利用激光雷达与光谱吸收技术遥测瓦斯浓度的分布

利用激光雷达与光谱吸收技术遥测瓦斯浓度的分布中国矿业大学北京研究生部乔松，何斌光谱分析方法是精确确定物质类型及含量的常用分析方法，它主要包括喇曼散射测量法、共振荧光测量法、共振吸收测量法等。对于气体测量来说，喇曼散射和共振荧光的光谱强度都很弱，因而需...

近红外光谱吸收技术的无线电子鼻设计

基于近红外光谱吸收技术,设计并开发出了一套能够高效、准确地对目标气体进行检测的电子鼻系统。电子鼻系统主要包括近红外激光发射单元、气室单元、系统控制单元、人机界面单元。主成分分析(PCA)算法和反向传播(BP)神经网络通过LabVIEW所提供的MATLAB Script节点,集成到上位机软件中,并用来对采集到的数据进行分析。结果表明,该电子鼻在网络训练次数达到1000次以上时达到稳定,且精度达到0.0001。对白醋、米醋和苹果醋进行食品分辨,识别准确率达到100%,实现了高精度、高稳定度和高分辨率的设计目标,具有较好的应用前景。

中红外层析吸收光谱技术应用于甲烷掺氨层流预混火焰温度测量

氨(NH3)是一种代表性的零碳燃料,其完全燃烧产物为水(H_(2)O(g))和氮气。由于其独特的零碳排放优势,近年来,NH3已在热力锅炉、内燃机和工业窑炉中实现高比例掺烧的减排应用。由于火焰温度与燃烧效率和污染物生成密切相关,因此亟须精准的实验数据以实现对燃烧过程的主动控制。本文开发了基于中红外层析吸收光谱技术的测量系统,通过跃迁谱线分析,优选了H_(2)O在基频谱带(v3)内2482 nm附近的吸收谱线开展吸收光谱测量。采用多个Voigt线型函数实现H_(2)O光谱重叠吸收特征的精确拟合,并结合阿贝尔逆变换和正则化技术实现了不同掺氨比燃烧工况下火焰温度的免标定、定量测量。实验结果表明纯氨燃料和甲烷/氨气混合燃料的火焰面位置位于燃烧器上方高度的0.5~2 mm之间,当体积掺氨比从20%向100%增大时,火焰面逐渐远离燃烧器,同时火焰最高温度大约从1600 K上升至2000 K。本文开发的测量方法与系统,不仅能捕捉到层流预混火焰沿着轴向和径向的非均匀温度分布,还能分辨出不同燃烧工况下的火焰温度差异,特别适合零碳氨燃料火焰温度测量。

宽光谱吸收应用中光谱扫描区间的选择

与传统的窄带扫描吸收光谱技术相比,宽光谱吸收技术可以获取更宽光谱范围内的丰富吸收数据,具有很大的技术优势。宽光谱吸收技术测量系统的硬件与传统的可调谐二极管吸收光谱技术测量系统基本一致,唯一不同的是宽光谱吸收技术则使用宽带调谐光源。实际应用中,宽光谱吸收光源一般都具有较宽的光谱覆盖范围(>20 nm),而使用全谱段扫描会对数据采集、存储和处理提出较高的要求,从而增加系统成本和测量工作量。因此,选择合适宽度的光谱扫描区间就成为宽光谱吸收应用中的一个关键问题。利用等效下能级概念,提出了针对宽光谱吸收应用的光谱扫描区间选择的数值方法,并针对1.3μm波段和2μm波段开展了扫描区间选择研究。在1.3μm波段,计算给出的优选扫描谱段与文献报道中使用的谱段相重合,验证了选择方法的可行性和正确性。在2μm波段,在给定工况条件下,通过实验数据验证了所选择扫描区间在温度反演精度方面的优越性。针对实际应用中面临的宽工况环境,通过计算给出了2μm波段优选的扫描光谱区间。计算结果表明,在1.8μm的短波段和1.9μm的长波段均存在适用的光谱扫描区间,其中,1.86μm附近测温精度最高;更宽的扫描带宽有助于降低系统在全光谱范围内的整体测温不确定度。相关研究可为宽光谱吸收技术在燃烧流场诊断的现场应用提供关键技术指导。

