基于中波红外光谱遥测的温度估计算法

高于绝对零度的物体满足Plank定律,因此红外辐射在一定程度上反映温度。红外辐射测温具有响应速度快,分辨率高,能较好的实现对微小、高速移动等不可接触测量目标的温度测量。用一种先进的双波段红外遥感光谱系统采集不同温度金属的红外发射光谱,分析和研究这些不同温度的光谱数据所具有的不同特征。在此基础上,对样本提取重心位置、波峰位置、波长λ₁的值、波长λ₂的值四种光谱特征,寻找温度与其之间的函数关系;并建立多元线性回归模型,通过光谱反推温度值。实验结果表明,该方法可以有效的分辨有明显温差的高温物体,在实验所测温度范围内的测温绝对误差小于30 ℃,在测量误差小于20 ℃的置信区间内有98%正确率,优于一般系统需要保证目标发射率、大气透射率、环境等效辐射温度等复杂参数高精度的情况下2%的测温精度。该方法可以简单有效的对远距离目标测温,从而进一步拓展红外光谱遥测温度的应用领域。     

激光波长对拉曼散射水温遥感系统测温精度及探测深度的影响

机载激光拉曼散射雷达技术可以快速获取次表层海水温度的三维分布,具有重要的实用价值和经济价值.首先,从理论上分析了水的伸缩振动拉曼谱峰值位置和半高全宽与激发波长之间的对应关系,发现随着激发波长的增大,拉曼峰逐渐向长波方向移动,且拉曼光谱半高全宽显著增大.然后,实验测量了不同温度下450 nm激光和532 nm激光激发的水的拉曼光谱,对比验证了上述理论分析结果.并采用单高斯峰拟合法分析了两组拉曼光谱,拟合出高斯峰峰值位置与温度之间的关系,分析了激发波长对温度测量精度的影响.研究发现,采用较长波长的激发光可以提高拉曼光谱的测量精度,从而改善测温精度.最后,建立了拉曼散射雷达方程,分析了拉曼散射系数与激光波长之间的关系,研究了激光波长对雷达系统探测深度的影响.结果表明,激光波长对雷达系统探测深度有很大的影响,采用480 nm以下波长的激光时雷达系统探测深度较大,而采用长波段激光时雷达系统探测深度会大幅降低.实际系统设计中选取激光光源时需要综合考虑上述两方面的影响.     

高温下单壁碳纳米管的拉曼光谱研究

本文采用对样品进行直接加热和测温的方法,对单壁碳纳米管(SWNT)高温下的拉曼光谱进行了研究。在不同的激发波长下,观测了SWNT拉曼光谱的切向振动模频率随温度的变化,发现其频率随温度增加而降低,基本呈线性变化,温度系数约-0.014cm-1/K。不同的激发波长下,切向振动模频率随温度的变化行为基本一致。     

一种实用化实时测温系统优化设计中的几个问题

基于Kirchoff定律,利用半导体激光器及钽酸锂热电器件设计了一种实用化的实时测温系统.根据待测目标的光谱辐出度及相对测温灵敏度随λT的变化关系,确定了系统工作波长的大致范围;通过对水冷遮蔽板的尺寸及其放置位置与波长间的关系、以及对大气的红外透射谱等的分析,确定了系统的工作波长;按照水冷遮蔽板的尺寸及其放置位置(H/R之值）对测温精度的影响,讨论了水冷遮蔽板的H/R之值,并由此分析了系统的抗干扰能力及测温精度.指出了引起系统测温不确定度的5种主要原因,并对其中的2种进行了简要的分析.实验结果表明,该系统的测温精度优于0.3%.     

一种基于双波长的光声测温技术

光声测温是一种利用光声效应来进行温度监控的新方法,具有非侵入式、高灵敏度和探测深度较深等优点.但现有的单波长光声测温方法极易受到系统及测量环境干扰而导致测量精度降低.为了解决这一问题,本文提出了一种双波长光声温度测量方法.在光声测温理论的基础上,分析推导了双波长光声测温的基本原理,并进行了仿体及离体组织样品的双波长光声测温实验.实验结果显示,与传统单波长模式相比,双波长模式下的光声温度测量误差明显减小,测量精度平均提高35%以上.研究结果表明双波长光声测温方法能够有效提高光声温度测量的精度和稳定性,可作为一种更精准的光声温度监控方法应用于医疗手术等领域.     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

光谱响应对辐射光谱测温法的影响研究

针对光谱响应系数对辐射光谱测温法的影响问题,利用200～1 100和900～1 700 nm两种波段光纤光谱仪测量了不同温度下黑体炉辐射光谱,分析了不同波段高温黑体辐射光谱特征,确定了不同波段光谱分析适宜采用的有效响应波段,获得了不同温度下该波段光谱响应系数变化情况,详细分析了温度对光谱响应系数的影响,总结了辐射光谱法温度拟合时的波长范围以及响应系数选择原则,并分析了波长范围以及响应系数选择对测温的影响,这为提高辐射光谱测温法的测量精度具有重要价值。     

