Signalverarbeitung in der direkten Absorptionsspektroskopie zur Gaskonzentrationsbestimmung

Die abstimmbare Laserspektroskopie hat sich als leistungsfähiges Messprinzip zur Gaskonzentrationsbestimmung in verschiedenen Anwendungen bewiesen. Insbesondere die direkte Absorptionsspektroskopie (DAS) basierend auf dem Lambert-Beer-Gesetz ermöglicht eine sensitive, selektive und kalibrationsfreie Ermittlung der Konzentration des Zielgases unter Berücksichtigung der spektroskopischen Absorptionslinienparameter aus der HITRAN-Datenbank. Durch die Kohärenz des Laserlichts ist DAS oft durch sinusartige optische Störungen wie sog. „Etalons“ oder optisches 1/f-Rauschen und sekundär durch weißes Rauschen limitiert. In dieser Arbeit wird eine DAS-Systemmodellierung durchgeführt, um in detaillierten Simulationen verschiedene DAS-Konzepte in Abhängigkeit von Etalon-Effekten zu untersuchen. Diese Konzepte analysieren verschiedene Merkmale der Gasabsorptionslinie wie die Fläche (DAS-F), das Maximum (DAS-f) oder Merkmale der ersten bzw. zweiten Ableitung (DAS-1f bzw. DAS-2f) der Absorption zur kalibrationsfreien Gaskonzentrationsbestimmung. Insbesondere das DAS-2f-Konzept weist vielversprechende Eigenschaften auf, wie Genauigkeit, Präzision, Unterdrückung von niederfrequenten Etalons bzw. 1/f-Rauschen. Darüber hinaus wird gezeigt, dass eine näherungsweise Implementierung von DAS-2f-Signalverarbeitung ohne Basislinienkorrektur des Lasers machbar ist, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten von DAS erheblich erweitert werden können.