Trace gas detection method by using low-sampled cavity ringdown signals

The global industrialization process has allowed the rapid economic development of the entire society, but at the same time, various human industrial activities have also caused pollution to the atmospheric environment. For tiny concentration in trace gases, Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) achieves ultra-high sensitivity and precision for its enlarged equivalent path. This effective detection of trace gases can be applied to the detection of chemical reactions in industrial activities and monitor our physical states to protect our health, which has important application value for human production and daily life. The ringdown cavity detecting system needs to be more integrated and capable of real-time data processing for the more complex application environment in the future. In this paper, a method of trace gas detection using low-sampled ringdown cavity signals was proposed, which was beneficial for improving the integration and real-time performance of the ringdown cavity data acquisition system. A continuous wave CRDS system was carried out on a random vibration-driven cavity in this work, and the major work was organized as follows. Firstly, the basic principle of continuous wave ring-down cavity spectroscopy was introduced in the beginning, and the stability condition of a resonant cavity and cavity mode matching theory was detailed for stable optical alignment. The method of measuring gas concentration by ring-down cavity system was put forward after the relationship between gas absorption spectrum and ring-down signals that emitted from the cavity was figured out. Secondly, a simulation model of the laser propagation process in the ringdown cavity was established to determine the wavelength range for the water vapor absorption spectrum measurement. The starting point amplitudes and the decaying rates of the ringdown signals was significantly affected by the gas absorption rates at different laser wavelengths. The simulation was carried out in the wavelength range of our tunable DFB laser, and the measurement scheme of water vapor absorption spectrum was determined as well. Thirdly, a method to extract the decaying coefficient by using the low-sampled ringdown signals of the CRDS system was proposed. After the characteristics of the ringdown signals emitted from the cavity was analyzed, the system identification model when signals were filtered by a first-order low-pass filter was put forward. In case of signals were filtered by high-order filter, neural network was constructed to solve the decaying coefficient. Finally, the trace gas detection system using low-sampled cavity ringdown signals was set up. The experiment was carried out for the water vapor and methane concentration in the air and the sensitivity for this two absorbances was in the order of 10−6 cm−1. The relative deviation of the concentration measurement is 0.265% compared with the high-sampled signals. The gas absorption spectrum of water vapor was repeatedly measured under the same experimental conditions by scanning the wavelength of the incident laser, and at last the source of error in the experiment was analysed. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of prof. Lijun Xu at Beihang University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between Beihang University and Politecnico di Milano.

Il processo di industrializzazione globale ha permesso il rapido sviluppo economico dell'intera società, ma allo stesso tempo varie attività industriali umane hanno anche causato inquinamento all'ambiente atmosferico. Per piccole concentrazioni nei gas di traccia, la spettroscopia ad anello di cavità (CRDS) raggiunge sensibilità e precisione ultra-elevate per il suo percorso equivalente allargato. Questa efficace rilevazione dei gas in traccia può essere applicata alla rilevazione di reazioni chimiche nelle attività industriali e al monitoraggio dei nostri stati fisici per proteggere la nostra salute, che ha un importante valore applicativo per la produzione umana e la vita quotidiana. Il sistema di rilevamento delle cavità di ringdown deve essere più integrato e capace di elaborare i dati in tempo reale per l'ambiente applicativo più complesso in futuro. In questo articolo, è stato proposto un metodo di rilevamento del gas di traccia utilizzando segnali di cavità ringdown a basso campionamento, che è stato utile per migliorare l'integrazione e le prestazioni in tempo reale del sistema di acquisizione dati della cavità ringdown. Un sistema CRDS ad onda continua è stato eseguito su una cavità a vibrazione casuale in questo lavoro, e il lavoro principale è stato organizzato come segue. In primo luogo, il principio di base della spettroscopia della cavità ad onda continua è stato introdotto all'inizio e la condizione di stabilità di una teoria di corrispondenza della cavità risonante e della modalità della cavità è stata dettagliata per l'allineamento ottico stabile. Il metodo di misurazione della concentrazione di gas mediante il sistema di cavità di ringdown è stato presentato dopo aver calcolato la relazione tra lo spettro di assorbimento del gas e i segnali di ringdown emessi dalla cavità. In secondo luogo, è stato stabilito un modello di simulazione del processo di propagazione laser nella cavità di ringdown per determinare la gamma di lunghezze d'onda per la misurazione dello spettro di assorbimento del vapore acqueo. Le ampiezze del punto di partenza e i tassi di decadimento dei segnali di ringdown sono stati significativamente influenzati dai tassi di assorbimento del gas a diverse lunghezze d'onda laser. La simulazione è stata effettuata nella gamma di lunghezze d'onda del nostro laser DFB sintonizzabile e lo schema di misura dello spettro di assorbimento del vapore acqueo è stato determinato pure. In terzo luogo, è stato proposto un metodo per estrarre il coefficiente di decadimento utilizzando i segnali di ringdown a basso campionamento del sistema CRDS. Dopo aver analizzato le caratteristiche dei segnali di ringdown emessi dalla cavità, è stato presentato il modello di identificazione del sistema quando i segnali sono stati filtrati da un filtro passa basso di primo ordine. Nel caso in cui i segnali fossero filtrati da filtro ad alto ordine, la rete neurale è stata costruita per risolvere il coefficiente di decadimento. Infine, è stato installato il sistema di rilevamento dei gas di traccia che utilizza segnali di ringdown della cavità a basso campionamento. L'esperimento è stato effettuato per la concentrazione di vapore acqueo e metano nell'aria e la sensibilità per queste due assorbanze era dell'ordine di 10−6 cm−1. La deviazione relativa della misurazione della concentrazione è 0,265% rispetto ai segnali ad alto campionamento. Lo spettro di assorbimento del gas del vapore acqueo è stato ripetutamente misurato nelle stesse condizioni sperimentali scansionando la lunghezza d'onda del laser incidente e infine è stata analizzata la fonte di errore nell'esperimento. L'attività di ricerca riportata in questa tesi è stata svolta sotto la supervisione del prof. Lijun Xu presso presso l’Università Beihang nell'ambito del programma di doppia laurea magistrale in Ingegneria Elettrica tra l’Università Beihang e il Politecnico di Milano.