用于中红外痕量气体检测的光电信号高速采集系统设计

在中红外波段,大多数气体分子吸收光谱的线宽都很窄,因此红外光电探测器输出信号为窄脉冲信号。对此脉冲信号的处理要求前置放大器必须兼具精度与速度,而对放大器输出信号的采集也需要在保证带宽的情况下尽量提高数字化的精度。本文中设计了高速并行采样电路,利用两片双通道高速ADC实现了1GSPS的采样速度与12bit的垂直分辨率。信号链的最后一环是FPGA数据处理电路,我们应用CORDIC算法对采集系统的时间误差进行了校正。本文最后给出了光电信号高速采集电路的设计与测试结果,在输入参考信号频率为100MHz时,采集系统整体信噪比达到60d B,无杂散动态范围达到70d B。

基于压缩感知归一化关联成像实现目标重构

在归一化关联成像的基础上,结合压缩感知理论,提出了基于压缩感知的归一化关联成像方法.该方法首先对物臂的桶探测值进行归一化处理,并由散斑场构造测量矩阵;然后采用正交匹配追踪算法,在低测量次数下优质量地还原出了物体的像.实验中采用灰度图像及二值图像作为成像目标,以峰值信噪比作为衡量标准,分别对传统关联成像,归一化关联成像及压缩感知归一化关联成像的重构效果进行了量化对比.仿真实验结果表明,对于细节较为丰富的灰度图像,压缩感知归一化关联成像的峰值信噪比较传统方法高6 dB左右,比归一化关联成像方法提高了2 dB左右;对于细节较少的二值图像,其峰值信噪比较归一化关联成像法高3.4～4.3 dB,比传统法高5.2～6.5 dB.最后,采用实际电荷耦合元件测得的散斑场构造了测量矩阵,实验结果进一步验证了基于压缩感知的归一化关联成像算法能提高重构质量.

基于TDLAS-WMS的痕量甲烷气体检测仪

甲烷是一种无色、无味、易燃、易爆的气体,不仅造成煤矿作业的重大安全隐患,而且又是温室效应的重要气体之一,对于甲烷气体的监测具有极其重要的意义。采用混合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用甲烷的2v3(第二泛频带)带R(3)支带吸收谱线,设计并研制出痕量甲烷气体检测仪。通过调谐系数-0.591cm^(-1)·K^(-1),采用改变DFB激光器工作温度的方式来获得甲烷在1.654μm处的最佳吸收谱线。待DFB激光器激射中心谱线选择后,通过调节其注入电流幅值来获得合适的发光强度。同时,结合频率调制技术将待测信号频率移至高频区,减小1/f噪声。在光学结构方面,采用有效光程为76m的herriott气室,确保对痕量甲烷气体进行检测。利用该痕量甲烷气体检测仪,在被测气体浓度为50~5 000μmol·mol^(-1)的范围内,对二次谐波信号进行了提取,并利用最小均方误差准则分别对气体浓度、信噪比的关系、谐波峰值信号与气体浓度的关系进行了线性拟合,最低检测限达到了1.4μmol·mol^(-1)。实验表明,谐波波形对称性良好,未观察到强度调制现象,消除强度调制等因素对谐波检测的影响。

基于量子级联激光器和长光程气室的甲烷传感器

根据中红外光谱吸收原理,利用甲烷(CH_4)气体分子在7.5μm处的基频吸收特性,设计了一种基于量子级联激光器(QCL)和新型多反射长光程气体吸收气室(MPC)的甲烷气体传感器。该仪器使用了可进行热电冷却、工作在脉冲方式下、中心波长为7.5μm的QCL,通过在室温条件下调节其注入电流(500mA^1.6A调节范围),其出射光波长可以扫过CH_4(1 332.8cm^(-1))气体吸收线。同时使用了一种紧凑型MPC(40cm长,800mL采样容积),使得系统有效总光程达到16m。此外,系统中使用了参考气室,并加入了空间滤波光学结构以满足MPC对入射光束的要求,配合差分吸收光谱检测原理,有效地改善了光束质量,降低了由光源波动引起的噪声,提高了仪器的检测灵敏度。通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测,该仪器的稳定性能良好,按信噪比为1计算,可实现对甲烷气体的检测下限为1μmol·mol^(-1)。

