基于TDLAS的數(shù)字信號處理與分析.pdf

1、在我國的煤礦采集活動中，經常由于瓦斯爆炸造成人員傷亡和財產的損失，因此對于甲烷濃度的在線準確測量具有重大的意義?？烧{諧二極管激光光譜吸收技術通過對檢測氣室透射光強或反射光強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，近年來在氣體檢測領域中得到廣泛應用。
　　首先，以比爾-朗伯定律為理論基礎，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。研究波長調制和諧波檢測理論，利用傅里葉級數(shù)和

2、泰勒級數(shù)對洛倫茲線型的譜線進行了強度-頻率調制模型進行展開，分析了各次諧波信號，并給出了非線性強度調制下的諧波表達式，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，重點講解了小波閾值去噪對帶有噪聲的諧波信號的處理應用，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行詳細分析，并利用雙曲函數(shù)設計了一個閾值函數(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

3、的方案，提出了結合最小二乘法和I2f/I1f的方法用于濃度反演方法，并討論了光源波長漂移、頻率調制幅度和波長掃描范圍對檢測方案的影響。經過消噪后系統(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生的影響。討論了三種溫度校準方案的優(yōu)缺點，利用溫度校準方案減小氣體溫度變化所帶來的測量誤差，并且結合氣室結構的設計來提取溫度壓力參數(shù)來提高系統(tǒng)的檢測精度和

4、穩(wěn)定性，使得檢測濃度的溫度漂移減小25倍，達到2ppm/℃。
　　最后，利用Matlab的Simulink仿真工具對TDLAS氣體檢測模型進行了建模和仿真，根據(jù)實驗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，并對整個系統(tǒng)模型進行了測試和分析，驗證了經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)處理界面進行了設計與編寫，詳細介紹了各個功能模塊