掺铥光纤激光放大器在宽波段吸收光谱技术中的应用

利用掺铥光纤在2μm波段的宽带发射特性和光纤可饱和吸收体的线宽压缩特性,研制了宽带调谐窄线宽掺铥光纤激光放大器,该激光放大器可将窄线宽、宽带可调谐种子光源的功率放大至290 mW,放大后的光源连续运行30 min,均方根稳定性优于1%。利用激光放大器输出的32路激光中的任意一路测试了水分子在2μm波段的宽吸收光谱,并利用测试结果反演得到了该光源在动态扫描过程中的线宽约为0.06 nm。利用该激光放大器分别测试了空气和酒精火焰中温度和水分子摩尔分数。结果表明:常温下,空气和酒精火焰中温度的平均值分别为301.2,1263.3 K,相对偏差分别为1.28%,3.08%,水分子的摩尔分数平均值分别为2.11%,5.58%。利用该光源可有效获取水分子在2μm波段的宽波段激光吸收光谱,利用这些吸收光谱数据能够较为精确的反演出环境温度、水分子摩尔分数等信息,结果验证了该激光光源在燃烧流场2维层析诊断测量应用中的可行性。

基于高灵敏激光吸收光谱技术的稳定气态同位素测量及其应用(特邀)

稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法,基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术,作为一种较新的同位素丰度测量方法,具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点,得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例,阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下,选取了合适的同位素测量谱线对,实现了大气CO_(2)气体的13C测量精度为0.3‰,煤层气CH4气体的13CH4测量精度为1.25‰,冰川水H_(2)O中18O、17O和2H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰,以及呼吸气体中的13CO_(2)判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性,也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势,将是光谱研究领域关注的重点内容,并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。

小型化中红外直接吸收CO_(2)光谱仪

二氧化碳(Carbon Dioxide,CO_(2))是一种关键的温室气体,对地球气候和生态系统调节有重要作用,准确检测痕量CO_(2)浓度对评价温室效应意义重大。一般情况下,气体分子在中红外光谱范围存在强吸收,可以实现高灵敏探测,因此,以4.219μm中红外波段的带间级联激光器为光源结合可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)设计了小型化CO_(2)监测仪器。在不同标气浓度下对仪器进行了标定,并通过分析Allan方差,得出积分时间在8.7 s时对应的最低检测限为16.6×10^(-9),满足温室效应研究对CO_(2)气体的高灵敏测量需求。采用仪器对大气CO_(2)连续监测8天,并与商用仪器LGR进行对比,充分验证了小型化CO_(2)监测仪器的可靠性,以及中红外光源与TDLAS技术相结合的气体浓度检测方法在大气CO_(2)准确测量方面的可行性。该系统具有结构简单、体积小、功耗低和质量轻的特点,为建设空基无人机平台的CO_(2)监测能力提供了技术支持。

煤热解中痕量乙烯在线激光吸收光谱检测

为了实现煤热解过程中痕量乙烯(C2H4)标识气体的在线识别与检测,结合波长调制与长光程技术,搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源,有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池,利用SR830进行波长解调,通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器,利用高纯氮气稀释乙烯配比,制备得到10×10^(-6)到90×10^(-6)的标准乙烯样气,其线性拟合的相关系数R2为0.9989;对浓度为20×10^(-6)的乙烯进行连续4000 s的Allan方差分析,实验结果表明,检测极限为121×10^(-9)。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律,控制气体流速为150 mL/min,分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现,当温度小于500℃时,3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致,当温度在500~700℃时,氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体,但空气中乙烯释放的增速最快,最大释放量约为40×10^(-6),温度高于700℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。

基于光谱吸收的气体检测技术在煤矿中的应用

根据气体检测技术的发展现状,主要对气体光谱吸收技术进行了介绍。光谱吸收技术遵循比尔—朗伯定律,按照特征吸收峰波长划分,该技术可分为非色散红外光谱吸收技术和半导体激光光谱吸收技术。阐述了这两种检测技术的系统组成及原理,并分析了其在煤矿应用中的优缺点。

增强吸收光谱技术的研究进展及展望

光程吸收光谱技术是吸收光谱技术发展中的一个重要分支,近年来基于不同光源技术、吸收腔技术、探测方式的光程吸收光谱技术大量涌现。随着对探测灵敏度和吸收光程长度需求的提高,出现了基于增强吸收原理的光程吸收光谱技术,包括:积分腔光谱(ICOS)、腔增强吸收光谱(CEAS)和腔衰荡光谱(CRDS)。增强吸收光谱技术具有高光谱分辨率、高灵敏度、快速响应、便携等优势,但至今缺乏统一的概念和明确的分类依据。本文梳理了吸收光谱技术的发展历程,明确了多光程吸收光谱技术的概念。依据吸收腔内是否发生谐振吸收,提出了基于谐振原理的吸收光谱技术这一概念,分析总结了谐振吸收光谱技术的研究现状,并对这些技术在各领域的应用进行概述。最后,对谐振吸收光谱技术中关键技术的未来发展进行了展望。

