基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、灵敏度高、精确度高、非侵入式测量等优点,被广泛应用于大气环境监测、燃烧流场诊断、工业过程控制、人体呼吸探测等领域。直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段,其中直接吸收技术测量系统结构简单、信号处理相对容易、成本较低、避免提前标定,在测量气体为常量组分时广泛使用。直接吸收技术测量气体浓度时,首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号,这一过程被称为基线拟合。基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差,这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。针对上述问题,基于梯度下降法,将基线、气体浓度、吸收线型等作为未知量,通过建立激光吸收光谱信号的数学模型,对透射信号直接拟合,最终得到气体的浓度信息。这种方法同步拟合了线型和基线,相比传统的积分面积法,增强了拟合的整体一致性。在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上,利用中心波长在1 580 nm处的分布反馈式激光器,通过该方法对实际浓度为10%,12%,14%,16%,18%和20%的CO₂进行了测量,并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。研究结果显示,六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10-4,测量浓度的最小相对误差仅为0.90%,最大相对误差为4.40%,此时迭代时间在4 s以内,计算检测限为0.39%;直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%,直接拟合法优于积分面积法。实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性,为直接吸收技术提供了一个新的思路。     

TDLAS测量CO2的温度影响修正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量CO₂浓度时,由于测量氛围温度变化的影响引起气体吸收谱线的线强和线型发生变化,最终导致浓度测量存在较大误差。为了克服温度变化对浓度测量的影响,选用中心波长在1 580 nm的DFB激光器,基于直接吸收法,模拟电厂尾部烟道内的高浓度二氧化碳气体环境,研究了在常温(298 K)和变温(298~338 K、间隔10 K)不同温度工况下CO₂浓度的测量。结果显示,常温浓度测量的最大相对误差为-5.26%,最小相对误差为1.25%,相对误差均方值为3.39%,验证了TDLAS测量系统在常温下有着良好的测量精度和稳定性,但其在变温测量时浓度测量结果误差较大,其最大相对误差已经超过25%。为了修正温度变化对浓度测量结果的影响,适应工业测量的需要,在变温测量基础上利用最小二乘法拟合出测量系统在不同温度下的浓度与气体吸收的修正关系式。经过修正后,CO₂浓度测量的相对误差降到5%以下,相对误差均方值降到3.5%以下。修正结果表明,所提出的修正方法可以有效抑制温度变化对浓度测量结果的影响,显著提高了测量系统在变温环境下的测量精度和稳定性,为TDLAS系统测量CO₂浓度的现场应用提供了理论支持和技术保障。     

腔衰荡光谱方法测量大气中痕量NH_3的浓度

NH_3是大气二次细颗粒物的主要前驱物之一,NH_3浓度的准确测量对于大气环境监测和保护具有重要意义。近红外波段激光器的成本较低,但采用其测量NH_3时,普遍存在受环境中H_2O、CO_2气体干扰以及吸收光程较短等问题。为克服环境中H_2O、CO_2干扰气体的影响,筛选出中心波数为6521.97 cm~(-1)的吸收谱线,利用该谱线对大气环境中痕量NH_3的浓度进行测量。该谱线不受环境中CO_2吸收的影响,且在低压条件下与H_2O吸收谱线的重叠范围较小,通过多峰拟合可以准确提取出NH_3的光谱吸收率。基于分布反馈式激光器搭建了一套腔衰荡吸收光谱测量装置,在该装置中,衰荡光腔由一对反射率高达99.996%的高反镜构成,空腔衰荡时间约96μs,有效吸收光程可达1.6×10~4 m。利用该装置对大气环境中痕量NH_3的浓度进行测量,结果表明:该测量系统的探测灵敏度可以达到3.9×10~(-10)。     

