论文总字数：20572字
摘 要
可调二极管激光吸收光谱（可调谐二极管激光吸收光谱，TDLAS）技术应用在气体浓度再现方面具有良好的选择性、高灵敏度、高分辨率和非接触式测量等优点，能够快速有效地测量痕量气体的相关数据。在TDLAS气体检测系统中，需要锁相放大模块来提取气体吸收信号中的一次谐波，二次谐波信号。本文论述了针对TDLAS气体检测技术的基于FPGA的数字锁相放大器的设计。首先深入介绍了TDLAS技术检测气体的相关原理，随后，使用MATLAB平台进行仿真，计算出吸收数据的一次谐波、二次谐波，说明吸收信号中一次、二次谐波信号波形、幅值的关系。根据现有的TDLAS技术理论，一次谐波幅度在一个周期中段呈现近似正弦图形，二次谐波幅度在周期中段呈现三个连续的单峰状。随后，在理论分析的基础上，分析信号特征，提出电路设计方案。最后，在运用可调谐激光测量空气中水蒸气浓度的实验中验证。使用AD9226高速采集卡采集水蒸气吸收峰数据，使用FPGA计算其谐波比值。FPGA采用谐波调制与Kaiser窗体滤波器的组合进行运算，尽可能滤去一次谐波和二次谐波中的高频噪声，使其呈现出理论计算的吸收峰图形，使用嵌入式逻辑分析仪分析结果数据，并将得到的与浓度相关的波形并与仿真结果对比。
关键词：AD采样，FPGA锁相放大，TDLAS, 可调节激光，谐波调制，谐波吸收
Abstract
Tunable diode laser absorption spectroscopy technology in its reproduction of the gas concentration has the advantages of good selectivity, high sensitivity, high resolution and non-contact measurement, etc. it need to use the lock-in amplifier in TDLAS gas detection system to extract the first and second harmonic obtained in the receiving signal. This article discusses the FPGA-based digital lock-in amplifier design in TDLAS gas detection technology. First it discusses the relevant principles , comprising: an infrared absorption spectrum theory, TDLAS technical principles, harmonic detection principle and the principle of phase-sensitive detector. Based on the above principle, a mathematical model using MATLAB is made, to prove the relationship between the amplitude of the first and second harmonic signal. Subsequently, on the basis of theoretical analysis, the article discusses the analysis of signal characteristics and proposed circuit design. Finally, it verifies the use of a tunable laser in measuring concentration of water vapor in the air experiments by using the AD9226 high-speed acquisition card collecting water vapor absorption data, using the FPGA to calculate the harmonic ratio. FPGA uses the Kaiser form filters for computing, as to filter the noise in first and second harmonics, which presents an absorption peak graph theoretical calculations.
目 录
摘要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract …………………………………………………………………………… I
- 绪论 ………………………………………………………………………1