腔增强吸收光谱技术研究与应用进展(特邀)

腔增强吸收光谱技术(CEAS)具有测量精度高、响应时间快、空间占用少等优势,在痕量气体检测与精密光谱测量中发挥了重要作用。本文结合计算与实验结果,阐明了腔增强技术对信号增强的共性原理及实验测量吸收系数的方法,进而介绍了几种具有代表性的腔增强吸收光谱技术,包括:相干光CEAS技术、非相干光CEAS技术及光梳相干宽带CEAS技术等。以此为基础对腔增强吸收光谱技术在大气污染检测、生物医疗传感、化学反应动力学诊断等方面的应用进行综述。最后对腔增强吸收光谱技术的未来发展进行了展望。

基于差分吸收光谱技术的氯气在线监测系统研制

氯气是一种重要的工业气体,广泛应用于集成电路、半导体、光伏等电子工业领域。氯气也是一种剧毒性、强腐蚀性的黄绿色气体,人体长期接触会引起呼吸道的严重损伤。本文基于差分吸收光谱技术研制了一套氯气在线监测系统,用于工业过程中氯气浓度的在线测量,监测数据可用于生产、治理过程控制,可以减少氯气的排放。

利用可调谐激光吸收光谱技术对光路上气体温度分布的测量

利用可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS),扫描多条吸收谱线以实现气体温度分布的测量。文章给出了温度分布测量的原理和方程离散化的方法,在气体浓度和压力均匀时,利用带约束最小二乘法计算得到温度分布。根据HITRAN中6330cm-1附近的4条CO谱线的参数,建立了温度在300和600K时,路径长度均为55cm的两段温度分布模型,模拟了测量误差与温度区间长度约束条件的影响。结果表明随着测量误差的增大和约束条件的减弱,计算结果误差相应增大。在5%的测量误差下,计算结果的最大误差为11%,平均误差为2.2%。以管式炉中的高温段和室温下的低温段作为两段温度分布模型进行试验。利用6 330cm-1处的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)扫描得到的4条CO谱线,通过背景信号的三次多项式拟合得到基线,求出温度分布计算所需的光谱吸收率积分值。在四种情况下,计算温度分布结果与模型误差分别为7.3%,6.5%,4.7%和2.7%。

基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH_4柱浓度遥测研究

介绍了一种基于直射太阳光红外吸收光谱技术的遥测系统，并利用该系统在合肥地区进行了连续观测。从太阳吸收光谱中测量了整层大气透过率，采用逐线积分方法模拟计算了整层大气透过率，基于非线性最小二乘光谱反演算法从实测整层大气透过率中反演了甲烷气体柱浓度和氧气柱浓度，并以氧气柱浓度为内标函数获得了甲烷干空气柱体积混合比，精密度优于2％。将本系统测量的2012年9月25日12：00-15：00CH4干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星的CH4观测结果进行了比较，两者偏差小于1％。可见，该系统和方法是一种有效的甲烷气体柱浓度探测系统和方法，具有较高精度。

傅里叶变换在差分吸收光谱技术气体浓度计算中的应用

在实际测量得到的气体吸收光谱中,发现大多数气体的吸收光谱具有明显的周期性,而傅里叶变换正是用来寻求信号的频率特征。在加窗的条件下,通过对不同气体的吸收光谱进行傅里叶变换,来寻求光谱信号对应的特征频率。在数据分析过程中,发现这样一个规律:在气体吸收光谱经傅里叶变换后的频谱图中,其对应特征频率的幅值与所测的气体浓度成明显的线性对应关系。因此,提出一种新的差分吸收光谱浓度解析方法,即利用气体吸收光谱傅里叶变换后其对应特征频率的幅值与浓度的关系,建立一种浓度反演计算的线性关系式,从而由气体吸收光谱傅里叶变换后特征频率的幅值直接求出气体的浓度。该方法完全摆脱了差分吸收光谱技术的理论基础,大大减少了光谱分析和气体浓度反演计算的过程,是一种值得进一步去探究的光谱分析方法。