3.4μm处NO2吸收光谱特性及在差分吸收激光雷达中的应用

为使中红外差分吸收激光雷达能够精确测量NO_2气体浓度,对NO_2在中红外波段的吸收光谱特性进行测量分析.采用光参量放大激光器的λon和光参量振荡激光器λoff两路激光分别进行吸收谱线测量实验.用谱线宽小于0.05nm的λon激光测量了NO_2气体在3 410～3 433nm的吸收光谱,计算得到其吸收截面,采集分析了NO_2在291K、308K、363K三个温度下的光谱特性,用谱线宽约为10nm的λoff激光采集了3 400～3 435nm的吸收谱线.测量结果表明,在3 410～3 433nm波段,温度和吸收截面值呈负相关,测量的谱线与HITRAN数据库相关系数达到0.92以上;针对λoff激光下的吸收谱线,采用了改进的卷积修正方法,测量结果和拟合结果相关系数为0.97.将实测的on和off波长处的吸收截面应用于使用该波长对的中红外差分吸收激光雷达仿真上,拟合差分吸收激光雷达系统浓度测量误差,验证了基于该波长对的差分吸收激光雷达方案的可行性.     

铁合金中微量钛元素的激光诱导击穿光谱研究

采用激光诱导击穿光谱对铁(Fe)合金中的钛元素(Ti)的含量进行测量。实验中激光器在最大能量输出(50 mJ),延时为1 μs时光谱信号的强度值最大。在此条件下,分别使用传统定标法和Fe Ⅰ 438.35 nm及Fe Ⅰ 427.12 nm两条谱线的内标法对铁合金中的Ti进行定量分析。内标法得到的拟合相关系数(r)分别为0.997 8和0.993 9,优于传统法得到的r(0.956 3)。提出了一种双谱线平均内标法,拟合得出r为0.998 4。同时,在浓度为0.063%～1.9%的范围内传统定标法测量的相对误差为23.7%,内标法的相对误差为6.0%,采用平均内标法后相对误差降为3.9%。最后,通过测量的Ti光谱计算了激光能量为50 mJ时所产生的等离子体温度为6 654.3 K,电子密度为1.072×1022 cm-3,并讨论了激光能量与烧蚀产生等离子体温度之间的关系。     

CO_2激光边带光谱仪用于SF_6分子v_3带Q支吸收谱的研究

用绝对频率精度优于1.2MHz的CO_2激光边带光谱仪记录了SF_6分子v_3带Q支的多普勒受限吸收谱,光谱范围在CO_2激光10P(16)支线中心两侧,距支线中心8.0～12.4 GHz。用内插法以<6MHz的均方误差测量了百余条跃迁谱线的频率,并标识出Q_Z、Q_R、Q_X、Q_W、Q_A等亚支的谱线,量子数J从26到83。用最小二乘法拟合实验数据得到了v_3带的部分光谱常数。     

基于紫外吸收的烟气中NO和NO2成分浓度的同时测量

利用高分辨率光栅单色仪测量到的不同浓度的NO和NO2混合气体综合紫外吸收光学厚度,将光学厚度中的快变离散吸收与NO浓度相关,将慢变连续吸收与NO2浓度相关,同时反演NO和NO2的摩尔浓度。研究结果表明:(1)当气体总压接近一个大气压时,NO2反映出很强的转换为N2O4的倾向,转化率R最大值约为22.5%,远大于低气压下的R值,导致NO2吸收截面主要取决于N2O4的吸收特性,表现为慢变的连续吸收特征;(2)离散吸收截面随NO分压增大产生谱线增宽现象,吸收截面在增宽区域的积分值和NO浓度的线性相关性优于吸收截面峰值。测量和反演结果表明:当NO2分压在17～100Pa范围变化时,NO2摩尔浓度反演的平均相对误差为11.7%。当NO分压在63.8～181.62Pa范围变化时,基于积分法的NO浓度反演的最大相对误差为16.9%,平均相对误差为9.6%,而基于峰值法的NO浓度反演的最大相对误差为38.2%,平均相对误差为14.4%。因此,积分法反演较峰值反演具有更好的线性度和更高的精确度。利用上述测量技术,采用相对简单的测试装备,实现了NO和NO2多种成分浓度的同时测量。     

