调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高分辨率、 高灵敏度和快速测量等优点在工业生产、 环境污染监测等方面受到广泛应用。 波长调制光谱(wavelength modulation spectrum, WMS)的二次谐波信号经常用作气体浓度反演的检测信号。 TDLAS检测性能与系统参数, 如锁相放大器的时间常数、 扫描幅度、 扫描频率、 调制幅度、 调制频率等的选取紧密相关, 实际测量中各参数的选择多以谱线形态特征为依据, 参数之间的关联性未能得到较好体现。 由于信号的采样与处理均在频域对谱线产生作用, 各参数之间的作用相互关联。 然而很少有研究参数对谱线频域的影响, 针对此问题, 在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响。 通过保持其他参数不变, 只改变一个参数的方法, 得出各个参数对信号线型、 频率特征及噪声引入的影响规律, 继而分析并验证了多参数联合变化对谱线频带的决定作用。 与基于时域特征的传统方法相比, 基于谱线频率特征分析一方面具有与谱线信号采集检测处理机理相近的优点, 另一方面可以直观得到各参数对主频带的影响和不同频率信号的衰减趋势。 总结出基于频率特征的各参数的基本选取方法, 以谱线频带和截止频率相互关系为判定标准, 截止频率的大小由锁相放大器时间常数决定。 通过设置合适的时间常数和扫描参数使信号频带与截止频率相近但不相交, 使谱线频带内频率分量不产生衰减, 频带外噪声得到最大抑制; 再根据锁相放大器的性能和信号信噪比来确定调制参数, 使谱线主频幅度最大; 最后根据系统需求确定采样率。 单周期采样点不变时, 低扫描频率时检测精度相对提高但耗时较长; 反之, 扫描频率提高, 速度变快但检测精度下降。 通过联合影响规律调整关**数, 减小硬件限制对参数最优值选取造成的影响。 可在考虑系统检测需求与硬件条件限制的前提下, 通过参数选择得到最优二次谐波信号, 为此技术的实际应用提供了参数优化的实验依据与参考方法。

以可调谐激光二极管吸收光谱技术为基础,结合波长调制光谱技术,对不同体积浓度的二氧化碳气体进行检测。分别分析正弦波调制 信号的不同调制电压及调制频率对二次谐波信号波形及峰值的影响。结果显示当调制电压为0.25 V、调制频率为10 kHz时,得到 的二次谐波信号较好。在此基础上,利用实验室中搭建的单光路测量系统对不同浓度的CO2气体进行检测,得到气体浓度与二次谐波 峰值线性相关系数为0.998,系统的检测极限为450 ppm。研究为该类系统调制系数的选择提供了实验依据,为工业应用打下了基础。

谐振式微光学陀螺是一种新型的惯性传感仪器, 与传统的机械陀螺与其他光学陀螺相比具有很多理论上的优势。通过分析抑制载波和提高信噪比, 深入地研究了三角波调制频率和幅度对谐振式微光学陀螺偏置稳定性的影响。通过理论计算和仿真分析, 考虑得到更好的载波抑制效果, 调制幅度应选为15.44 V;考虑提高信噪比, 调制频率应设为1 MHz。搭建了谐振式微光学陀螺系统, 实验测试结果与理论分析吻合较好。此外, 采用优化的调制参数, 陀螺的偏置稳定性由0.39 (°)/s提高到0.18 (°)/s(10 s积分时间)。研究结果表明: 选择优化的调制三角波参数可以将陀螺偏置稳定性提高一倍, 对于其他调制方案, 如正弦波相位调制方案, 同样可以通过分析载波抑制和信噪比优化调制参数, 改善陀螺偏置稳定性。

为获得较好的谐波信号, 完成不同测量目的, 以DFB-760.77 nm波长处氧气监测为例, 通过改变扫描锯齿信号和调制正弦信号的频率和幅值, 讨论了调制参量对二次谐波信号峰-峰值、对称性、谐波信号展宽和信号完整性等判别依据的影响和变化.结果表明: Sinmulink模拟值和实验值相关性较高, 当正弦调制信号和锯齿扫描信号频率比值为1 000倍时,可以获得较好的二次谐波信号.该研究为实验系统中调制参量的选取和调制度及系统准确度、稳定性、重复性等性能的优化提供了一定帮助.

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)系统性能受调制参数, 如调制度、 调制频率、 扫描幅度及扫描频率影响, 实际测量中各参数不存在明确的选择依据. 针对此问题, 文章在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响, 通过分析检测信号的特征, 如幅值、 信噪比、 对称性及峰宽得出其变化规律, 总结出在不同系统功能和需求下系统各调制参数的优化依据及方法. 系统在计算浓度和温度时应优先考虑幅值和信噪比, 从而使调制度达到最佳值, 调制频率和扫描频率取较小值; 在线形推导压强时优先考虑信号的对称性和峰宽, 根据计算的具体要求确定调制参数; 扫描幅度的确定以得到完整谐波信号为准; 再根据系统的速度和精度需求调整扫描频率. 该研究为此类系统工作状态的确定提供了实验依据.