tlas系统中光学条纹干扰的机理、特性消除方法研究

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1、TLAS系统中光学条纹干扰的机理、特性及消除方法研究ResearchontheMechanism,CharacteristicsandSuppressionoftheOpticalFringesinTLASsystem学科专业：仪器仪表工程研究生：熊博指导教师：杜振辉副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院2015年12月摘要光学条纹是影响可调谐激光器吸收光谱（tunablelaserabsorptionspectroscopy,TLAS）系统气体检测能力的重要因素之一。本文以消除光学条纹干扰、提高TLAS系统检测性能为出发点，对光学条纹的

2、机理、特性与消除方法进行了理论分析与相关实验。本文工作主要包括：首先，阐述了光学条纹产生机理及基础数学模型，并总结系统中的光学条纹的主要来源。结合TLAS技术基本原理，分析了TLAS系统中的光学条纹的表现形式与危害。其次，对光学条纹的特性做出了分析并提出了三种消除方法。对波长调制光谱（wavelengthmodulationspectroscopy,WMS）系统中的光学条纹建模，详细分析了调制系数（调制幅度）对谐波信号中光学条纹的影响，并提出了以信号条纹比（signal-fringesratio,SFR）为判定依据的调制系数优化方法。建立

3、了光学条纹映射原理以及光学条纹叠加原理，并基于理论分析提出了光学条纹的补偿方法。分析经验模态分解（EmpiricalModeDecomposition,EMD）的特点，并讨论使用EMD分离检测信号中光学条纹的可行性及优势。最后，结合TLAS实验系统，给出光学条纹消除的应用示范。研制了激光氧气分析仪，并选择调制系数优化方法抑制其光学条纹。对比实验表明，优化调制系数下光学条纹被大幅抑制，信号背景比由22提升至62，40分钟浓度测量值波动减小为原来的1/8。Allan方差评价表明，系统长期稳定性提高，检测极限接近理论极限，达120ppm（32c

4、m气体吸收光程）。使用基于条纹映射原理的光学条纹补偿方法消除气体池导致的光学条纹，在环境变化导致光学条纹漂移的情况下，光学条纹被大幅消除。补偿后的CO2测量信号与标准信号的拟合相关度由0.823提升至0.993。搭建呼吸气体二氧化碳图检测系统，使用EMD方法分离检测信号中条纹间隔较窄的光学条纹。结果表明，EMD方法离出的光学条纹与实际光学条纹基本一致，拟合相关度为0.89。本文创新点在于分析了TLAS系统中的光学条纹特性并提出了三种光学条纹消除方法。并通过基于TLAS的气体测量实验验证了本文提出的光学条纹特性，证实了三种光学条纹消除方法的

5、可行性。关键词：光学条纹可调谐激光吸收光谱（TLAS）调制系数经验模态分解气体检测ABSTRACTOpticalfringesconstituteoneofthemajorobstaclesinthegasdetectionbasedontunablelaserabsorptionspectroscopy(TLAS).InordertosuppressopticalfringesandimprovetheTLASsystem,thetheoreticalanalysisofopticalfringesisperformed,andthem

6、athematicalmodelofopticalfringesinawavelengthmodulationspectroscopy(WMS)systemaredeveloped.Basedonthetheoreticalanalysis,threeapproachesforopticalfringessuppressionareproposed,andrelevantexperimentresultsareshowed.First,themathematicalmodelandmechanismofopticalfringesarep

7、erformed,andthecommonsourcesofopticalfringesintheTLASsystemsaresummarized.ConvolvingwiththebasictheoryofTLAS,theperformanceofopticalfringesintheTLASisanalyzed.Moreover,thecharacteristicsofopticalfringesareanalyzed,andthreeapproachesforopticalfringessuppressionareproposed.

8、ThemathematicalmodelofopticalfringesintheWMSsystemisperformed,andtherelationbetweenopticalfringe