采用VCSEL光源的新型TDLAS甲烷气体检测系统研究的任务书.docx

采用VCSEL光源的新型TDLAS甲烷气体检测系统研究的任务书
任务书
一、项目背景
燃气是一种广泛使用的能源，甲烷是其主要成分之一，也是温室气体的重要组成部分。由于甲烷能够在短时间内导致严重的空气污染和环境问题，例如城市燃气泄漏、油气开采等过程中，甲烷泄漏事件可能导致的爆炸事故等。因此，高效、精确的甲烷气体检测系统的研发具有重要的现实意义。
光谱技术是一种常用的气体检测技术，其中，被广泛应用的一种技术是依赖于距离吸收光谱（TDLAS）。相比于传统的光谱方法，TDLAS技术具有响应速度快、代价低等优势，因此在各大工业、民用系统中得到广泛应用。然而，在实际工作中，TDLAS技术检测能力存在一定差距，其中包括灵敏度相对较低、部分波长范围检测效果逊于其他波长范围、需要对系统定标等问题。针对以上问题，采用VCSEL光源的新型TDLAS甲烷气体检测系统的研究势在必行。
二、任务目标
本项目旨在通过采用VCSEL光源，建立一套能快速、准确、经济地检测甲烷气体的TDLAS检测系统，系统具有以下功能与指标:
1.系统可达到灵敏度不低于10ppm.m的检测要求。
2.系统波长范围覆盖到包括1600nm至2100nm范围内的甲烷的弱吸收波长范围。
3.可预先对系统碳分子混合气体的定标，简化后续使用过程。
4.系统的测量结果以数字信号和可视化图形的方式输出以满足后续的数据处理要求。
三、任务实施任务
本研究将分为理论研究和实验研究两部分：
1.实验研究
1.1建立实验环境：搭建符合TDLAS检测的实验环境，包括恒温恒湿环境和较低的气体流速环境等。
1.2设计VCSEL光源及接收器系统，建立实验装置：采用VCSEL光源在波长范围1600nm至2100nm之间调制具有自临界谐振特性的混杂量子阱的激光的输出，信号经过系统处理后被检测器采集。设计建立相关的检测系统。
1.3建立距离吸收光谱模型：基于实验数据，求解气体吸收线型参数，以分析电流源输出特性、光学组件传递特性、液氮泵出口气流特性影响因素、光路长度、光学系统分集光折射、气氛、温度等物理因素的影响。
1.4实验分析：使用实验数据对TDLAS检测系统在检测甲烷气体时的性能进行评估分析，测量其灵敏度、实验重复性等参数，以开发出高效、敏捷、可靠的TDLAS检测系统。
2.理论研究
2.1分析光源及接收器的应用特性并根据理论研究优化信号处理和系统性能。
2.2根据提出的VCSEL光源TDLAS气体检测系统，开发气体吸收线性分析模型，并对模型进行验证。
2.3研究TDLAS在一定浓度的甲烷气体中的性能，特别是在大量干扰基线、光源和检测器功率等（包括系统温度变化、测量距离增加及检测器变化的位置等）的情况下。
2.4总结甲烷检测系统的分析与处理技术，并形成文献报告和图片。
四、研究成果
本项目研究成果将根据理论研究和实验研究部分建立的TDLAS甲烷气体检测系统，具备高度灵敏性、特定波长范围（1600nm至2100nm）检测能力，可通过实践和学术研究总结提出相应资料和技术报告。具体成果如下：
1.硬件设备，包括整套VCSEL光源TDLAS气体检测系统设备、气体分析系统设备等，其目的是提供高质量的实验数据。
2.理论分析技术总结：对TDLAS甲烷气体检测系统的原理、基本特性及其目的的探索，总结基于光谱信号处理的方法，实现高灵敏度检测和检测定量分析。
3.模型分析技术总结：对采用VCSEL光源的TDLAS气体检测系统建立的甲烷吸收线型模型进行分析总结，并将其应用于实际检测中的性能分析。
4.数据处理技术总结：对TDLAS气体检测系统实验数据进行处理，得出甲烷气体浓度与光谱信号的关系曲线，并对每次检测得到的数据进行分析处理。
5.文献报告和图片：统计总结本项目的实验和研究数据、技术，以及对空气污染、环境监测等问题相应的应用和处理问题，具体呈现在文献报告和图片中。
五、时间安排
任务执行周期为12个月，具体的时间计划如下：
阶段|时间|主要任务
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前期准备|第1个月|系统设计与方案确定
理论研究|第1-6个月|甲烷吸收线型分析模型设计
实验设计|第7-8个月|基础实验强化
实验研究|第8-12个月|数据分析与实验结果总结
成果撰写|第10-12个月|报告书的撰写与归纳
六、任务要求
1.具有相关专业的研究背景和参与过相关实验的先验经验；
2.能独立并有计划地进行研究任务，并能承担相应研究所需的艰苦奋斗；
3.具有数据处理、软件维护等编程开发能力；
4.在研究期间，能以24周一天8小时的形式参与实验开展；
5.优秀的沟通能力、方案制定和问题解决能力和成果分析总结能力。
七、经费预算
本项目总经费需要50万元，其中包括设备费、材料费、出差费等。预算如下：
项目名称|经费预算（万元）
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