有机/无机热光开关制备及其测试系统研制

结合有机聚合物材料和无机SiO2材料,设计一种1×2多模干涉—马赫曾德尔干涉仪热光开关,优化器件参数,并对其性能进行模拟.利用化学气相沉积、光刻等工艺制备热光开关,并对其波导形貌进行表征.为了测试器件性能,采用ARM7处理器和InGaAs光电探测器,设计并研制了一种光开关性能测试系统.该系统主要由低纹波线性供电电源、光电探测器、前置放大器、主放大器、信号调理器、模数转换器、主控制器、显示器等构成.采用商用光功率计对该测试系统进行标定,其零点漂移小于0.5dBm.在光开关电极上施加不同的直流驱动电压,作为对比,利用自主研制的光功率计和商用光功率计分别测试光开关某端口的输出光功率.实验结果表明,两种情况下测得曲线的变化趋势一致,均在驱动电压为10V时,输出光功率达到最小值.该测试系统具有良好的性能,可满足实际测试需要.

采用长光程差分吸收光谱技术(LP-DOAS)的中红外痕量一氧化碳检测仪

一氧化碳作为一种危险的开采排放气体,在复杂的井下环境中极易累积,对矿工生命安全造成严重威胁。介绍了一种紧凑型一氧化碳检测仪,该仪器采用激发波长为4.65μm的量子级联激光器作为光源,配合中红外碲镉汞光电探测器与光程长度12m的紧凑型多次反射气室,实现了对痕量一氧化碳气体的检测。自主设计的新型高速光电信号采集系统解决了应用商业示波器造成的信号链阻抗失配的问题。这一新系统的采样带宽为400MHz,采样频率1GSPS,垂直分辨率达到12bit,有效的提高了检测仪的灵敏度与集成度。该仪器采用长光程差分吸收光谱法,通过比较实测光谱与进行Voigt展宽的理论光谱之间的残差得出此检测仪的检测下限为108×10-9。检测仪的测量误差有非平稳,慢时变的特点。根据这一特点我们采用阿伦方差对气体检测仪检测灵敏度进行了估计,经过约40s方差曲线达到极小值,此时阿伦方差值为61×10-9。在2h的稳定性测试中,检测仪稳定度达到2.1×10-3,在长达12h的稳定性测试中,检测仪的稳定度依然可以达到1.7×10-2。此仪器具有较高的灵活性,通过更换不同激射波长的激光器可以实现对多种气体的痕量检测。

使用量子级联激光器和多通吸收光谱技术用于CO探测

根据一氧化碳(CO)气体分子在4.7μm处的基频吸收特性,使用中心波长为4.75μm的量子级联激光器(QCL)和多反射气体吸收气室(MGC)设计了一种新型CO传感器。该仪器使用可在室温脉冲方式下工作并具有热电制冷功能的QCL,通过对其温度和注入电流进行调节,最终使得出射光波长定位在CO基频吸收带的一根强吸收线(2 103cm^(-1))。与此同时,使用有效光程为16米的新型MGC(40cm长,800ml采样容积)和液氮冷却碲镉汞中红外探测器,有效提高了系统的响应灵敏度。此外,系统中配合使用了参考气室和空间滤波光学结构,有效地改善了入射光束的质量,降低了由光源的不稳定而产生的噪声,进一步提高了系统的检测灵敏度。在实验室条件下对不同浓度的CO气体进行多次重复检测,结果显示,该仪器工作稳定,按信噪比为1计算,可实现对一氧化碳气体的检测下限为5μmol·mol^(-1)。

并行混沌遗传算法在量子级联激光器模型参数优化中的应用

量子级联激光器具备发射线宽窄,光功率密度高,单色性好与准直度高等特点。随着量子级联激光器技术的日趋成熟,其光谱范围不但覆盖大气透射的三个重要红外窗口,而且已经延伸至太赫兹频段,在化学和生物传感、成像和特殊通信等领域有重要的应用。本文首先从量子级联激光器基本结构和能级模型出发,通过构建量子力学模型实现对量子级联激光器物理特性的仿真,在此基础上引入了并行混沌遗传算法对量子级联激光器有源区设计结构中的关键参数进行了寻优。本文还测试并给出了并行计算的开销时间、加速比性能与收敛性。

