在煤矿开采过程中,由于矿井下的煤尘自燃缺乏氧气助燃,一般在燃烧初期都会产生大量的一氧化碳气体。所以对一氧化碳气体浓度的监测,不仅会大大降低煤矿生产安全事故发生的概率,也会在极大程度上保护煤矿工人的生命安全。研制高精度矿井下一氧化碳气体浓度检测仪,对煤矿安全生产具有重大意义。红外吸收光谱法利用气体具有的红外光谱吸收特性来对空间中的气体成分进行定性与定量分析。红外吸收光谱法具有分析速度快、辨识能力强、失效概率低等优点。红外吸收光谱法可以由多种红外光源实现,其中量子级联激光器具备发射线宽窄,光功率密度高,单色性好等特点。采用中红外量子级联激光器作为光源的气体检测仪与采用其他光源的检测仪相比,其对气体分子的鉴别能力更强、测量光谱范围更宽、灵敏度更高并且有很强的抗干扰能力。目前中红外一氧化碳检测仪在实际应用中还存在很多问题,主要包括:量子级联激光器输出光功率的稳定度对仪器的检测性能影响很大,想要获得理想的光源驱动效果,需要设计复杂的驱动电路。其次,激光器脉冲驱动方式在光电探测器端表现为极窄的尖峰脉冲信号。要分辨这一窄脉冲信号必须要设计具有较高带宽和较高垂直分辨率的信号处理电路。本论文的研究工作主要着眼于以下关键问题:1.红外一氧化碳气体检测仪光源驱动的稳定性与可靠性问题。本文首先从量子级联激光器能级结构出发,通过构建量子力学模型实现了对其物理特性的仿真,在此基础上引入了遗传算法对激光器设计结构中的各个关键参数进行了寻优。量子级联激光器的建模工作为后续实际应用工作打下了理论基础。2.通过理论推导证明了量子级联激光器最佳的驱动方式为恒功率驱动方式,设计纳秒级脉冲恒功率驱动电源,所研制的驱动电源,输出驱动脉冲宽度与占空比均实现可调,驱动电流最高可达10A,脉冲上升/下降时间小于10ns。驱动电路采用电流反馈技术,在脉冲输出期间实时控制输出功率,实现恒功率驱动。利用中国科学院半导体所研制的中红外量子级联激光器对驱动电源的稳定性进行了测试。结果表明,激光器输出光功率稳定,驱动波形未出现过冲与振铃等现象。同时,工作温度是影响激光器激射波长的主要因素,为了稳定量子级联激光器的激射波长,本文设计了激光器温度控制电路。温度控制器由温度采集系统与温度控制系统两部分组成,对激光器工作温度的控制精度达到±0.2℃。3.由于本检测仪对光源的驱动方式为脉冲驱动,因此红外光电探测器输出信号为窄脉冲信号。对此信号进行处理的放大器必须兼具精度与速度。这就要求其输入阻抗必须要控制在很低的水平并且工作带宽较高。碲镉汞光电探测器的输出信号在进行数字化处理时,需要在保证采样带宽的情况下尽可能提高采样精度。本文设计了高速并行采集电路,利用两片双通道高速ADC实现了1GSPS的采样频率与12bit的垂直分辨率。信号链的最后一环是FPGA数据处理电路,它将ADC采集的大量数据进行去噪和数据打包的工作,通过SD卡或者其他传输手段与上位机实现数据交换。本文创新点总结如下:1.完成了量子级联激光器的物理建模。将混沌遗传算法引入到量子级联激光器模型,并对量子级联激光器设计参数进行了寻优。在此基础上探讨了外加磁场的变化对激光器发光性能的影响。之后分析了纵向光学声子散射和粗糙界面散射对量子级联激光器光学增益和总弛豫率的影响。2.设计了一氧化碳检测仪光源控制系统。光源控制系统包含激光器恒功率驱动电路与激光器温度控制电路。恒功率驱动电路很好的抑制了激光器驱动脉冲的上升过冲,驱动脉冲的上升时间与下降时间都达到了纳秒级别。激光器温度控制电路控温范围20℃~50℃,控制精度达到±0.2℃。3.设计了一氧化碳检测仪光电信号采集系统。根据碲镉汞光电探测器输出信号的特点,设计了高速高精度的前置放大器。在此基础上,又设计了基于交替并行采样原理的模数转换系统。用两片双通道模数转换器实现了四通道交替并行采样,采样频率1GSPS,纵向分辨率12bit。数字信号处理电路采用Farrow滤波器与CORDIC算法对信号进行去噪和误差矫正。数字信号处理电路在输入信号频率小于400MHz的情况下,信噪比可以达到65d B,无杂散动态范围达到70d B。