亚硝酸钠化高铁血红蛋白的拉曼光谱量化检测研究

对亚硝酸钠化的高铁血红蛋白进行了拉曼光谱特性的研究。实验中将正常血红蛋白用亚硝酸钠氧化为高铁血红蛋白,通过测定不同比例高铁血红蛋白/总血红蛋白的拉曼光谱变化研究高铁血红蛋白的拉曼光谱特异性改变,并对不同比例高铁血红蛋白/总血红蛋白在1 586,1 605和1 637 cm-1处的拉曼强度进行线性拟合,以实现其定量检测。结果显示,亚硝酸钠与血红蛋白的摩尔比为3.5∶1时可以获得完全氧化的高铁血红蛋白,其拉曼特征峰在499,1 340,1 562,1 622 cm-1附近;不同比例高铁血红蛋白/总血红蛋白在1 586,1 605和1 637 cm-1处拉曼强度的线性拟合相关系数R2分别为0.972 84,0.997 97和0.991 26,显示出很好的线性关系。研究表明,与正常血红蛋白相比,亚硝酸钠化高铁血红蛋白的拉曼光谱具有特异性改变,其拉曼特征峰的位置和强度随着高铁血红蛋白/总血红蛋白比例的变化而相应发生改变,且比值与拉曼强度存在着线性相关关系,为临床上高铁血红蛋白血症的拉曼光谱检测与量化研究提供了理论基础。     

光谱响应对辐射光谱测温法的影响研究（英文）

针对光谱响应系数对辐射光谱测温法的影响问题,利用200~1 100和900~1 700nm两种波段光纤光谱仪测量了不同温度下黑体炉辐射光谱,分析了不同波段高温黑体辐射光谱特征,确定了不同波段光谱分析适宜采用的有效响应波段,获得了不同温度下该波段光谱响应系数变化情况,详细分析了温度对光谱响应系数的影响,总结了辐射光谱法温度拟合时的波长范围以及响应系数选择原则,并分析了波长范围以及响应系数选择对测温的影响,这为提高辐射光谱测温法的测量精度具有重要价值。     

日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

饱和激发下叶绿素荧光非线性变化及影响分析

叶绿素浓度是海洋初级生产力的重要指标之一,激光诱导荧光技术可以实现海水叶绿素浓度的快速测量。测量叶绿素浓度的传统激光诱导荧光原理,是利用叶绿素荧光与水体Raman散射的强度比值（I_F/R）进行反演,即叶绿素浓度n_chl＝CI_F/R,其中C为系统常量。这是依据叶绿素荧光685 nm、水体Raman散射强度都与激发光强呈线性关系。然而,该理论并没有考虑诱导荧光饱和现象的存在。当诱导激光强度达到一定程度后,685 nm荧光强度随激发光强非线性变化。另外,值得注意的是,水体Raman散射并不存在信号饱和现象。为了探讨饱和激发造成荧光非线性变化的影响,在激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度的实验中,设计两种测量方案,即：不同激光功率诱导单一浓度样本的荧光测量,和固定激光功率时不同浓度样本的荧光测量。实验中利用Nd∶YAG三倍频激光355 nm激发获得叶绿素溶液的404 nm处 Raman散射和685 nm荧光。实验结果分为2部分进行讨论：（1）为了分析饱和激发造成荧光变化的非线性特性,通过调节激发光功率测量溶液的受激发射光谱,发现水体Raman散射强度与激发光强呈线性关系,而685 nm荧光强度出现饱和激发下的非线性变化。而且,随叶绿素浓度的增加,685 nm荧光的非线性趋势更为明显,Raman散射强度与激发光强的线性关系中斜率变小。数据分析表明,685 nm荧光数据拟合的4阶多项式和Raman散射效率值,可以定性地表征685 nm荧光的饱和程度。（2）考虑实际海洋激光雷达探测叶绿素浓度应用中存在饱和激发荧光非线性现象,为了分析荧光非线性对传统叶绿素浓度反演理论适用性的影响,在固定激发光强情况下对不同浓度叶绿素溶液的发射光谱进行测量。将激发光功率调节至52.00,80.70,132.10和197.30 mW·cm-2,获取相应激发光强下685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值和叶绿素浓度之间的关系。实验表明,激发光强不变的情况下,685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值,与叶绿素浓度仍满足线性关系。但是,在较高光强激发时,饱和激发造成的叶绿素荧光非线性变化,导致利用传统激光诱导荧光理论反演的叶绿素浓度值偏小。因此,需要对饱和激发下荧光非线性的影响进行修正,其关系为I_F/R=n_chl/C+C_F,修正值C_F不可忽略。另外,值得一提的是,修正关系中系统常量C随激发光强增加而增大。研究表明,饱和激发造成的荧光非线性,会对激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度产生影响,但由于造成荧光非线性因素的复杂性,仅通过荧光数据拟合获得的多项式,无法定量说明其影响权重。然而,当激发光强不变时,可以实验测量获得基于激光诱导荧光原理的修正关系,从而准确反演叶绿素浓度。     