基于开放光路离轴积分腔的甲烷传感技术与实验

为了实现大气甲烷(CH4)浓度的高灵敏、实时检测,研制了一种基于开放光路的高稳定性笼式结构光学谐振腔,并结合离轴积分腔输出光谱技术研制了一种大气CH4浓度传感系统。采用中心波长为1653 nm的可调谐半导体激光器作为光源,将反射率为99.92%的高反射镜置于距离光源35 cm处构建光学谐振腔。实验测得高反射镜的实际反射率为99.93%,谐振腔的有效光程可达516 m。Allan方差结果表明,当积分时间为4 s时,基于离轴积分腔的CH4检测系统的最低检测下限为8×10^(-9)。利用开放光路的优势,开展了CH4泄漏模拟实验,实验证明该系统具有快速检测CH4泄漏的能力,为进一步研制应用于现场、且能快速响应的甲烷泄漏检测仪提供了依据。

离轴积分腔输出光谱气体传感降噪技术

为了有效抑制离轴积分腔输出光谱气体传感中存在的系统及腔模噪声并提高信噪比和气体检测灵敏度,在传统经验模态分解(EMD)方法的基础上,提出了一种改进型的EMD滤波算法。在对含噪信号进行分层分解的过程中,结合Savitzky-Golay(SG)滤波算法和互相关运算,利用滤波信号与互相关系数来得到重构滤波信号。利用甲烷气体样品开展的仿真和实验结果表明,采用EMD-SG滤波方法能显著提高信噪比,降低气体检测下限。与传统的小波去噪、卡尔曼滤波相比,EMD-SG滤波算法在处理系统噪声中的高斯白噪声成分和非线性、非平稳的随机噪声成分上具有明显的优势,实现了较好的滤波效果。经EMD-SG滤波算法处理后,吸收信号的信噪比提高了1.9倍,系统的检测下限由8.7×10^(-6)下降到4.6×10^(-6)。所提出的基于离轴积分腔输出光谱技术的EMD-SG滤波算法具有较高的信噪比和较好的去噪效果,有效提升了系统的检测性能,为研制低噪声离轴积分腔气体传感器并将其用于大气环境监测提供了方法和依据。

减少聚合物阵列波导光栅损耗的蒸气回溶技术

阵列波导光栅(AWG)器件是波分复用(WDM)系统的一种关键器件,其中,聚合物阵列波导光栅由于其制备工艺、器件集成等方面的优势而受到人们的日益关注。侧壁散射损耗是聚合物阵列波导光栅损耗的一个主要因素,减少阵列波导光栅波导的侧壁损耗对制备低损耗阵列波导光栅具有重要意义。一种蒸气回溶技术被用来有效地减少硅基聚合物阵列波导光栅的散射损耗,该技术的机理是饱和溶剂分子融入并软化波导侧壁,增加其流动性,从而降低波导侧壁粗糙度。用扫描电镜方法验证了用该技术能获得更光滑的波导侧壁。对直波导和阵列波导光栅样品进行回溶处理,测试后得到直波导的侧壁散射损耗减少2.1 dB/cm,阵列波导光栅中心信道和周边信道的插入损耗分别减少5.5 dB和6.7 dB,串扰减少2.5 dB。

用于近红外宽带腔增强吸收光谱的小波去噪

为了有效抑制检测系统的噪声,提高气体浓度的反演精度,研究了近红外宽带腔增强气体传感系统的小波去噪方法。小波去噪方法的优化分析结果表明,选择db2小波函数作为小波基对含噪信号进行6级分层处理,并选择heursure阈值估计方法,采用局部阈值方式对噪声部分小波系数进行置零处理,可达到最优去噪效果。将近红外宽带腔增强吸收光谱技术与高分辨率傅里叶变换红外光谱仪相结合,建立了用于甲烷检测的气体传感系统,使用最小二乘拟合算法对去噪前后的甲烷吸收系数进行反演。结果表明,采用小波去噪后,反演浓度更接近真实值,反演精度提高7%,信噪比提高90%,系统检测下限降低45%,证明小波去噪算法可以有效提高系统的检测精度。