甲烷气体2ν_3带R9支吸收线强度的精确测量

通过外腔二极管激光器测量了甲烷位于 16 37.6 4～ 16 37.85nm(真空中 )的 2ν3 带R9支的直接吸收谱 ,通过Voigt拟合计算出了每条线的吸收线强度 ,并与Margolis用傅里叶变换红外光谱仪测得的实验结果进行了比较 ,同时分析了偏差及产生的原因。实验和计算得出 ,在测得的八条吸收线中 ,最大偏差为 3.9% ,最小偏差为 0 .0 2 % ,除了线 3和线 4有较大偏差外 ,其他结果都在实验误差范围之内。所获得的数据可应用于光学遥测甲烷气体浓度。提供的方法也可应用到CO ,CO2 ,NH3 等其他气体的吸收线强度的测量中。     

基于吸收光谱法的CO_(2)正压测量技术分析北大核心CSCD

为了研究可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在气体检测过程中,正压条件下的相邻谱线影响问题,建立基于积分吸光度的压力测量模型。以CO_(2)为研究对象,在室温、高纯度条件下进行了范围为(1~2)atm的压力测量仿真和实验。实验结果显示:随着压力的增大,相邻吸收谱线相互影响程度加剧,吸光度曲线偏离零基线的程度加大;实验测量结果在1.25 atm处最大相对偏差为4.94%,在2.00 atm处最小相对偏差为0.73%,平均相对偏差为3%。     

离子液体-MEA混合工质平板降膜吸收CO_2

设计了CO_2降膜吸收反应器,对比了四种工质20%MEA、20%IL、5%IL+15%MEA、10%IL+10%MEA吸收CO_2性能。结果表明:工质5%[N_(1111)][Gly]+15%MEA每摩尔胺吸收的CO_2量最大,且其CO_2吸收能力被完全利用程度高达89.0%。选取5%[N_(1111)][Gly]+15%MEA为吸收剂,考察了液体流量,液体温度,气体流量,气体进口CO_2浓度对5%[N1111][Gly]+15%MEA吸收剂降膜吸收性能的影响.结果表明:吸收速率随液体流量先增加之后下降,随液体温度、气体流量及气体进口CO_2浓度的增加而增加.     

应用于碳同位素丰度测量的激光频率刻度系统研究

对应用于激光吸收光谱法碳同位素丰度测量中的激光频率实时刻度系统进行研究. 采用不同自由光谱范围的共焦法布里-珀罗干涉仪对测量过程中的激光扫描频率进行实时测量. 分别采用线性内插法和多项式拟合法对激光频率每次扫描过程中的频率非线性进行分析,通过对4976–4980 cm^-1波段CO₂吸收谱的多次测量平均的实验结果与HITRAN-2008数据库相应的吸收峰数据进行比较,得到两种方法的激光频率刻度精度均可达到10^-4 cm^-1,线性内插法的刻度精度要好于多项式拟合法. 验证了激光频率实时刻度系统在碳同位素丰度测量中应用的可行性. 关键词： 激光频率实时刻度 共焦法布里-珀罗干涉仪 同位素丰度测量 激光吸收光谱法     

基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

采用4.6μm附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm~(-1)的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数.经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义.未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA数据库光谱参数的空白.     

2.0 μm处CO2高温谱线参数测量研究

研究高温下待测气体的谱线属性, 如谱线强度、自加宽系数、空气加宽系数、温度系数等, 为高温环境中可调谐半导体激光吸收光谱技术反演温度、浓度、速度及其场分布提高精度和可靠性起着十分重要的作用. HITEMP数据库中的数据基本上是理论计算结果, 与实际情况存在相当的误差. 为了获得所选2.0 μm处的可用于燃烧诊断的CO₂谱线参数, 本文采用半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了700–1300 K温度范围内所选谱线的高温吸收光谱, 获得了各谱线在相应温度下的谱线强度、自展宽系数及温度系数等谱线参数. 测量得到CO₂的5006.978 cm^-1和5007.7874 cm^-1谱线强度与理论计算值相对误差小于11%; 获得了现有数据库缺少的温度系数和高温下自展宽系数数据. 所有各项参数对以后将要进行的燃烧诊断中的CO₂浓度检测有很大帮助. 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 高温光谱 自展宽系数 温度系数     