LED温度波动对差分吸收光谱技术测量NO_2的影响研究

研究了中心波长分别为370nm(近紫外)、452nm(蓝光)和660nm(红光)三种无标准具结构的发光二极管(LED)光源温度波动对差分吸收光谱技术(DOAS)测量NO2的影响。利用温度10℃时的LED灯谱构造NO2吸收谱,将其他温度下测得的LED谱作为灯谱,以此得到不同温度波动下的NO2差分光学密度,再拟合NO2差分吸收截面到差分光学密度,结果发现拟合残差的峰-峰值与LED温度波动幅度均近似成线性关系,相关性分别为0.995,0.945和0.989;斜率分别为1.12×10-3,5.25×10-5和7.45×10-4℃-1。拟合结果表明,蓝光LED温度波动对DOAS反演影响最小,基本上不影响探测灵敏度,而近紫外和红光LED温度波动对DOAS测量较为敏感,温度波动会导致探测灵敏度的下降。将温度特性相似的有、无标准具结构的两种蓝光LED的反演结果进行了比较,结果显示标准具结构会大幅度增加温度波动对DOAS反演的影响。

利用多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO_2

介绍了基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演对流层NO2的方法。利用差分吸收光谱技术(DOAS),扣除太阳夫琅和费结构及Ring效应的影响,拟合得到了大气中NO2的差分斜柱浓度dSCD,结合不同观测方向的测量结果分析得到了对流层大气中NO2的差分斜柱浓度(ΔSCD),结合辐射传输模型SCIATRAN计算得到了大气质量因子(AMF),并进一步计算得到了对流层NO2的垂直柱浓度(VCD)信息。为确保数据的准确性和可比性,将计算结果与长光程差分吸收光谱仪(LP-DOAS)的测量结果进行对比,二者具有较好的一致性,其相关系数R2分别为0.940 27和0.969 24。

光反馈腔增强吸收光谱技术的痕量乙烷检测研究

乙烷是电力变压器油中溶解的主要故障特征气体之一,其高精度、高灵敏度检测是进行油中溶解气体分析的关键。基于光反馈原理及腔增强吸收光谱技术,结合量子级联激光器,建立了一套变压器油中溶解乙烷气体检测系统。基于腔内单腔模对称理论,通过LabVIEW编程来实现反馈光与腔谐振的相位匹配。研究并实现了光学反馈效应(激光将在延迟一定的时间后,返回激光腔并锁定腔模式共振频率)、偶数和奇数模式效应(交替出现强度较大和较小的腔模式)、激光器阈值电流降低效应(约1.2mA)。利用腔衰荡光谱检测技术测得的系统有效反射率、腔品质因素分别为99.978%和7138.4,系统光谱分辨率达到0.005 2cm-1。标准大气压、温度20℃下,1s的积分时间内,对乙烷PQ3吸收线进行检测,系统检测准确率及检测极限分别达到95.72%±0.17%和(1.97±0.06)×10-3μL·L-1,满足了变压器油中溶解乙烷气体检测的需要。

差分吸收光谱技术测量氯气的数据处理方法研究

基于差分吸收光谱(DOAS)技术,结合自主搭建的一套小型便携式DOAS实验系统,开展了对氯气的实验测量。在处理氯气的标准截面时,比较了两种不同的高通数字滤波方法:三角函数滤波和多项式拟合滤波。实验证明采用后一处理方法能够更加准确反演出氯气的浓度。模拟计算的结果显示,采用五阶多项式处理的结果的误差较小;在不同样品池内的测量结果显示,利用该方法测量氯气的线性度达到0.996 1;实际的一条谱的反演结果显示拟合谱与测量谱基本重合,且剩余噪声谱的峰峰值最大值<5‰;给出整个实验过程中可能的误差主要来源。综合以上的实验结果表明,利用DOAS技术采用多项式拟合处理的方法可以实现对于氯气的检测。

可调谐半导体激光吸收光谱技术的调制参量影响及优化选择

为获得较好的谐波信号,完成不同测量目的,以DFB-760.77nm波长处氧气监测为例,通过改变扫描锯齿信号和调制正弦信号的频率和幅值,讨论了调制参量对二次谐波信号峰-峰值、对称性、谐波信号展宽和信号完整性等判别依据的影响和变化.结果表明:Sinmulink模拟值和实验值相关性较高,当正弦调制信号和锯齿扫描信号频率比值为1 000倍时,可以获得较好的二次谐波信号.该研究为实验系统中调制参量的选取和调制度及系统准确度、稳定性、重复性等性能的优化提供了一定帮助.