基于可编程FPGA的TDLAS-WMS湿度计（PFTWH）用于宽范围水蒸气检测：通过集成WMS系统定量评估数字锁相放大器（DLIA）性能

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Programmable FPGA-based TDLAS-WMS hygrometer (PFTWH) for broad-range water vapour detection: Quantitative assessment of digital lock-in amplifier (DLIA) performance via integrated WMS system (I-WMS)

本研究针对传统TDLAS系统在宽范围水蒸气检测中存在的体积庞大、功耗高、信号处理效率低等问题，开发了基于可编程FPGA的TDLAS-WMS湿度计（PFTWH）。通过集成WMS系统（I-WMS）并行运行商业和自研FPGA系统，研究人员成功实现了70-5800 ppm宽浓度范围的水蒸气检测，时间分辨率达0.1 s，精度优于2%。该研究为大气水循环研究和机载测量提供了高性能便携式解决方案。

　　

在大气科学和气候研究领域，精确测量水蒸气浓度对于理解地球水循环、云形成和降水过程至关重要。传统遥感技术受空间分辨率和垂直范围限制，原位测量方法因此显得尤为重要。其中，基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）的技术因其高灵敏度和选择性而被广泛采用，特别是在结合波长调制光谱（WMS）方法后，能够有效抑制噪声，提升在恶劣环境下的测量性能。

然而，现有的TDLAS-WMS系统大多依赖商业锁相放大器（LIA）和数据采集设备，存在设备昂贵、体积庞大、功耗高以及数据处理速度慢等问题。这些限制严重阻碍了其在现场应用和便携式设备中的推广。尽管一些研究尝试采用现场可编程门阵列（FPGA）来改善信号处理性能，但多数仍处于理论探索阶段，缺乏实际系统的全面性能评估。

为了解决这些问题，韩国科学技术研究院气候与碳循环研究中心的研究团队开发了一种基于可编程FPGA的TDLAS-WMS湿度计（PFTWH），能够在70-5800 ppm的宽浓度范围内检测水蒸气。研究人员通过构建集成WMS系统（I-WMS），并行运行商业FPGA-TDLAS-WMS湿度计（CFTWH）、自研PFTWH系统以及直接TDLAS（dTDLAS）方法，定量评估了数字锁相放大器（DLIA）的性能。相关研究成果发表在《Sensors and Actuators B: Chemical》上。

研究采用的主要技术方法包括：基于近红外分布式反馈（DFB）激光器的TDLAS-WMS技术、自定义设计的数字锁相放大器（DLIA）、有限脉冲响应（FIR）滤波器（汉明窗设计，200个抽头系数）以及集成WMS系统平台。实验使用10.4 m赫里奥特池和0.245 m短路径池进行对比测量，通过质量流量控制器调节干氮气和湿气比例来产生不同浓度的水蒸气样本。

研究结果表明，PFTWH系统成功实现了1f和2f信号的并行处理，将数据处理时间减少了一半。在70-5800 ppm的浓度范围内，系统表现出优异的线性特性，WMS-2f/1f信号与浓度之间的确定系数（R2）达到0.998。与商业系统CFTWH相比，PFTWH在测量精度上表现相当，大多数浓度点的准确度保持在1-4%以内。

在长期稳定性测试中，PFTWH在1000秒的连续测量中保持了稳定的性能，时间分辨率为0.1秒。通过Allan偏差分析确定30秒为最佳积分时间，在此条件下系统精度达到1-2%。理论不确定性分析表明，PFTWH和CFTWH的精度和准确度均满足大气过程研究的要求，且具备应用于机载测量的潜力。

研究人员还详细比较了PFTWH和CFTWH的滤波器性能特点。CFTWH使用IIR低通滤波器，截止频率为300 Hz，衰减斜率为12 dB/倍频程；而PFTWH采用FIR低通滤波器，截止频率为100 Hz，具有更平缓的滚降特性。这种差异导致CFTWH在信噪比（SNR）方面表现稍优，但PFTWH通过其可编程性和灵活性弥补了这一不足。

研究结论表明，基于FPGA的PFTWH系统不仅实现了与商业系统相当的测量性能，还具备了程序可编程性和系统可扩展性的优势。该系统成功将WMS技术的应用范围从传统的低浓度检测扩展到更宽的大气相关浓度范围，为气候科学研究和环境监测提供了强有力的工具。未来的工作将重点研究系统在不同环境条件（如温度和压力变化）下的重复性和鲁棒性，以进一步拓展其在实际应用中的适用性。

这项研究的重要意义在于它不仅开发了一种高性能的便携式水蒸气检测设备，还为FPGA在气体传感领域的应用提供了重要的实践案例。通过详细的性能对比和定量评估，研究人员为未来类似系统的设计和优化提供了有价值的参考，推动了TDLAS-WMS技术在实际环境监测中的应用进程。