腔增强吸收光谱技术中的腔镜反射率标定方法研究

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点,是高灵敏吸收光谱技术的重要分支之一,在其应用过程中,腔镜反射率是影响其测量准确性的重要因素。利用2.0 μm可调谐二极管激光器作为光源搭建了一套腔增强吸收光谱测量系统,使用两片反射率为99.9%的高反镜作为腔镜,以CO₂气体在5 001.49 cm-1处的吸收谱线作为研究目标,对两种简单实用的腔镜反射率标定方法进行了对比研究。第一种标定方法利用已知程长多通池作为参考池,通过测量谐振腔和多通参考池的输出吸收信号,比较二者的吸收率推导出腔增强系统中的有效吸收路径,然后通过镜片反射率和有效吸收路径的关系对腔镜反射率进行标定;第二种标定方法根据理想气体状态方程得到气体分子数密度,并结合数据库中的谱线线强值,实现了对腔镜反射率进行标定。结果表明,方法一中积分腔与参考池测得信号的积分吸收面积之比为10.5,经过多次测量并计算得到积分腔的有效吸收路径与镜片的反射率分别为302.65 m和99.85%,得到大气中CO₂气体的浓度为0.037 3%,与实际大气CO₂的含量相符合,验证了此方法的准确性;该方法的优点是不受样品浓度影响,但因引入新的参考池,需要两池中气体的压强和温度都保持一致,此方法适用于开放式的腔体结构。方法二中测得大气中CO₂分子位于5 001.49 cm-1处吸收光谱,并结合大气中CO₂气体的分子数密度N为9.099×1015 molecule·cm-3,Hitran数据库中该条谱线线强为3.902×10-22 cm·molecule-1,计算得到镜片反射率约为99.84%;此方法优点是结构相较前一种方法更简单,但需要已知被测气体的分子数密度,因此在配置气体的过程中浓度、压力的误差会影响腔镜反射率的标定。由此可见两种镜片标定方法均可精确实现对腔镜反射率的标定,根据两种方法的特点,在实际应用中可选取相应适合的方法作为参考。     

差分吸收光谱FFT+FT频谱细化方法研究

利用差分吸收光谱法（DOAS）可以实现污染气体的在线监测。为了提高监测精度,通常利用傅里叶变换滤波法（FFT）处理差分吸收光谱数据,但是因其频率分辨率的限制,影响其幅值精度,导致气体浓度的测量误差较大。提出了一种将FFT和FT相结合的差分光谱数据处理方法（FFT+FT）,首先对差分吸收光谱数据做FFT变换,得到其全景谱,再对峰值点附近的频谱用改进的连续FT进行细化,提高特征吸收频段的分辨率,对幅值误差进行补偿,从而提高气体浓度在线监测的精度。实验配制了不同浓度的SO₂和NO₂气体,当细化倍数为15时,SO₂和NO₂气体的最大测量误差不超过3.68%和3.17%,相对于FFT法,平均误差分别降低了1.82%和1.45%;相对于传统的多项式拟合法,平均误差分别降低了14.9%和1.80%;对恒定浓度的SO₂和NO₂气体分别进行了多次测量,验证了FFT+FT方法的稳定性。分析了细化倍数对测量精度的影响,当细化倍数小于15时,浓度测量误差随着细化倍数的增加而降低;当细化倍数从15增加到20时,误差反而逐渐变大,在大于20以后,误差出现波动,且都大于细化倍数为15时的测量误差。由于细化倍数太大,使谱线过于密集,找到频谱序列最大值的概率降低了,因此在有噪声的情况下采用该法进行频谱校正时,会出现细化倍数加大而测量精度反而降低的现象。确定了最优细化倍数,在确保测量精度前提下,使频谱细化的计算量最小,满足DOAS法实时在线监测气体浓度的要求。     

