球载CRDS高灵敏度甲烷测量系统的研制

发布时间：2024-04-07 03:54

　　为了分析青藏高原地区甲烷浓度的垂直分布,本文采用腔衰荡光谱技术(CRDS)设计了一套高灵敏度的球载甲烷浓度实时测量系统,该测量系统在基于DSP的单板电路上实现腔模锁定、衰荡信号采集、光谱扫描、数据存储等功能并在DSP上实时处理衰荡信号、光谱信号和浓度等数据。本文首先介绍了CRDS测量原理与采用的光谱处理算法,通过固定高斯线宽的方式改进光谱拟合算法,使得浓度计算结果得到明显提升。然后,分析了电路系统采集的衰荡信号与光谱信号,采集的衰荡信号信噪比达62 dB,并在实验室使用标准气体进行了标定试验,标准气体的测量值标准差σ最大为2.2×10^-9,测量值的均方值RMS和标准气体标称值之间的校正可决系数为0.998 7。最后,系统进行了实际试验,在西藏鲁朗地区成功实现了从海拔3 340 m到海拔6 000 m的上升和下降过程中甲烷浓度的测量。该系统可以通过改变激光波长与光腔反射镜测量其他大气痕量气体,进一步改进与优化的系统可以应用到大气同位素丰度的测量中。

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【部分图文】：

图1甲烷吸收谱线与干扰气体谱线仿真

图1简单分析了CH4,H2O,CO2在6046～6048cm-1内的吸收谱线,其中H2O的浓度根据283K时0.7×105Pa时大气的饱和水气浓度[15]设定,CO2与CH4浓度以平原地区大气中的平均含量设定。图中可以看出,H2O在6046.79cm-1和6047....

图2不同噪声水平固定与不固定高斯线宽拟合算法的计算浓度结果比较

在固定高斯线宽与不固定高斯线宽拟合比较的仿真中,设置甲烷浓度为2×10-6,温度为296K,气压为1.01×105Pa,产生4组幅值分别为0.002,0.006,0.01,0.014的随机噪声,每组200个,光谱信号与4组(每组200个)随机噪声分别相加构成4组(每组200个....

图3球载CRDS测量系统功能结构框图

CRDS甲烷浓度测量系统搭载在系留球吊舱内,吊舱是一个密闭空间,外壳由保温材料制作,腔内温度通过风扇和舱内辅热装置调节,舱内温度保持在(22±5)℃。通过2.3节中提到的第一个措施能够保证光腔内气体的温度与舱内温度接近,通过第二个措施可以补偿温度的小范围变化带来的测量误差。系留....

图5CRDS系统测量程序流程

图4CRDS测量样机实物图图5是主控芯片TMS320C6748的程序运行流程。仪器上电后,程序先初始化系统外设接口与电路参数,然后控制DAC微调激光器的输入偏置电流使得激光波长与光腔纵模发生共振,共振发生后立刻停止电流调节,此时与光腔纵模共振的激光波长对应的偏置电流被锁定,这个....

本文编号：3947636