测量甲烷浓度的红外激光雷达建模仿真研究

【摘要】：甲烷是一种易燃易爆气体,是煤矿瓦斯的主要成分。一直以来瓦斯灾害是制约煤炭安全的主要因素。因此,实时准确地检测井下甲烷气体浓度有着十分重要的意义。 本文研究的是基于光谱吸收的井下检测甲烷气体浓度的红外激光雷达,它可以远距离对甲烷气体进行实时准确的检测。首先,根据红外激光雷达的检测原理和井下环境,分析和建立了红外激光雷达系统模型;其次,根据建立的模型,研究了激光雷达的回波信号统计模型,并研究了斑纹及干扰噪声对回波信号统计模型的影响;然后,提出了应用kalman滤波算法对信号进行信号处理;最后,根据建立的红外激光模型和提出的信息处理算法,利用matlab软件进行仿真研究并建立相应的仿真系统。研究结果表明:建立的雷达系统模型符合实际,提出的信号处理算法能更好地提取甲烷气体浓度。 通过建立的仿真系统,可以直观方便地评价和分析井下检测甲烷气体浓度的红外激光雷达的性能,有助于井下检测甲烷气体浓度的红外激光雷达的方案制定和性能改进,是一种及科学有经济的研究手段。 【关键词】：激光雷达 信息处理算法 大气湍流 建模仿真 甲烷浓度
【学位授予单位】：辽宁工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN958.98
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 选题意义11
• 1.2 现有检测气体浓度的方法11-12
• 1.3 国内外研究现状12-14
• 1.3.1 国外研究现状12-13
• 1.3.2 国内研究状况13-14
• 1.4 主要工作14-15
• 1.5 章节安排15-16
• 1.6 本章小结16-17
• 2 红外激光雷达的基本原理17-24
• 2.1 引言17
• 2.2 分子的吸收谱17
• 2.3 甲烷的红外吸收光谱17-19
• 2.3.1 红外光的划分17-18
• 2.3.2 甲烷吸收光谱18-19
• 2.4 朗伯-比尔（Lamber-Beer）定律19-20
• 2.5 红外吸收式激光雷达的基本原理20-23
• 2.5.1 红外激光雷达的距离方程20-21
• 2.5.2 红外激光雷达的工作原理21-23
• 2.6 本章小结23-24
• 3 红外激光雷达建模24-41
• 3.1 引言24
• 3.2 系统结构24-25
• 3.3 发射系统25
• 3.4 大气传输25-33
• 3.4.1 大气的吸收26-27
• 3.4.2 大气的散射27-30
• 3.4.3 粉尘的消光30-31
• 3.4.4 大气的总衰减系数31-33
• 3.5 反射目标33-37
• 3.5.1 反射目标物的光学特性33-35
• 3.5.2 斑纹效应35-37
• 3.6 接收探测系统37-39
• 3.6.1 接收探测模型37-38
• 3.6.2 接收探测噪声38-39
• 3.7 本章小结39-41
• 4 红外激光雷达回波信号统计模型及信息处理算法41-53
• 4.1 引言41
• 4.2 回波信号统计模型41-44
• 4.2.1 斑纹的调制因子42-43
• 4.2.2 接收探测噪声43-44
• 4.3 回波信号统计特性分析44-45
• 4.4 高斯光束45
• 4.5 红外激光雷达的测量灵敏度45-46
• 4.6 信息处理算法46-51
• 4.6.1 kalman 滤波46-48
• 4.6.2 Kalman 滤波模型48-49
• 4.6.3 数值仿真分析49-51
• 4.7 本章小结51-53
• 5 红外激光雷达仿真系统53-62
• 5.1 引言53
• 5.2 红外激光雷达系统结构53-54
• 5.3 红外激光雷达仿真系统的设计54-57
• 5.3.1 仿真系统的设计目标54
• 5.3.2 仿真系统的设计方案54-57
• 5.4 红外激光雷达仿真系统的实现57-61
• 5.5 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-67
• 附录 信息处理算法程序67-70
• 作者简历70-71
• 学位论文数据集71-72

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