声弛豫过程影响下的气体平衡态热容合成方法及其在气体检测中的应用

声扰动形成的分子振动弛豫过程使得气体热容成为依赖于声频率的有效热容,导致随频率变化的声速频散和声弛豫吸收。本文基于单弛豫过程合成算法,提出一种基于两频点声速和声吸收测量值的气体平衡态热容合成方法。该方法两个测量声频点只需在声弛豫吸收显著的频率范围即可分别合成可激发气体分子内外自由度热容,并有效消除声弛豫过程对气体平衡态热容测量结果的影响。对于室温下由CO₂、CH₄、Cl₂、N₂和O₂组成的多种气体,合成的气体热容值与基于Planck-Einstein公式的热力学理论计算结果相符,相比实验数据最大相对误差为3.51%。合成的转动和振动热容还可应用于气体分子几何结构、振动频率大小和混合气体摩尔分数的检测。      

基于可调谐二极管激光吸收光谱的气池光程可溯源测量

在碳中和的国际大背景下,精确可靠地定量测量大气温室气体浓度对实现碳中和目标具有重要意义,开发测量结果可直接溯源至国际单位制SI的气体分析仪是精确可靠监测温室气体浓度的重要方法。可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术是常用的气体浓度测量方法,根据比尔-朗伯定律,实现仪器的测量浓度直接溯源至SI的必要条件之一是可直接溯源的气池光程,气池光程的不确定度直接影响气体浓度的测量不确定度,对气池光程的可溯源精确测量有利于发展测量结果可直接溯源的气体分析仪。针对光程标称为81 cm的三次反射型气池光程可溯源测量需求,使用校准的米尺测量该气池光程得到的直接测量结果为(81.21±0.80) cm,较大的测量不确定度（0.80 cm）是综合考虑定位误差和三段光路与测量路径可能不重合导致的测量误差估算得到的。为了减小测量不确定度,本文搭建了TDLAS气池光程测量系统,测量系统以1 576 nm分布式反馈激光器为光源,通过在激光控制器上加载斜坡扫描电压来测量待测气池内标准高纯二氧化碳（CO₂,99.999%）在6 344.68 cm-1附近的吸收光谱,使用测量结果可直接溯源的压力传感器和温度传感器分别测量气池内的压强和气体温度,采用美国国家标准技术局最新测量得到的30012-00001跃迁带P 4e支线强（相对标准不确定度为0.15%）反演气池光程,使用二次速度依赖Voigt线型精确拟合不同气压（36~75 Torr）下的光谱吸光度信号获得对应气压的积分吸光度,全面分析各参量的测量不确定度及其传递过程,对不同气压下的积分吸光度进行线性回归分析,计算得到可直接溯源的气池光程为(81.61±0.42) cm,相对标准不确定度为0.51%,测量不确定度范围落在直接测量结果范围内,测量不确定度小于直接测量结果。本文气池的光路结构是多次反射长光程气池的简化,该系统同样适用于多次反射长光程气池光程的可溯源测量。     

不同温度压力对浓度反演精度的定量分析

自研傅里叶变换红外光谱仪在龙凤山大气本底站测量CO₂,CH₄等温室气体.自研仪器的测量结果与符合世界气象组织标准的本底站仪器的测量结果进行对比,结果表明:自研仪器与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数为0.9576,均方根误差为18.6015.自研仪器使用标准温度、压力下的校准光谱反演浓度,但测量气体的温度随着气温变化,导致自研仪器反演浓度有误差.基于以上分析,提取高分辨率透射分子吸收数据库参数计算吸收截面并结合仪器线形计算不同温度、压力下的校准光谱,根据不同温度、压力下的校准光谱来校准反演浓度.校准后,自研与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数为0.9637,均方根误差为6.7800.自研与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数提高,绝对误差减小,说明校准算法提高了测量结果的精确度.