1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院, 江苏 南京 211102
为解决相位生成载波-反正切解调算法(PGC-Atan)的非线性失真问题，搭建了基于改进型PGC-Atan算法的非本征型法珀传感器(EFPI)解调系统。首先，理论分析了载波相位调制深度(C)偏离最优值、伴生调幅、载波相位延迟等非线性因素对经典PGC-Atan算法中参与反正切运算的正弦与余弦两路信号的影响。然后，针对外调制或伴生调幅较小的情况，提出了一种基于系数补偿的改进型PGC-Atan算法(PGC-CC-Atan)。该算法通过构造与C值和载波相位延迟有关的系数，消除反正切运算中的非线性参数。针对内调制情况，提出了一种基于椭圆拟合的改进型PGC-Atan算法(PGC-EF-Atan)。该算法通过基于分块矩阵的最小二乘法拟合椭圆并提取3个椭圆参数，进而将受非线性因素影响的正弦与余弦两路信号校正为正交信号。最后，通过仿真验证了改进型算法的正确性，并采用高调制特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)和常规腔长的EFPI等搭建PGC解调系统，对比经典PGC-Atan算法与两种改进型算法的解调性能，证实了改进型算法非线性失真抑制的有效性。实验结果表明：一定C值范围内，两种改进型算法可在非线性因素影响下有效解调。PGC-EF-Atan算法相较于PGC-CC-Atan算法，解调信纳比提升了11.602 dB，总谐波失真降低了10.951%。两种改进型算法中，PGC-EF-Atan算法对非线性失真的抑制效果更好，且解调线性度良好，准确度高。
相位生成载波解调 非线性失真 椭圆拟合 光纤法珀传感器 phase generated carrier demodulation nonlinear distortion elliptic fitting fiber optic fabry-perot sensor
1 中国科学院电工研究所, 北京 100190中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院电工研究所, 北京 100190
高压套管是电力系统的核心部件, 对高压套管的绝缘状态进行检测具有重要的实际意义。 由于目前常见的绝缘状态在线监测设备难以适用于安装位置特殊、 体型较小的高压套管, 研发适用于高压套管的检测系统势在必行。 相较于传统金属结构的光声池, 采用全绝缘结构光声池能够在进行原位检测时不形成悬浮电位, 从而能够规避在高压套管内引发局部放电等故障, 是对高压套管绝缘状态进行检测的理论可行方案之一。 探究了适用于高压套管检测的原位检测系统重要部件全绝缘结构光声传感器的可行性。 分别从基本原理、 仿真计算及实验验证三个方面对全绝缘结构光声池进行了分析及论证。 首先, 就光声池材料对光声信号的影响进行了理论分析, 讨论了相较于传统黄铜材料, 由绝缘材料石英制成的光声池可能存在的问题。 然后, 在此基础上采用COMSOL Multiphysics建立了共振式光声池的仿真模型并进行了声学和热学相关计算, 对理论分析的结果进行验证, 并分析了实际情况下石英光声池的理论表现。 最后, 建立基于石英光声池的光声光谱检测系统实验平台, 结合波长调制及二次谐波方法对微量乙炔气体进行定量检测, 用于对石英光声池的可行性进行验证。 仿真计算结果表明, 类似于黄铜材料, 石英材料光声池同样具备对微量气体进行定量检测的能力。 实验结果表明, 基于石英光声池的检测系统对乙炔气体的检测极限能够达到0.16 μL·L-1, 满足相关标准中油浸式电气设备对乙炔检测的需求。 因此, 以石英为材质的共振式光声池具备应用于高压套管原位检测的潜力。
光声光谱 光声池 绝缘材料 仿真计算 Photoacoustic spectroscopy Photoacoustic cell Insulating material Simulation calculation 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2922
局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。 空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。 采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程, 并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200~980 nm范围内的发射光谱。 放电初期的发射光谱主要由氮气分子N2的带状光谱组成, 分别为N2第二正带系(second positive system, SPS)和N2第一正带系(first positive system, FPS)。 放电程度加深后, 发生能级跃迁的粒子种类更加丰富, 由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线, 光谱范围也由放电初期的280~460 nm扩展至200~980 nm。 放电处于临界击穿时, 发射光谱的强度急剧增加, 强度最高值出现在500.715和777.202 nm处, 分别对应氮离子N+和氧原子O的辐射谱线, 这意味着微观放电过程再次发生改变。 