一种自适应层进式Savitzky‐Golay光谱滤波算法及其应用

可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）利用半导体激光器的可调谐和窄线宽特性，通过选择特定气体的单条吸收线，排除其余气体的干扰，可以实现高精度、高选择性的气体浓度测量，在气体浓度检测系统中具有广泛的应用前景。在不同的应用条件和环境下，需要解决相应的硬件和数据处理方面的技术问题。主要研究TDLAS技术机动车尾气CO组分浓度遥测系统中的光谱数据处理问题，该系统利用路面漫反射回波信号遥测行驶中的机动车尾气CO组分浓度。由于激光扫描光谱回波信号受到漫反射面情况变化、空气环境变化、尾气湍流影响等因素影响，探测器收集到的信号不仅较弱同时也夹杂着多种噪声, 即测量光路信噪比较差, 故提出一种自适应层进式Savitzky-Golay(S-G)平滑滤波算法，实现了对光谱进行滤波处理从而更加准确地反演CO浓度。S-G滤波算法因其原理简单、功能强大、只需设置两个参数（窗口大小、拟合阶数）等优点，已广泛应用于光谱处理。如何正确设置S-G算法参数使滤波效果在去噪不足和过度滤波之间找到平衡点，是该滤波算法应用的一大难题。设计的检测系统中，测量光路光谱信号为非平稳信号，噪声和有效信号幅度时变，最佳窗口大小和多项式阶数随信号动态而变化，且变化区间较大，使用固定参数的S-G滤波器难以达到最佳效果。提出的自适应层进式S-G平滑滤波算法，通过逐层将测量光路光谱信号经过S-G滤波后，与参考光路的光谱信号设置的参考段比对信号相关系数和信号一阶导相关系数的和，以自适应得到逐层最优参数。通过对信噪比从9.81～29.77的10组不同带噪光谱分析验证了该算法的有效性，自适应层进式S-G算法能较好地去除噪声并还原带噪信号所携带的待测气体浓度信息，与带噪光谱对比，吸收光谱峰值最大误差由25.152%降至5.917%，积分吸光度最大误差由18.1%降至3.9%。在实现的系统中，使用自适应层进式S-G算法对测量光路进行滤波处理，并对不同车型、不同排量、燃烧不同油品的机动车在怠速和缓速通过(5 km·h-1)系统时其排放的CO浓度进行实时在线监测。     

基于连续量子级联激光器的1103.4cm–1处NH3混叠吸收光谱特性研究

由于NH3在大气气溶胶化学中具有重要作用,所以快速和精确反演NH3浓度对环境问题非常重要.本文以9.05μm的室温连续量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)作为光源,采用波长扫描直接吸收可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术,研究了QCL在1103.4 cm–1的光谱特性,获得了激光器控制的温度电流与波长的关系.设计了QCL二级温控的低压实验平台,测量氨气在1103.4 cm–1处的6条混叠吸收线,在降低压强的情况下谱线展宽变小,使混叠光谱分离,由此计算各条吸收线的线强,进一步对测量不确定度进行分析.针对混叠严重的光谱提出了低压分离单光谱精确反演气体浓度的方法,并进行了实验验证.通过与HITRAN数据库进行结果对比,得出氨气在1103.4 cm–1的实验测量线强值与数据库偏差为2.71%-4.71%,实验测量线强值的不确定度在2.42%-8.92%,极低压条件下反演浓度与实际值的偏差在1%-3%.     

基于激光技术结合温度修正的高温HF气体检测方法研究

氟化氢(HF)是变电站气体绝缘开关进行故障诊断的重要特征气体之一,因此HF气体的高测量精度,快速响应,实时在线检测的方法是工业和环境领域的研究重点之一.结合激光吸收光谱技术和蒙乃尔钢材加工的耐腐蚀多次反射池搭建HF检测实验系统;分析了HF气体在不同温度下的激光吸收光谱特性,根据HITRAN数据库的HF气体配分函数系数得到配分函数曲线和吸收线强曲线;在研究工作中重点设计了结合激光光谱解析和温度参数修正的浓度反演算法以实现气体浓度的准确检测;结合多次反射吸收池的温度特性利用不同浓度配比的HF样气得到连续实验结果.多次反射池加热后并稳定工作在313和323 K时,温度修正前浓度反演的最大相对误差分别为5.33％和5.87％,温度修正后浓度反演的最大相对误差分别为1.20％和1.47％.通过连续检测和计算,系统在323K时HF检出限为87×10-5 mmol·mol-1,高于290K时的检出限63×10-5 mmol·mol-1(20 m光程).尽管高温环境下温度修正后的检测误差大于室温情况,但是同一高温下温度修正后的检测误差仍低于未经过温度修正的值.通过该研究证明了本浓度反演算法工作稳定、可靠,可以满足化工生产现场HF实时监测的需求,对于我国工业HF气体的安全排放监管和环境保护起有效的技术支持.     

