Development of a Multi-Channel Control and Acquisition System for Laser Spectroscopy

Abstract

Die durchstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS) ist eine hochempfindliche und selektive Methode zur quantitativen Spurengasanalytik. Zur Steuerung von Spektrometern werden Datenerfassungskarten (DAQ) benötigt, aber kommerzielle DAQ-Karten verfügen häufig nicht über die erforderliche Kanalkapazität und Echtzeit-Verarbeitungsbandbreite, wenn mehrere Laser zur Messung verschiedener Gase gesteuert werden müssen. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung einer FPGA (Field Programmable Gate Array)-basierten DAQ-Karte, als Grundlage für Mehrgas-Spektrometersysteme. Die Hardware bietet sechs 14-Bit-Eingänge bei 65 MHz und sechs 16-Bit-Ausgänge bei 250 MHz, gesteuert durch einen FPGA. Durch die modulare Verstärkerstufe für Laser- und Fotodioden, ist die Integration verschiedener Fotodioden- und Lasermodultypen möglich. Die DAQ-Karte ermöglicht die gleichzeitige Steuerung von bis zu sechs Lasern und Fotodioden mit Echtzeit-Spektralmittelung bei bis zu 2 kHz und verbessert somit das Signal-Rausch-Verhältnis um einen Faktor von 1,4 und beseitigt Bandbreitenbeschränkungen zum Host-PC im Vergleich zu einer handelsüblichen DAQ-Karte. Das System wurde erfolgreich in ein bestehendes Spektrometer an der TU Wien integriert, das zuvor CO2, CH4, CO, N2O und H2O gemessen hat. Die Systemleistung wurde durch Allan-Varianz-Analyse, Kalibrierungsmessungen und Messungen von Luftproben in Wien validiert. Bei einer Abtastrate von 1 Hz erreicht das Instrument 1 σ-Präzessionen von 1,19 ppb (CH4), 5,18 ppm (H2O), 492,8 ppb (CO2), 0,316 ppb (CO) und 0,293 ppb (N2O), und hat somit robuste Echtzeit-Umwelt- und Industrieprozessüberwachung demonstriert. Die erweiterte Sechs-Kanal-Kapazität ermöglicht den Einsatz eines neuen Laser-moduls zur Messung von N2O-Isotopomeren sowie NO- und NO2-Konzentrationen.

Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) is a highly sensitive and selective method for trace gas detection. To control spectrometers we need data acquisition (DAQ) cards, but standard commercial off-the-shelf (COTS) DAQ cards often lack the channel capacity and real-time processing bandwidth required when multiple lasers have to be controlled to measure multiple gases. This thesis addresses this limitation by presenting the development and implementation of a custom Field Programmable Gate Array (FPGA)-based DAQ card designed to enable practical, portable multi-gas spectroscopy systems. The hardware provides six 14-bit, 65 MHz analog inputs and six 16-bit, 250 MHz outputs, controlled by a FPGA. A key feature is the modular amplifier stage for laser and photodiode signals, allowing the integration of various photodiode and laser module types by enabling stage replacement. The architecture enables simultaneous control of up to six lasers and photodiodes with real-time spectral averaging at 2 kHz on the FPGA, improving signal-to-noise ratio by a factor of 1.4 and eliminating host PC bandwidth constraints, compared to a COTS DAQ card. It was successfully integrated into an existing spectrometer at TU Wien, which previously measured CO2, CH4, CO, N2O, and H2O. The performance and functionality were validated through Allan variance analysis, calibration measurements, and field testing with air samples in Vienna. At a 1 Hz output rate, the instrument achieves 1 sigma precision of 1.19 ppb (CH4), 5.18 ppm (H2O), 492.8 ppb (CO2), 0.316 ppb (CO), and 0.293 ppb (N2O), demonstrating real-time environmental and industrial process monitoring. The expanded six-channel capability enables the addition of a new laser module for measuring N2O isotopomers as well as NO and NO2 concentrations.