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1、清华大学2012届毕业论文目录1.绪论11.1课题研究背景11.2 调谐二极管激光吸收光谱技术特点及应用21.3 调谐二极管激光吸收光谱技术的研究现状及发展趋势21.4 本文研究的主要内容42. 调谐激光吸收光谱技术的理论基础52.1 吸收光谱学理论52.2 谱线强度52.3 吸收线性62.4 本章小结83. 调谐二极管激光吸收光谱技术系统93.1 调谐二极管激光吸收光谱技术系统概述93.2 各部分主要器件93.2.1 光源93.2.2 激光驱动器113.2.3 光电检测器113.3 数据预处理过程123.4 本章小结124. 吸收光谱系统优化的研究134.1 谐波次数的选择134.2 相敏检
2、测的参数优化134.2.1 锁相放大器的带宽134.2.2 锁相放大器的相位对谐波信号的影响144.3 激光器调制参数的优化144.3.1 调制度对谐波信号的影响144.3.2 调制频率对谐波信号的影响154.3.3 扫描信号幅度对谐波信号的影响164.3.4 扫描信号频率对谐波信号的影响164.4 本章小结165. 气体浓度反演的方法研究185.1 系统噪声来源185.1.1 探测器噪声185.2.2 激光额外噪声185.1.3 剩余幅度调制195.1.4 光学干涉条纹195.2 背景噪声对系统的影响195.3 气体浓度反演的方法研究205.3.1 直接比例反演法用于浓度反演205.3.2
3、最小二乘法用于浓度反演205.3.3 线性拟合法用于浓度反演215.4 本章小结226. 总结与展望236.1 全文总结236.2 工作展望24参考文献25致谢29 第II页共II页 清华大学2012届毕业论文1 绪论1.1 课题研究背景 环境是人类赖以生存的基础。随着世界经济的发展，环境污染日趋严重，不仅造成了巨大的经济损失，而且逐渐危害着人类的生存环境，因此环境保护已成为很多国家的研究课题之一。全球气候变化、温室效应、光化学烟雾的形成、酸雨、平流层中臭氧层的破坏等等，这一切都在影响着人类的生存环境，它们的形成都与大气中痕量气体的浓度有关。例如：煤炭、石油天然气的过量燃烧造成空气中C02浓度
4、上升，引起地球表面变热造成海平面上升、气候反常、土地干旱等，同时也对人体机能造成影响，引起头疼、乏力、呕吐、呼吸困难等中毒症状；又如，由于石油化工生产、污水垃圾处理厂、汽油发动机废气、冶金工业等的生产加工过程及各种化工原料加工和使用过程以及木材、烟草等有机物不完全燃烧过程而产生的挥发性有机物由于其具有毒性、刺激性、致癌作用会导致人体呈现种种不适1、2。大气中的痕量污染气体主要包括：CO2、CH4、N2O、NH3、SO2、C2H2、C2H4、C2H6等等，它们的浓度主要在ppt-ppm量级范围内3、4。精确测量这些痕量气体成分对大气污染监测及治理非常重要。 大气痕量气体监测技术主要分为化学法和光
5、谱法。传统的空气污染监测方法是以湿式化学技术和吸气取样后的实验分析为基础的，但由于其响应慢、预处理过程复杂，无法满足大气污染气体的实时、在线、遥感监测的需要。而逐渐发展起来的光谱学在这些方面有明显的优势，主要表现在：易于实现完全非接触在线自动监测、仪器的灵敏度高、测量范围广、可反映一个区域的平均污染程度、系统易于维护等等。光谱法是利用光和大气污染分子相互作用特性来进行监测的。近年来在环境污染监测中几种很有应用前景的光学和光谱技术有5、6：紫外到可见波段的差分吸收光谱学技术、多种污染物监测的红外波段傅里叶变换红外光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱学技术、差分吸收激光雷达技术、激光诱导荧光技术等。
