波长调制光谱(WMS)谐波信号分析与仿真

概述了采用波长调制光谱(WMS)技术进行痕量气体浓度测量的基本原理,对强度调制和频率调制结合的信号(IM-FM)模型进行了理论描述,对谐波信号随归一化调制振幅变化和信号对称性进行了重点分析以说明强度调制的影响。利用MATLAB软件,对甲烷在6046.9647cm-1处的吸收线进行仿真,以验证理论分析的正确性。

光声气体检测系统中半导体激光器的波长调制

在光声光谱法气体检测中,因为激光器发光波长需与待测气体吸收峰严格匹配,所以需对激光器波长精确调谐。由于半导体激光器发光的波长与温度、驱动电流间有确定的关系,采用波长调制的方法,在一定精度的温度控制下,对波长进行扫描,可确保激光器驱动信号在一个周期内能够产生稳定的光声信号。实验表明,该方案能满足光声气体检测系统的要求。

基于波长调制谐波信号主峰拟合的气体浓度测量方法

为了提高激光波长调制光谱法(WMS)测量气体浓度的速度和准确度,首次提出了一种通过对吸收光谱谐波信号的主峰进行拟合的气体浓度测量方法。在该方法中,只扫描吸收光谱谐波信号的主峰部分来获得谐波信号(WMS-2f/1f)的峰值点。因为缩减了吸收光谱的扫描范围,所以扫描速度得到了提高。通过对吸收光谱谐波信号(WMS-2f/1f)的主峰部分进行多项式拟合,进一步提高了测量精度。详细讨论了多项式阶数的确认方法,以及拟合数据长度对测量结果的影响。通过测量不同情况下的二氧化碳浓度验证了该方法的有效性。

非正弦波长调制的洛伦兹线型的傅里叶分析

在各种波长调制光谱理论中,波长调制函数的形式一般是随时间变化的正弦函数,而在实际应用中,标准的正弦函数信号容易混入高次谐频而失真,从而给系统引入误差。理论研究了当正弦波长调制函数中混入二倍频项时洛伦兹线型的傅里叶级数,推导了该条件下洛伦兹线型的N阶傅里叶系数的表达式。表达式中引入了谐波失真度参数K以表示二次倍频分量与基频的比值,并针对K>0.01与K<0.01情况分别作了数值仿真,仿真结果表明:当K小于0.01时,正弦调制函数的谐波失真带来的影响可以忽略,当K接近或高于0.1时,则会导致洛伦兹线型傅里叶级数幅度曲线中心点偏离原点,并且谐波曲线的阶次越高,或谐波失真度越大,曲线的偏离程度越严重。另外,仿真了在K大于0.01时,不同的调制度对奇数和偶数阶谐波幅度曲线的影响,结果表明存在一个最佳的调制度可以使谐波失真对正弦波长调制的影响最小。结果有利于加深对波长调制光谱的认识,对激光稳频技术也有重要的参考作用。

WMS温度测量中谐波信号锁相放大器的设计

在波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)温度测量中,传统的锁相放大器测量谐波信号的振幅必须对被测信号及参考信号的相位单独进行调整。针对这一问题,设计了一种基于高精度平衡调制器AD630进行同步相敏检测的谐波信号的双锁相放大器。与传统的锁相放大器相比,所提双锁相放大器利用正交双通道的平方和检测,可以避免被测信号与参考信号进行严格的相位匹配问题。利用Multisim软件构建仿真模型,包括前置高通滤波器、正交双通道的相敏检波器、低通滤波器等部分。理论计算和仿真结果表明,所提方法能够准确检测微弱一次、二次、四次谐波信号的幅度,检测误差小于5%,具有电路简单、运行速度快、线性度高等优点,能够满足WMS温度测量工程应用。

光谱学与光谱技术

O433.5 99031483用反射椭圆偏振光谱获得波长调制反射谱=Wavelengthmodulated reflection spectra obtained byreflective ellipsometric spectroscopy[刊,中]/张淑芝,连洁,张燕峰(山东大学光电系.山东,济南(250100))//物理.—1998,27(11).-690-694分析了波长调制反射谱的实质是静态介电函数对能量的一级微商谱,将MOCVD方法生长的GaInP以及掺Si两个样品,用椭偏光谱法测量得到可见光区的介电函数谱,并求其一级微商谱。

激光光谱学

O433.54 2003053311CO2分子的近红外二极管激光吸收光谱灵敏探测=Sensitivedetection of CO2 molecule using near infrared diode laserabsorption spectroscopy[刊,中]/高晓明（中科院安徽光机所环境光谱学实验室.安徽,合肥（230031））,黄伟…//光学学报.-2003,23（5）.-609-611利用近红外二极管激光波长调制技术与二次谐波探测结合初步观测了CO2分子在波长1.57μm附近的吸收,获得了最小可探测吸收为8.6×10-5（信噪比为2）,对应500×10-6m-1的探测灵敏度。图4参7（于晓光）