恒温双色光源夜间能见度观测方法研究

能见度一般为人眼视觉能够观测目标物的最大估计水平距离。能见度的观测和预报已经广泛的应用于气象预报、环境污染分析、交通运输等各个领域。现有的能见度观测方法主要分为散射式与透射式。其中数字摄像式能见度观测方法最贴近能见度定义,随着数字摄像技术的发展,加快了数字图像能见度的测量方法的研究与应用。但在利用数字摄像进行夜间能见度观测量过程中不可避免的受到不同天气背景光、光源灰度等影响从而造成能见度测量不稳定,观测结果精度低、观测范围较小。已知利用双光源的稳定性可以保证能见度的测量精度,大多数研究都是通过使用白光源的角度来解决能见度的测量不稳定问题。本文从准单色光源的角度出发,通过不同频段光源对能见度的穿透能力不同,在可见光范围内对不同频段光源的穿透能力进行特性分析。在已有的双光源基础上,提出了一种改进的恒温双色光源夜间能见度观测方法,实现在不同天气状况下,对能见度的高精度、大范围观测。通过设计恒温双光源,消除了环境温度变化对光强的影响;恒压恒流模块保证双光源光强一致性;利用积分球保证光强的均匀性;根据不同频段光源对能见度的穿透能力不同,选用双色光源实现高精度、大范围能见度的有效测量。在恒温双色光源的能见度观测系统中进行一系列的实验验证,实验结果表明两个光源的一致性达到0.99,能见度不好时,蓝光到达相机的光强弱,红光的测量结果接近真值;晴天时夜间能见度良好,蓝光透射率差值大,有利于提高信噪比,双光源为蓝光的标准差36.90,蓝光的测量结果接近真值。当观测极限为15 000 m时,进行1个月的实验观测,通过与真实值进行比较,所提出的改进恒温双色光源夜间能见度观测方法能够很好的在能见度观测极限范围内进行准确的测量。     

基于激光吸收光谱技术天然气管道泄漏定量遥测方法的研究

报道了基于激光吸收光谱学原理的天然气管道泄漏移动遥测技术,通过模拟天然气泄漏实验, 分析了移动遥测的关键技术问题.为了定量遥测天然气管道微量泄漏,引入一个和剩余幅度调制(RAM) 等值反相的信号对偏差进行补偿,降低RAM对谐波信号的影响,提高系统检测灵敏度. 针对遥测回波吸收光谱特征,提出了改进软阈值小波去噪法,就提高系统信噪比而言, 比传统软阈值去噪法高2倍多,同时对二次谐波(2f)信号形状也有很好的保留,通过探测限计算, 系统移动遥测灵敏度达到80 ppm/m.     

奶牛场氨排放特征的光谱检测

为实现奶牛场氨气减排,改善生态环境,需要在线监测氨挥发浓度并准确揭示氨排放特征。采用开放式可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术设计了开放式氨气在线监测系统,结合反演式气体扩散技术开展相关研究,于2013年秋季和冬季在保定市某奶牛厂进行了氨排放浓度在线监测和排放特征分析工作。监测结果表明,秋季氨气浓度峰值为6.11×10-6%,冬季氨气浓度峰值为6.56×10-6%,氨浓度具有日变化趋势,基本呈白天浓度低,夜晚浓度高的特点。由反演气体扩散模型得到秋冬季氨排放特征,氨排放峰值均出现在中午,秋季氨排放速率为1.48~130.6kg/head/hr,冬季氨排放速率为0.004 5~43.32kg/head/hr,秋季的排放速率高于冬季,说明奶牛场尺度下的氨排放存在一定的季节性差异。该方法可以有效获得大范围、高灵敏、免采样、快速气体排放特征结果,为奶牛厂的氨排放监测和科学养殖提供技术支持。     

大尺度区域水汽浓度激光检测方法的研究

为了实现大尺度区域下大气中水汽浓度的高灵敏度、高精确性、快速响应检测,与遥感反演的数据进行校正,采用了TDLAS直接吸收技术结合开放式监测的方法。选择水汽分子在1.27μm附近的单根吸收谱线为目标谱线,设计了大尺度区域水汽激光检测系统。结合多次反射池验证了系统性能,40m光程下极限灵敏度为14.803mmol.mol-1。利用本系统在中国科学院禹城综合试验站完成了1 420m光程下的连续外场实验,系统工作稳定,并与同场地涡度相关观测系统中的气体分析仪LI-7500的测量数据进行了对比,数据一致性较好。为在复杂野外非均匀下垫面的水汽浓度变化的监测提供新方法。     

Study on long distance transmission technique of weak photocurrent signal in laser gas sensor

The continuous monitoring of H2S gas concentration is a common problem in natural gas desulfurization process technology.Tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)is a preferred technology for continuous monitoring of gas in industrial sites,because of its high selectivity,high sensitivity,and fast response.We discuss the technical solutions of on-line monitoring of H2S in natural gas desulfurization process technology based on TDLAS,and study the security design of monitoring system in inflammable and explosive areas.We also design a weak photocurrent signal converting circuit and perform experiments on transmission characteristics of different distances.The signal-to-noise ratio(SNR)of laser absorption spectrum does not decrease after the 1 500-m transmission.The detection limit is 300 ppb.The system can be operated stably and reliably,and satisfies the need for continuous monitoring of the H2S in natural gas desulfurization process.     

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。     

GaN基MIS紫外探测器的电学及光电特性

制备了GaN基金属-绝缘层-半导体(MIS)结构紫外探测器,并测量了其暗电流和光谱响应。通过分析其暗电流,发现在反偏情况下,其主要电流输运机制为隧穿复合机制;在正偏情况下,随着偏压的增大,电流输运机制从隧穿机制变为空间电荷限制电流机制。光谱响应测试结果显示,该探测器在-5 V的偏压下,在315 nm处获得了最大响应度170 mA/W,探测度为2.3×10¹² cm·Hz^1/2·W^-1。此外,还研究了不同厚度I层对器件光电压的影响,结果表明,光电压受隧穿机制与漏电流机制的共同制约。