基于波长调制光谱和小波去噪的激光甲烷遥测系统

为进一步提高激光甲烷遥测仪的抗噪能力,在波长调制光谱技术“相干检测、低1/f噪声”的基础上,进一步利用小波去噪技术的“多尺度、多分辨分析”能力对气体吸收传感信号进行去噪处理。首先建立了一种甲烷遥测系统,通过仿真优化了小波去噪的相关参数,并分析了基于经验模态分解的小波去噪方法的效果;在采用和不采用小波去噪算法的情况下,开展了传感器性能的对比实验,以此验证该技术应用于遥测系统的可行性。利用积分浓度为200×10^-6 m的甲烷气体样品开展的甲烷检测实验结果表明,采用小波去噪算法提取二次谐波信号时,可将信噪比从116.4提高到179.8。对遥测系统开展的标定实验结果表明,提取的二次谐波信号幅值与气体浓度呈正比,未采用小波去噪算法时二者的拟合优度为0.990,采用小波去噪算法后的拟合优度为0.996。根据Allan方差的计算结果,未采用小波去噪算法时检测下限为3.4×10^-6 m,采用小波去噪算法后检测下限降至1.7×10^-6 m,检测分辨率提高了1倍。基于小波去噪和波长调制技术的激光甲烷遥测方法具有较高的信噪比、线性度和稳定性,可推广应用至现有的甲烷遥测系统中。

近红外激光甲烷同位素丰度传感器

面向石油化工等领域的气体检测分析应用,本团队采用可调谐激光二极管吸收光谱技术,研制了一种近红外激光甲烷(CH_(4))同位素丰度传感器。为了提高同位素丰度的检测稳定性,采用自主开发的双比例阀压力控制模块动态控制气室压强。设定目标压强为13.332 kPa,30 min压强监测结果的均值为13.326 kPa,1σ标准差为25 Pa。为了提高同位素丰度的检测精度,采用线性回归算法替代传统的吸光度峰值比方法,并使用体积分数为5×10^(-3)的标准CH_(4)气体开展检测实验,将两种方法的检测结果进行了对比。结果表明:使用吸光度峰值比方法得到的同位素丰度(δ13CH_(4))均值为1.633%,1σ标准差为0.962%,该结果与理论值偏差较大,且稳定性较差;使用线性回归算法得到的1σ标准差为0.367%,均值为-4.652%,与自然界甲烷的同位素丰度结果一致,该算法检测结果的稳定性是吸光度峰值比方法的2.62倍。本文提出的压力控制方案和线性回归算法,为研制可实用化的同位素丰度传感器奠定了基础,在环境保护、资源勘探等领域具有潜在的应用前景。

掺铪氧化锌红外透明导电薄膜

采用射频磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备了Hf:ZnO (HZO)薄膜,研究了氧气流速和退火温度对薄膜微观结构和光电性能的影响。为了提高薄膜的结晶性,将制备的薄膜在800℃下退火30 min,并自然冷却到室温。测试、分析了退火后薄膜的微观结构和光电性能。研究发现,随着氧气流速从0增加到0.6 mL/min,薄膜的致密度逐渐增大,电阻率逐渐降低,而当氧气流速继续增大到0.8 mL/min时,薄膜的结晶性恶化,电阻率突然升高。氧气流速为0.6 mL/min时制备的薄膜光电性能最佳,利用傅里叶红外光谱仪和霍尔测试仪进行测试,得到薄膜在3~5μm波段的平均透过率为83.87%,电阻率为1.66×10^(-2)Ω·cm,载流子迁移率为13.4 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),载流子浓度为2.82×10^(19) cm^(-3)。利用X射线衍射仪进行测试,发现薄膜样品具有ZnO的六方纤锌矿结构,并沿(002)方向择优生长,通过扫描电子显微镜可以看到薄膜表面生成致密均匀的球状结构颗粒。这种薄膜可以用作3~5μm波段的透明窗口。

机械振动对光学火灾预警系统的影响与改进措施

由于火灾阴燃过程会产生二氧化碳(CO_(2))气体,故采用基于非色散红外(non-dispersion infrared,NDIR)原理的火灾预警系统来监测CO_(2)浓度来预防火灾事故。该预警系统基于中红外吸收光谱技术,利用CO_(2)气体分子在4.26μm处的基频吸收带,结合红外宽带热光源和双通道热释电探测器,实现了中红外CO_(2)的高灵敏检测。利用配备的CO_(2)气体样品,研究了该系统对CO_(2)气体的传感特性。由于需要将火灾预警系统放在农业机械上工作,机械振动会影响系统光路结构,因此需要对装置进行减振处理。基于杜哈梅积分模型及其在求解振动系统响应问题上的应用,设计了一种减振装置,并对该装置进行了建模仿真,结果显示振动幅度减少了82%。将该减振装置进行室外振动测试,结果显示仪器振动幅度减小了86%~87%,采用减振装置时CO_(2)测量浓度的方差相较未采用减振装置时减小了50.01%,不确定度降低了29.52%。仿真分析及室外振动实验结果表明,该减振系统的减振效果良好,具有性价比高、减振结构简单等优势,具有工程应用价值。