1.1 引言 …………………………………………………………………1
1.2 气体检测技术与TDLAS ……………………………………………………1
1.3 TDLAS 技术的基本原理 …………………………………………………2
1.4 本文的研究目的和主要研究内容 ………………………………………2
1.5 第一章总结 ……………………………………………………………2
第二章 TDLAS 吸收光谱理论 ……………………………………………………3
2.1比尔郎伯吸收定律 ……………………………………………………3
2.2水蒸气的吸收光谱 ………………………………………………………3
2.3谐波检测原理 ……………………………………………………………3
2.4 谐波调制与直接吸收 ………………………………………………………6
2.4.1 谐波吸收（波长调制） …………………………………………6
2.4.2 直接吸收 ………………………………………………………6
第三章 数字锁相调制解调模块设计 ………………………………………………7
3.1硬件设备 ……………………………………………………………………7
3.1.1 AD9226 高速采样模块 ……………………………………………7
3.1.1.1 AD9226芯片 ………………………………………………7
3.1.1.2 外围偏置电路 …………………………………………7
3.1.2 FPGA EP4CE15F18C8N …………………………………………8
3.1.3 Signaltap 嵌入式逻辑分析仪 …………………………………8
3.2软件设计 …………………………………………………………………9
3.2.1 matlab仿真 ……………………………………………………9
3.2.1.1 matlab fdatool ………………………………………9
3.2.1.2 FIR 滤波器 与IIR滤波器比较与选择 ………………10
3.2.1.3本项目中的选择 …………………………………………11
3.2.1.4 kaiser窗口滤波器 ……………………………………11
3.2.1.5 滤波器仿真参数 …………………………………………11
3.2.1.6 仿真过程与结果 …………………………………12
3.2.1.7 仿真结果论证 …………………………………………13
3.2.1.8 matlab 脚本编程 ………………………………………13
3.2.2 FPGA编程 …………………………………………………………13
3.2.2.1 AD采样卡驱动 …………………………………………14
3.2.2.2 FPGA 调制 …………………………………………………15
3.2.2.3 FIR 滤波器 ………………………………………………16
3.2.2.3 FPGA程序 ………………………………………………16
第四章：数字锁相调制模块的实验结果 ……………………………………………17
4.1 采用64阶滤波器的实验结果 ……………………………………………17
4.2采用92阶滤波器 - 1/16降采样的实验结果 ……………………………18
4.3光谱吸收测试 ………………………………………………………………19
4.3.1 一次谐波测试 ………………………………………………………20
4.3.2 二次谐波测试 ………………………………………………………20
第五章：总结与展望 ……………………………………………………………………21
5.1论文完成的工作及创新点 ……………………………………………………21
5.2不足以及展望 ………………………………………………………………21
5.3提高与改进 …………………………………………………………………22
致谢 ………………………………………………………………………………………23
参考文献（References） ………………………………………………………………24
第一章：绪论
1.1引言
TDLAS光谱吸收测量技术主要基于分光镜技术和灵敏检测技术。气体分子吸收能量特定波长的光，但在其它频带没有吸收。不同的气体分子的特定吸收波长完全不同，这是气体的吸收的固有特性之一。将一束光通过一定的气体样品区域，将光束的波长进行调谐，达到目标气体的吸收波段，然后通过测量从样品区域出射的光的强度，可以计算出样品室中气体的参杂浓度、温度等数据。
1.2 气体检测技术与TDLAS
