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TDLAS气体 遥测高灵敏光电探测电路设计

裴梓伊 胡朋兵 潘孙强 戚海洋 刘素梅 刘东

裴梓伊, 胡朋兵, 潘孙强, 戚海洋, 刘素梅, 刘东. TDLAS气体 遥测高灵敏光电探测电路设计[J]. , 2024, 17(1): 198-208. doi: 10.37188/CO.2023-0107
引用本文: 裴梓伊, 胡朋兵, 潘孙强, 戚海洋, 刘素梅, 刘东. TDLAS气体 遥测高灵敏光电探测电路设计[J]. , 2024, 17(1): 198-208. doi: 10.37188/CO.2023-0107
PEI Zi-yi, HU Peng-bing, PAN Sun-qiang, QI Hai-yang, LIU Su-mei, LIU Dong. Design of a highly sensitive photoelectric detection circuit for TDLAS gas laser telemetry[J]. Chinese Optics, 2024, 17(1): 198-208. doi: 10.37188/CO.2023-0107
Citation: PEI Zi-yi, HU Peng-bing, PAN Sun-qiang, QI Hai-yang, LIU Su-mei, LIU Dong. Design of a highly sensitive photoelectric detection circuit for TDLAS gas laser telemetry[J]. Chinese Optics, 2024, 17(1): 198-208. doi: 10.37188/CO.2023-0107

TDLAS气体 遥测高灵敏光电探测电路设计

doi: 10.37188/CO.2023-0107
基金项目: 2022 年度“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目(No. 2022C03065,No. 2022C03162,No. 2022C03084);浙江省市场监督管理局雏鹰计划 培育项目(No. CY2023001);浙江省市场监督管理局科研计划项目(No. QN2023419)
详细信息
    作者简介:

    裴梓伊(1998—),男,辽宁葫芦岛人,硕士研究生,2021年于哈尔滨工业大学获得学士学位,主要研究方向为光学检测技术。E-mail:ziyipei@zju.edu.cn

    刘 东(1982—),男,辽宁大连人,教授,博士,博士生导师,2005年、2010年于浙江大学分别获得学士、博士学位,曾在美国宇航局(NASA)从事博士后研究工作。主要研究方向为光学检测、 雷达、机器视觉、深度学习。E-mail:liudongopt@zju.edu.cn

  • 中图分类号: O433.1;O433.4

Design of a highly sensitive photoelectric detection circuit for TDLAS gas laser telemetry

Funds: Supported by the“Pioneer” and “Leading Goose” R&D Program of Zhejiang (No. 2022C03065,No. 2022C03162,No. 2022C03084); Science and Technology Plan Program, Eagle Plan Training Program of Marketing Surveillance & Administration Bureau of Zhejiang Province (No. QN2023419, No. CY2023001)
More Information
  • 摘要:

    针对气体 遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点,结合波长调制技术,设计和研究了用于TDLAS 遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit, HSPDC)。基于波长调制技术,确定了TDLAS信号噪声抑制方法;采用光电二极管理想模型,分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数;基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC进行测试。结果表明:所设计HSPDC的光功率检测下限为0.11 nW,信号衰减仅为0.79 dB(f=10 kHz),截止频率较现有108 V/A跨阻放大电路高一个数量级,可用于高速调制微弱光信号的探测。搭建了气体 遥测系统,当调制频率为3 kHz时, 遥测系统获得了良好的检测性能,检测灵敏度达到88.66 mV/ppm,检测限优于0.565 ppm,线性拟合度R2为0.9996。研究表明,研制的HSPDC光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点,可集成化,能满足气体 遥测应用需求。

     

  • 图 1  各次谐波信号。(a)奇次谐波信号;(b)偶次谐波信号

    Figure 1.  Each harmonic signal. (a) Odd harmonic signal; (b) even harmonic signals

    图 2  PIN 光电二极管等效模型

    Figure 2.  Equivalent model of PIN photodiode

    图 3  不同RdI-IL 响应关系。(a) Rd=10 kΩ; (b) Rd=100 kΩ; (c) Rd=1 MΩ

    Figure 3.  I-IL response relationship with different Rd values. (a) Rd=10 kΩ; (b) Rd=100 kΩ; (c) Rd=1 MΩ

    图 4  光电探测电路原理示意图。(a) 跨阻放大电路;(b) 负反馈放大电路;(c) BW滤波电路

    Figure 4.  Schematic diagram of photoelectric detection circuit. (a) Cross resistance amplification circuit; (b) negative feedback amplification circuit; (c) BW filtering circuit

    图 5  光电探测电路仿真结果。(a) 各级放大电路输出信号;(b) 增益及相位频率响应特性

    Figure 5.  Photoelectric detection circuit simulation results. (a) Output signals of each stage of amplification circuit; (b) frequency response characteristic of gain and phase

    图 6  氨气 遥测系统结构示意图

    Figure 6.  Structural diagram of ammonia laser telemetry system

    图 7  暗电流噪声信号。(a) HSPDC噪声;(b) TLB PDC 噪声

    Figure 7.  Dark current noise signal. (a) HSPDC noise; (b) TLB PDC noise

    图 8  遥测距离变化时系统输出信号。(a) HSPDC 输出信号;(b) TLB PDC 输出信号

    Figure 8.  System output signals when telemetry distance changes. (a) HSPDC output signal; (b) TLB PDC output signal

    图 9  二次谐波峰峰值及标准偏差随距离变化曲线

    Figure 9.  Curves of the second harmonic peak-to-peak value and standard deviation changing with distance