長(zhǎng)光程高靈敏度甲烷和氣溶膠傳感器研究

長(zhǎng)光程高靈敏度甲烷和氣溶膠傳感器研究隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,大氣環(huán)境污染成為日益凸顯的一個(gè)社會(huì)問題,越來越影響著人們的生活水平。利用激光光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)傳感器具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、探測(cè)靈敏度高等特點(diǎn),可以有效地監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境,包括顆粒物（氣溶膠）和痕量污染氣體（甲烷）等。目前的光學(xué)氣體傳感器是利用短光程的而實(shí)現(xiàn)的定點(diǎn)單一氣體檢測(cè)傳感器,適用于靈敏度要求不高、單點(diǎn)監(jiān)測(cè)、一種氣體測(cè)量等應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)大氣中的痕量污染氣體,這些傳感器具有靈敏度低、不能區(qū)域測(cè)量、測(cè)量氣體種類少的缺點(diǎn)。而探測(cè)氣溶膠的遠(yuǎn)程傳感器所使用的激光器波長(zhǎng)具有對(duì)人眼不安全的缺點(diǎn)。因此,本文分別針對(duì)上述存在的問題進(jìn)行了研究。采用了波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)、光學(xué)頻率梳技術(shù)、以及氣溶膠激光遙感等技術(shù)并結(jié)合長(zhǎng)光程吸收池和開路測(cè)量結(jié)構(gòu)解決了存在的問題。本文設(shè)計(jì)了長(zhǎng)距離的吸收池,研究了長(zhǎng)光程單點(diǎn)高靈敏度的近紅外和中紅外光學(xué)氣體傳感器。首次將波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)應(yīng)用在野外3km的甲烷監(jiān)測(cè)上，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域型氣體檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)多類氣體的測(cè)量,本文研究了基于光學(xué)頻率梳光譜技術(shù)結(jié)合長(zhǎng)光程吸收池的單點(diǎn)傳感器，并實(shí)現(xiàn)了開路測(cè)量實(shí)驗(yàn)。針對(duì)大氣顆粒污染物的傳感器的安全性，本文研究了1.57口m的氣溶膠激光遙感測(cè)量系統(tǒng)。所發(fā)展的技術(shù)不僅應(yīng)用到環(huán)境領(lǐng)域，也可以應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如人體呼吸氣體（丙酮）。文章也進(jìn)行了相關(guān)的研究。本文的主要工作如下:1.闡述了分子紅外光譜吸收的基礎(chǔ)理論，介紹了吸收譜線、線性函數(shù)等重要參數(shù)，并分析了溫度、壓強(qiáng)對(duì)吸收譜線、線性函數(shù)的影響。介紹了用于氣體測(cè)量的波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)、腔衰減光譜技術(shù)、光學(xué)頻率梳光譜技術(shù)三種技術(shù)原理。總結(jié)了激光測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、光源和探測(cè)器。研究了近紅外高靈敏度甲烷傳感器及相關(guān)內(nèi)容。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度為290m的長(zhǎng)光程吸收池,提出了采用頻率掃描光學(xué)相干測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了吸收池長(zhǎng)度的高精度測(cè)量;設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鎖相解調(diào)軟件,并結(jié)合長(zhǎng)光程吸收池,設(shè)計(jì)了近紅外高靈敏度甲烷傳感器;通過設(shè)計(jì)電路和自適應(yīng)算法,實(shí)現(xiàn)了在大范圍工作溫度下對(duì)激光器溫度的穩(wěn)定控制。研究了中紅外連續(xù)激光器和光學(xué)頻率梳的丙酮及甲烷傳感器。分析了中紅外連續(xù)帶間級(jí)聯(lián)激光器的特征參數(shù)和光譜特征參數(shù),結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的丙酮光學(xué)傳感器;設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度為580m的中紅外長(zhǎng)光程吸收池，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的甲烷傳感器;介紹了光學(xué)頻率梳光譜技術(shù),推導(dǎo)了雙光梳光譜技術(shù)的原理,實(shí)現(xiàn)了甲烷和丙酮測(cè)量傳感器。4?研究了1.57口氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)、基于波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)與光學(xué)頻率梳技術(shù)的開路系統(tǒng)測(cè)量。自主設(shè)計(jì)并完成了1.57?m激光光源原理樣機(jī)，結(jié)合單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了1.57um微脈沖氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)了四通道的數(shù)字鎖相解調(diào)軟件，利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有效光程3km左右的開路測(cè)量試驗(yàn)樣機(jī)，系統(tǒng)靈敏度達(dá)到30ppb;利用中紅外光學(xué)頻率梳光源和光學(xué)光譜儀在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量長(zhǎng)度為39.6m的開路測(cè)量系統(tǒng)，能夠同時(shí)測(cè)量到甲烷、水。并對(duì)不同條件下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。本文的研究創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:1.首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Confocal的近紅外長(zhǎng)光程吸收池，吸收池的長(zhǎng)度為290m。提出了一種基于光學(xué)頻率掃描相干的長(zhǎng)度測(cè)量方法，測(cè)量精度與光學(xué)吸收光譜方法相比較，提高了20倍。2.首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套可移動(dòng)式高靈敏度甲烷傳感器,包括解調(diào)軟件的設(shè)計(jì)、光學(xué)平臺(tái)的搭建以及傳感器性能測(cè)試。傳感器靈敏度可以達(dá)到1.2ppb。3.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于脈寬調(diào)制和自適應(yīng)算法相結(jié)合的激光器溫度控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)激光器在大范圍溫度下實(shí)現(xiàn)快速溫度穩(wěn)定到常溫溫度，溫度穩(wěn)定誤差為0.2°C,所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的算法已經(jīng)應(yīng)用到企業(yè)的產(chǎn)品中。首次實(shí)現(xiàn)了基于中紅外帶間級(jí)聯(lián)激光器和波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)的丙酮測(cè)量傳感器，測(cè)量靈敏度達(dá)到0.12ppm。首次實(shí)現(xiàn)了在580m的長(zhǎng)光程吸收池下的高靈敏度中紅外甲烷傳感器,探測(cè)靈敏度為2ppb。首次實(shí)現(xiàn)了基于雙光梳光譜技術(shù)的丙酮和甲烷測(cè)量傳感器,測(cè)量靈敏度分別為2ppm和60ppb。6?首次利用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的基于光參量原理的人眼安全固體激光器和InGaAsAPD單光子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了1.57?m微脈沖氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng),并進(jìn)行了系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離測(cè)量。7.首次將波長(zhǎng)調(diào)制