20世纪90年代中期，大卫格里菲斯和加勒博检测使用开放路径傅立叶变换红外光谱系统（FTIR），用于在环境中气体场的气体浓度的测量。红外光谱测量系统原理开始被用于检测的气体的环境大气研究; 随后，赖家和舍费尔开始进行红外探测系统与大气痕量气体和发射光谱的吸收光谱的研究。在FTIR检测装置中，激光辐射通过红外光校直后平行出射，通过数百米的光路被望远镜吸收装置采集，然后由干涉器件后收敛到红外信号探测器的采集和分析。干涉仪系统 是FTIR特别重要的一个部分，所接收的光束被干涉仪分成两个的光束入射到两个反射镜，反射镜可在一侧来回移动，两个光束，因此以产生一个相位差，该相差是由对光谱的组件来确定，同时，两束光的相位常数干涉，以产生一个信号幅度改变，检测器接收由快速傅立叶变换获得的频谱数据的干涉图案后反映了气体组合物的组合物的相关数据。从气体的吸收特性对特定波长的入射光的反应，可以得到的气体浓度的吸收峰波长。
同样地，可调谐激光二极管激光吸收光谱（TDLAS）出现在同一年代，同时也有伴随着GC色谱柱 - 离子迁移谱（GC-IMS）气体检测，MDS（金属 - 电介质-半导体）传感器气体检测等技术的问世。最近的研究表明，TDLAS技术是一个高灵敏度，高分辨率大气微量气体吸收边缘检测技术[1]。国外使用TDLAS光谱方法，进行早期检测的气体浓度等项目的开发，并实现了CH 4，H 2 O，CO 2等气体的高灵敏度检测（包括在随后实现的CO等高灵敏度气体）。国外设计的GC-IMS系统，以进一步发展为便携式手持设备并投入使用，对于一些化学分子组成具有良好的灵敏度和相对较好的选择性进;国内对于MDS传感器技术的研发较为落后，该技术可以实现对H 2 S，NO 2，NH 3等气体的识别，精度可达到5〜200ppb。但由于检测技术的检测原理的限制，不能大批量生产和投入使用。
TDLAS技术在中国起步较晚，但发展迅速。在光学精密机械研究所安徽和外国证券投资有限公司主要研究机构，主要产品包括汽车尾气基于TDLAS技术和在线检测系统基于TDLAS便携式CO和CO2遥测等产品。中国浙江大学，天津大学，哈尔滨工程大学等重点高校在相应TDLAS技术的研究，并已取得了一些成果，推动中国在TDLAS技术的发展。
1.3 TDLAS技术的基本原理
TDLAS技术称为可调谐激光二极管吸收光谱技。由于分子对光子的选择性质，该技术利用激光通过气体后的衰减信号，即分子的吸收光谱来测量并计算气体的浓度及温度等相关信息。详细来说，当该激光器输出的激光（具有特定波长）透过试验气体时，被测气体的由于具有频率选择的性质，对光子进行吸收跃迁，以使激光束的吸收强度衰减，光强的衰减与气体浓度成比例关系（在较理想的情况下且不需修正时），因而，测得激光衰减的光谱信号后，可通过对其分析获得相关的目标气体分子的浓度，气体的温度等的性质。[2]
TDLAS具有独特的频率扫描技术，“单谱”技术，谱线加宽自动校正技术，来克服干扰的灰尘，水分和气体等背景对目标气体吸收的干扰，对温度的、气体浓度、压强等影响因素进行校正，并对目标气体进行不失真地测量。相比过去的痕量气体测量技术，这些独特的测量技术和现场测量方法能够大幅度提高测量准确性，时效性。TDLAS技术可以进行没有样品的气体的预处理分析，节约了样品气体在管道传输时间和样品的时间。利用tdlas装置可以实现毫秒级的响应，实时地再现气体浓度的分布，和其他信息的变化，完全能够满足工业用途中，实时在线实时管理的需要[3]。
TDLAS技术使用的是半导体激光器光源进入光纤耦合，使得半导体激光器被放置在中央处理单元内，纤维激光器，它可以通过一个光纤耦合器分路器输出耦合连接到多个不同的光，纤激光器的导电性纤维可以满足同时在不同测量位置在各个区域内的气体在线测量，形成分布式气体同时监测和分析系统。光纤，可用于恶劣环境中的抗干扰测量，并有较强的适应的危险区域的能力，在测量系统的整个成本可以显著减少，并且在相对于过去的气体测量系统配置更灵活。
1.4 本文的研究目的和主要研究内容
本文主要提出了基于FPGA的锁相放大器设计，并展示了其在tdlas技术测量水蒸气浓度时的运用，并着重描述了TDLAS的谐波吸收信号提取、处理过程。使用FPGA与高速AD采样卡的组合，采样并处理吸收的光强-电压数据。根据谐波调制吸收的理论，FPGA需要提取一次与二次谐波。由于谐波幅度较小，信号较弱，容易淹没在噪声中，从而需要最大限度的提高精度，降低噪声。
论文主要结构如下：
- ：介绍课题背景，阐述TDLAS技术的概念和现状
- ：介绍TDLAS的数学理论，包括吸收定律，分子吸收线性等。
- ：介绍硬件设备
- ：介绍软件程序
- ：展示本套设备的实地采样结果，并评估
最后，对文章内容进行总结，并提出展望。
1.5 第一章总结
在本章节中，介绍了TDLAS技术的国内外发展现状，并对其基本原理做出解释。随后，对于文章的章节内容作出概括。
第二章：TDLAS吸收光谱理论
2.1比尔郎伯吸收定律
当一束频率为v，强度为I的激光束通过目标气体区域，输出光强可以根据比尔郎伯吸收定律表示如下：
剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：20572字
相关图片展示：
该课题毕业论文、开题报告、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找;