6、在这些技术中，调谐二极管激光吸收光谱技术凭借其高灵敏度、响应时间快，可实时在线监测的特点而越来越广泛的应用于大气污染痕量气体的监测。 本课题旨在通过对调谐激光光谱技术用于环境气体检测的实验研究，对气体在线检测系统进行模拟，以生产出具有自主知识产权的大气痕量气体检测仪。1.2 调谐二极管激光吸收光谱技术特点及应用 上世纪60年代，出现了通过注入电流来调制半导体激光二极管的技术7， 70年代，Hinkley和Reid等人提出了可调谐二极管激光吸收光谱技术8、9。此后，可调谐激光二极管吸收光谱学越来越受到人们的重视，并逐渐应用到痕量气体监测上。随着光通讯和光电子技术的发展，二极管激光器也迅速商品化，
7、特别是近红外二极管激光器具有体积小、寿命长和光电转换效率高等特点，成为了环境痕量分子监测的理想光源。 调谐二极管激光吸收光谱技术的原理是利用分子单一分立吸收线的吸收光谱来获取气体的各种属性(如：浓度、温度等)。当光通过某种介质时，光电磁波会与介质的分子、原子相互作用使得光被吸收和散射而产生衰减，由于气体分子对光的散射很微弱，远小于被测量气体分子的吸收光能，故可以忽略。根据测定气体吸收特定波长光的程度，可求出气体相应的各种属性。 可调谐二极管激光器与长光程吸收技术相结合，在大气化学研究和污染气体监测中得到了广泛的应用。其技术特点是:(1)探测灵敏度高，一般可达到ppmppt量级，能够满足大气中痕
8、量气体监测的要求；(2)由于分子光谱的“指纹”特性，它们的选择性很强，利用二极管激光可调谐和高光谱分辨率的特点,可以对特定分子在特定光谱范围内的光谱吸收进行测量进而反演得到气体的浓度；(3)探测范围广，响应时间快，非常适合大范围现场实时监测。高分辨率、高灵敏度、良好的选择性、实时、动态，这些特点使得调谐二极管激光吸收光谱技术成为痕量气体快速、在线分析的有效方法之一。1.3 调谐二极管激光吸收光谱技术的研究现状及发展趋势随着可调谐半导体激光吸收光谱的广泛应用，越来越多的专家、学者投入到对系统的深入研究，在系统检测理论方面做出突出的贡献10、11。经过近30年的发展，调谐二极管激光吸收光谱技术成功
9、的应用于大气化学研究和污染气体监测中12、13。上世纪80年代，国外就开始有基于二极管光谱技术测量气体浓度的相关文献14、15，90年代则出现了大量相关文章，报道了许多污染气体浓度的二极管激光光谱技术的测量方法16。当时，德国、美国、日本、俄国、意大利和瑞典等国在激光光谱技术用于大气污染气体监测方面做了大量研究工作，取得了重大突破17。例如：1995年，德国海德尔堡大学的PWerle垂直外腔面发射激光器在760nm处探测O2浓度18；1996美国的DMSonnernfor提出了用二极管激光器探测NO2浓度19；2000年，瑞典的UGustafsson等人利用二极管激光器和差频等非线性光学技术同
10、时监测CH4、O2和H2O20、21。 在环境保护重视程度和环境监测技术水平上，我国与国外发达国家还是存在一定的差距，但经过20多年的发展，我国环境监测的技术水平和能力都有了较大的提高。以中国科学院安徽光学精密机械研究所为代表的一些科研院所，逐步展开了环境监测技术的研究以及监测仪器的开发22。1985年安光所采用分立调谐的CO2激光器成功研制监测大气污染的第一个红外差分吸收激光雷达23；1993年有研制成功我国第一台差分吸收激光雷达系统，并应用于工厂乙烯现场实时连续监测、空气中NO2气体浓度的在线监测；2000年，安光所完成了“紫外差分吸收光谱法烟道SO2在线监测技术及系统”的开发24；200