基于波长调制光谱技术的线宽测量理论及其应用研究

气体吸收谱线的线宽主要包括碰撞作用引起的洛伦兹线宽和分子热运动引起的高斯线宽,是可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的重要参数.本项研究在弱吸收条件下,通过对波长调制法中二次与四次谐波峰值比进行理论分析和仿真计算,发现无论洛伦兹和高斯线宽如何变化,二次和四次谐波峰值比具有恒过不动点的特征.本文基于该不动点提出了一种线宽在线测量的方法,并以CO2分子6982.0678 cm-1吸收谱线为例进行实验验证.实验结果表明,该方法可以精确测量线宽,进而根据测量得到的线宽确定气体分压和总压,可有效地提高TDLAS技术在工业现场中的测量精度.

基于光学时轴校准MRI数据重建的高时空分辨率神经成像

功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)是一种重要的生物医学成像和神经科学研究的手段。然而,空间分辨率低、时间分辨率低以及信噪比低仍然限制了其实际研究应用。本文提出了一种高时空分辨率的图像重建方法,实现光信息同步磁共振技术扫描脑皮层神经活动产生的血氧动态响应,时分式覆盖k空间数据(time division coverage,TDC)。同时也提出一种波长参数化指数平均滤波波长调制光谱法(PEMA-WMS)实现实时脑皮层血氧动态光学传感。实验给出了在预实验磁共振图像作为高空间分辨率组织层的光子流传感蒙特卡罗模拟方法和视觉皮层功能成像仿真,并得出本文方法的图像重建结果。

基于峰宽修正的玻璃药瓶内氧气残留浓度的检测研究

玻璃药瓶中的氧气残留对瓶中药品的无菌特性造成了严重的威胁。采用波长调制光谱(Wavelength Modulated Spectrum,WMS)技术解调得到的二次谐波信号峰高值作为氧浓度反演的基础。然而,在用二次谐波信号测量气体浓度时,由于调制深度的变化会导致二次谐波峰值的变化,这通常会给系统带来误差,进而降低浓度的反演精度。而调制深度受调制电流波动、温度和压强变化等因素的影响不能直接计算获得进而修正。针对这一问题,本文成功地将调制深度与二次谐波峰高的关系转换为二次谐波峰宽和峰高的关系。然后,利用峰宽校正后的谐波峰高对气体浓度进行反演。初步实验表明,利用峰宽校正后的谐波峰高对瓶内气体浓度进行预测的准确性提高了2.1%,且系统的整体鲁棒性也得以提升。本文提出的校正方法不需要系统参数信息与气体成分信息,可以直接从谐波信号本身出发对调制深度进行校正,十分适合于工业现场的在线氧气浓度预测。

TDLAS技术中谐波信号的理论推导与实验研究

本文对可调谐二极管激光吸收光谱技术中的激光瞬时光强进行了数值模拟和物理实验验证,确定了波长调制法中激光瞬时光强的准确表达式,并由此推导出全新的谐波信号通项表达式,分析了被检信号与参考信号间的相位差对谐波信号的影响。在实验室条件下利用CO2分子位于6527.64 cm–1的吸收谱线进行了测量实验。测量结果表明,激光瞬时光强的调制幅度在扫描过程中固定,不随扫描平均光强而变化;被检信号与参考信号间的相位差会对谐波信号的幅值和相位产生影响,在气体浓度和温度测量中不可忽略。

基于多模激光吸收光谱的CO浓度高灵敏度测量

为提高多模激光吸收光谱技术的探测灵敏度,采用1 570nm多模二极管激光器为光源,以程长为100m的离散镜片型多通池作为气体吸收池,将多模二极管激光关联光谱技术、波长调制技术和长程吸收技术相结合,建立了一套具有高检测灵敏度和高稳定性的气体分子光谱测量系统。实验中将多模激光分成两束,一束作为参考光通过已知目标气体浓度的参考池,另一束通过混有待测气体的测量池,测量光信号和参考光信号被同时探测和解调。通过计算待测气体和参考池气体之间二次谐波信号峰值高度之间的关系,反演出CO的浓度。利用该装置测量了CO气体在1 570nm附近的近红外吸收光谱。实验表明,CO浓度测量值与真实浓度值之间具有良好的线性关系,线性度为0.9995,平均偏差为1.19%,对CO的探测极限为37.3×10-6,对同一样品在30min内的30次连续测量的标准偏差为0.839%,表明了系统良好的稳定性。