纯转动拉曼法确定激光雷达几何因子

提出了一种确定激光雷达几何重叠因子的新方法。研究了大气分子纯转动拉曼谱线强度分布特征。利用大气分子总的纯转动拉曼激光雷达信号结合瑞利-米氏散射激光雷达信号能精确反演激光雷达几何因子。这种方法消除了振动拉曼方法中气溶胶波长指数影响以及水平测量法气溶胶非均匀性的限制。数值模拟结果表明:在大气温度三种分布模型和气溶胶波长指数三种分布模型下几何因子反演的最大相对误差小于0.5%。根据实际激光雷达信号反演得到了系统的几何因子。     

纯转动拉曼激光雷达中阶梯光栅单色仪设计

纯转动拉曼激光雷达测温系统通常根据大气中N₂分子高低阶量子数的转动拉曼散射回波信号来反演大气温度,而探测转动拉曼谱的一种有效方法就是采用单色仪。文章阐述了中阶梯光栅单色仪的探测原理和结构,分析了探测谱线的高阶和低阶量子数及对应的拉曼散射波长。通过对中阶梯光栅的分光原理及色散能力分析计算了准直-聚焦系统的焦距,给出了光学系统的设计参数。利用Zemax软件对光路进行了模拟仿真,仿真结果表明：在探测激光波长为532 nm的条件下,采用两块中阶梯光栅设计的单色仪,能够将529.05, 530.40, 533.77和535.13 nm的拉曼谱线很好的分开,同时对对称量子数的谱线信号进行求和,增强系统的信噪比。中阶梯光栅单色仪体积较小,利于测温雷达系统的小型化。     

TDLAS直接吸收法测量CO_2的基线选择方法

本文基于可调谐半导体激光吸收谱线(TDLAS)技术的直接吸收测量,选用中心工作波长为1 580 nm的DFB激光器,在室温及大气常压条件下检测了模拟烟气中的CO_2浓度;采用去峰拟合法和纯N2线拟合法获得基线后反算出了CO_2的浓度,并将反算结果进行了对比。结果表明:采用纯N2线拟合法反算出的浓度的最大相对误差为2.64%,均方值为1.69%;采用去拟合法反算出的浓度的最大相对误差为9.81%,均方值为7.81%。以纯N2吸收谱线作基线的纯N2线拟合方法反算出的浓度的准确度较高,可以为CO_2浓度测量的基线选择提供参考。     

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10^-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测. 关键词： 拉曼激光雷达 水汽混合比 大气后向散射比     

绝对测温转动拉曼激光雷达分光系统设计及性能

为实现转动拉曼激光雷达的绝对测量温度技术,设计并测试了多通道转动拉曼分光系统.提出了一阶闪耀光栅与光纤Bragg光栅组成的两级并行多通道拉曼分光系统,优化了其核心级联器件(微米级光纤阵列)的参数及光路结构;仿真分析了一级分光系统的分光光路,转动拉曼谱线最大离心伸缩量约为0.0031 nm,离心伸缩比为0.69%;实验测试表明一级分光系统各转动拉曼通道的通道系数均在0.75以上,提取到拉曼光谱的实测中心波长与理论值的最大偏差约为0.0398 nm,偏离度为8.86%,可提供对弹性散射信号27 dB以上的有效抑制,结合已有光纤Bragg光栅二级分光实现高达62 dB弹性散射的抑制效果,可以实现对单条偶转动量子数转动拉曼谱线的精细光谱提取.     

多条转动拉曼谱线雷达测量对流层大气温度

由于对流层大气中气溶胶的存在,传统的利用大气中瑞利散射和振动拉曼散射测量大气温度的方法具有一定的局限性,然而利用大气N₂和O₂分子的的转动拉曼信号获得大气温度信息的方法不受对流层大气中气溶胶的影响。因此利用N₂和O₂分子纯转动拉曼散射激光雷达开展了测量对流层下部温度分布的实验研究。现有的转动拉曼雷达系统基本上是通过获取单一的转动拉曼谱线来反演大气温度,这就导致了系统的信噪比低,不能很好的反演温度。作者在双光栅单色仪的基础上提出了一种新的雷达信号分光系统。这种新的分光系统的每条通道所获得的信号并不是单独的转动拉曼谱线,而是多条转动拉曼谱线之和,这样就能提高整个系统的信噪比。在较小的激光能量和小口径望远镜的情况下,利用这种方法,雷达系统可以在几公里内获得较好的信噪比。最后实验得到了对流层0.3～5 km高度内的大气温度分布, 它与球载无线电探空仪比较, 二者一致性较好。     

基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量的技术,具有非接触、稳定和高灵敏度等优点。针对燃烧场CO浓度低,背景信号干扰强等特点,采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统,通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。利用仿真模拟的方法,在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出,高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程;通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差,得到最佳波长扫描频率;通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。探究了不同燃烧情况下CH₄/Air预混平焰炉上CO的产生情况,根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。当量比为1.0时,在10 ms的测量时间分辨率下,噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1,系统测量误差小于4.5%,燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。改变当量比从0.8到1.2时,得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K,CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。研究发现随着当量比的提高,燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、检测灵敏度高等优点,可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。