技术研究硕士研究生：陈晨导师：董永康研究员申请学位：工学硕士学科：物理电子学所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O436

2、.2U.D.C:535DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringMULTIPASSCELLGASSENEINGBASEDONFREQUENCYMODULATEDCONTINUOUSWAVECandidate：ChenChenSupervisor：Prof.DongYongkangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PhysicalElectronicsAffiliation：SchoolofAst

3、ronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要光频域反射计(OFDR)作为分布式光纤传感技术中的一种，具有高空间分辨率、高信噪比、动态范围宽等优点。其系统包含线性调谐光源，波长调谐范围覆盖气体分子的吸收波段，对于目标气体的特征光谱检测具有很高的灵敏度和选择性。结合传统激光吸收光谱技术与检测装置，分布式气体传感可应用于大气环境监测，工业生产控制等应用场

4、合。本论文的主要工作重心在于结合光频域反射计的核心，调频连续波(FMCW)技术与可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术，展开多通池气体传感技术的研究与应用。从光频域反射系统的信号模型出发，介绍了多通池气体传感原理。针对光源非线性调谐引起的空间分辨率模糊问题，在硬件和软件上分别研究了光源非线性相位补偿的原理方法及其存在的局限性；根据Beer-Lambert吸收定律，讨论了不同情况下气体分子吸收光谱的线型函数，其被选择用于谱线拟合。多通池气体传感的方法研究中，从透射函数中吸收系数与吸收光程的物理意义出发，推导出包含气体

5、吸收信息的频域干涉信号表达式，模拟与分析该信号的FFT与IFFT结果。FFT下完成气体吸收光程的精确测定，IFFT下完成气体透射光谱的反演；考虑实际情况，探究分析FFT泄露与IFFT有限长度的矩形窗选取等因素对透射光谱反演的影响，并提出可行的措施用于实现多通池气体传感。结合多通池气体传感原理与方法，对多通池气体传感进行研究，同时实现气池的吸收光程的测定与透射光谱反演，通过检索多通池的内部结构的透射光谱，完成多通池内不同吸收光程下的气体浓度的检测，实现了多通池的测量动态范围的扩展。在常压100ppm低浓度乙炔气体实

6、验中，高精度测量多通池的单向吸收光程为11.2468m，同时反演了乙炔气体1520nm附近的吸收谱线，对应的探测极限为5ppm。在常压1600ppm相对高浓度乙炔气体实验中，多通池内部凹面镜在不同吸收光程下形成多级反射峰，通过检索短光程下多通池的内部结构的气体透射光谱来提高传感范围的上限。关键词：光频域反射计；调频连续波；多通池气体传感；透射光谱I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsakindofdistributedopticalfibersensingtechnology,opticalfreq

7、uencydomainreflectometryhastheadvantagesofhighspatialresolution,highsignal-to-noiseratio,andwidedynamicrange.Thesystemincludesalinearlytunedlasersource,andthewavelengthtuningrangecoverstheabsorptionbandofgasmolecules,whichhasahighsensitivityandselectivityforc

8、haracteristicspectrumdetectionofthetargetgas.Combinedwithtraditionallaserabsorptionspectrumtechnologyanddetectiondevices,distributedgassensingcanbeappliedtoatmosphericenvironmentmonitorin