11、2年，安光所初步研制出基于二极管激光光谱的CO2的检测技术，并取得初步应用，但仪器测量精度不高，体积庞大，价格昂贵，不适宜普及。随后安光所应用调谐二极管激光吸收光谱技术对机动车尾气CO和CO2展开遥测研究，并进行了相应的实测分析；还研制了可调谐激光光谱甲烷监测仪25、26，为工业中甲烷气体的浓度监测提供了一种新的检测方法。除了部分科研院所，一批新兴的优秀企业也在气体监测方面逐渐壮大起来。杭州聚光科技有限公司运用先进的技术，结合中国各行业的实际需求，开发了LGA系列激光在线气体分析仪，在钢铁、石化、环保、航天等行业取得了良好的应用。 尽管调谐二极管激光吸收光谱技术在理论探索和各行业的应用上都取得
12、了很大的成功，但在巨大的社会需求方面仍未充分发挥其作用，仍然有许多问题需要解决。除了在理论方面继续探讨影响调谐二极管激光吸收光谱技术灵敏度、检测极限的调制参数外，影响调谐二极管激光吸收光谱技术发展的一个主要因素是二极管激光器。激光器的调谐范围限制了调谐二极管激光吸收光谱技术可检测气体的种类。目前的调谐二极管激光吸收光谱技术系统多采用单模激光器，这种激光器单色性好,一般的调谐范围在1nm-2nm，一种激光器只针对一种气体进行检测。为了能实现多种气体同时在线监测，许多学者、研究单位尝试同时使用多个激光器，并取得了初步的进展。但多路激光器系统的缺点是系统结构相对复杂、测量相应时间长。还有些学者把眼光
13、放在寻找新型的具有宽调谐范围的激光光源。1.4 本文研究的主要内容 我本文主要研究内容如下： 第一章为绪论。首先阐述了本文的研究背景和意义，并分析了大气监测领域的几种方法；介绍了调谐二极管激光吸收光谱技术的发展历程和技术特点，对国内外调谐二极管激光吸收光谱技术发展的现状和趋势进行了探讨；提出调谐二极管激光吸收光谱技术关键参数的选择；最后概括出论文的主要工作及各章节主要内容。 第二章以气体吸收光谱学理论为基础，分析了不同吸收线型和气体参数的关系。阐述了这种谐波被吸收的原理，为后面吸收谱系统研究奠定了理论基础。 第三章在吸收光谱学理论的基础上，提出了可调谐激光二极管吸收光谱用于气体检测的实验系统，
14、根据调谐二极管激光吸收光谱技术对半导体激光器的要求选择了激光光源并对其调谐性能进行测试，阐述了激光控制单元、长光程气体池、光电接收器的选择及其性能分析。根据本系统实验数据的特点设计了数据预处理流程。第四章对吸收光谱系统的优化进行了研究。对奇次谐波和偶次谐波的变化规律进行分析；在一定的理论基础上分析了调制度、调制频率、扫描信号幅度、扫描信号频率对谐波信号幅值、信噪比、峰型对称性及峰宽的具体影响，总结出各参数影响检测信号的一般规律，并指出在明确系统功能及需求后如何选取参数优化系统，对此类系统的实际应用具有较强的指导意义。第五章讨论了调谐二极管激光吸收光谱技术系统中存在的几种噪声的来源以及相应的削弱噪声的方法，并深入探讨了以背景信号方式存在的噪声对检测信号产生的影响，以及如何通过扣除背景信号抑制剩余幅度调制和光学干涉条纹及其他一些干扰信号的影响以提高系统的检测灵敏度。给出了三种浓度反演的方法：通过比例关系直接反演法、最小二乘拟合反演法和线性关系反演法，分析了三种方法的原理从而选择本系统浓度反演的方法。 第六章为总结与展望。对全文工作内容进行总结，并提出了下一步的研究方向。 第5页 共29页2 调谐激光吸收光谱技术的理论基础2.1 吸收光谱学理论 调谐激光器吸收光谱技术的理论基础就是吸收光谱学理论。一种气体的激光二极管吸收光谱测量主要决定于气体分子