基于空气放电机理分析得到: 放电初期、 放电加深、 放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N2, NO与O和N+辐射跃迁所致, 这由放电间隙的能量所决定, 其特征光谱分别为336.907, 239.687和500.715 nm。 放电初期, 336.907 nm处的强度绝对占优, 239.687和500.715 nm处的相对强度极小; 放电程度加深时, 239.687 nm处的强度占优, 500.715 nm处的相对强度极小; 临界击穿时, 500.715 nm处的强度占优, 336.907 nm处的强度最弱。 空气电晕放电的200~980 nm光谱范围内, 紫外波段、 可见光波段和近红外波段的光子数虽然都随着施加电压的升高而增加, 但各波段光子数的归一化结果表明: 随着放电程度的加深, 紫外波段的光子比例逐渐减小, 可见光波段的光子比例逐渐增加, 近红外波段光子比例变化相对较小。 不同放电阶段的“紫外-可见光-近红外”波段的相对光子数分布有较明显的差异, 可以反映放电的发展程度。
空气电晕放电 发射光谱 放电过程 特征谱线 Air corona discharge Optical emission spectroscopy Discharge process Characteristic spectrum wavelength 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2956
基于波长调制光谱(WMS)信号二次谐波分量检测的光声光谱(PAS)气体检测技术在电力、 化工和医疗等行业得到了广泛应用。 虽然采用二次谐波分量检测技术可以有效减小光声信号中的相关噪声, 但检测信号中仍存在检测系统的非相关噪声, 影响了光声检测系统对痕量气体的检测能力以及测试结果的准确度。 为研究如何削弱光声光谱检测系统的非相关噪声对二次谐波信号的影响, 改进检测系统的最低检测限, 提高测量准确度, 搭建了一套以可调谐分布反馈式(DFB)半导体激光器为激励光源的一阶纵向共振光声光谱气体检测系统, 首次提出了使用快速傅里叶变换(FFT)对光声二次谐波信号进行滤波的新方法。 首先根据气体光声光谱检测系统的噪声频谱对锯齿波扫描信号频率进行了优化选择, 使检测系统背景噪声对光声检测信号的影响降至最小, 然后使用FFT对与扫描锯齿波同频率的光声二次谐波信号的基波分量进行提取, 虽然提取出的基波分量幅值小于光声信号二次谐波分量最大值, 但由于光声检测系统背景噪声减小的更多, 实现了改进光声检测系统最低检测限的目的。 通过对102, 75.1, 50, 30.3, 15.3, 7.7, 1, 0.79, 0.57, 0.35和0.17 μL·L-1的C2H2/N2混合气体测试结果进行分析和对比, 使用FFT对光声二次谐波信号进行滤波处理后, 测试结果读数非常稳定, 当信噪比为3时, 系统的最低检测限从0.43 μL·L-1降低为30.6 nL·L-1, 说明FFT滤波对于消除波长调制光谱信号二次谐波分量中的非相关噪声非常有效, 可以提高测量准确度和改进光声光谱检测系统最低检测限。 研究成果可为使用波长调制光谱信号二次谐波分量检测技术的应用提供一定参考。
光声光谱 快速傅里叶变换 二次谐波检测 最低检测限 气体检测 非相关噪声 Photoacoustic spectroscopy Fast Fourier transform Second harmonic detection Limit of detection Gas detection Non-correlation noise 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 2996
北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室， 北京 100081
针对转动拉曼测温激光雷达数据采集系统中光子计数卡各通道阈值及延时之间的误差，结合光子计数卡的工作原理以及方波信号幅值电压的波动性，构建阈值测量系统，以方波信号作为通道的输入，通过调整阈值电压设定值，使计数值达到最大的方法对通道的阈值误差进行了测量，并对其进行了曲线拟合。构建延时测量系统，测量各通道之间的延时差，并提出了对其进行补偿的方案。对阈值误差测量数据及拟合结果进行了分析，分析结果表明通过拟合曲线对各通道阈值电压进行设定，可更快地设置所要求的阈值电压。对延时差的补偿可以使温度分布廓线定位精度提高约10 m。
大气光学 转动拉曼激光雷达 阈值校正 延时补偿 光子计数 激光与光电子学进展
2011, 48(2): 022801
北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
利用激光雷达米氏(Mie)散射回波信号与转动拉曼(Raman)回波信号的差值，结合已知的大气分子消光系数，构造纯气溶胶回波用以反演气溶胶消光系数。假设气溶胶消光后向散射比在相邻高度上相近，即微分为零，根据纯气溶胶回波信号公式推导出反演大气气溶胶消光系数的积分公式。该方法利用转动Raman散射信号与气溶胶后向散射无关的特性去除Mie散射信号中大气分子后向散射部分，降低了大气分子数密度波动对反演结果的影响，用积分反演提高了结果的稳定性。最后用自行研制的转动拉曼米氏(Raman-Mie)散射激光雷达(RRML)回波信号对该方法进行验证，结果表明该方法能有效地反演气溶胶消光系数廓线。
大气光学 激光雷达 消光系数 纯气溶胶回波 转动拉曼米氏 气溶胶 光学学报
2010, 30(s1): s100512
