浊度干扰下硝酸盐浓度紫外导数光谱检测方法研究

硝酸盐是水中“三氮”（硝酸盐氮、氨氮、总氮）之一，是反映水体受污染程度的一项重要指标。传统 “现场采样-离线分析” 的硝酸盐化学检测方法操作繁琐、耗时长，难以满足现代水环境实时在线检测需求。由于硝酸根在紫外区具有很强的紫外吸收特性，并且紫外吸收光谱法具有简便快速、可实现实时在线监测等特点，近年来被广泛用于硝酸盐浓度的测量。但使用紫外吸收光谱法检测水体硝酸盐含量时，容易受到水体浊度影响，造成谱线非线性抬升，导致测量误差。目前对浊度补偿算法的研究大都用于水中COD含量的检测，对硝酸盐检测中浊度干扰去除研究较少。为此提出一种基于一阶导数紫外吸收光谱的硝酸盐浓度测量方法，该方法可以减小浊度干扰，从而提高紫外光谱快速检测硝酸盐含量的准确度。通过测量福尔马肼与硝酸钠标准溶液和它们混合溶液在190~300 nm波段的紫外吸收光谱并做一阶导数光谱处理，处理后的光谱采用Savitzky-Golay滤波进行去噪平滑处理，比较浊度与硝酸盐紫外吸收一阶导数光谱特征，分波段研究浊度对硝酸盐紫外一阶导数光谱影响，结果表明硝酸盐导数光谱在220~230 nm波段受浊度影响小；选取220~230 nm波段作为光谱分析区间，以30种不同浓度混合的福尔马肼与硝酸钠溶液作为训练样本，利用偏最小二乘算法建立硝酸盐定量分析模型，使用该建模模型预测剩下的6种不同浓度福尔马肼与硝酸钠混合溶液中硝酸盐的浓度，结果表明福尔马肼干扰下硝酸盐测量结果的预测决定系数（correlation coefficient，R2）为0.994 3，预测均方根误差（root mean square error of prediction，RMSEP）为0.346 9 mg·L-1。为进一步验证该方法的准确性与稳定性，使用该建模模型预测高岭土与硝酸钾配制的混合水样中硝酸盐的浓度，结果表明该方法对高岭土干扰下硝酸盐测量结果的预测决定系数r2为0.991 5，预测均方根误差RMSEP为0.362 8 mg·L-1。综上所述，提出的硝酸盐浓度紫外导数光谱检测方法，采用220~230 nm波段的紫外导数光谱数据，结合PLS建模，可以快速准确测量在浊度干扰下水体硝酸盐的浓度，为发展实际水体硝酸盐在线监测技术与设备提供方法基础。     

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%.     

高精度无损质子交换膜燃料电池膜电极Pt载量与分布测试方法

随着质子交换膜燃料电池商业化的推进,为提高膜电极制造的可重现性,保障膜电极制造工艺的产品控制,需要Pt载量和分布无损高精度在线检测提供技术支撑。根据欧姆定律与焦耳定律,利用质子交换膜燃料电池膜电极在直流激励电压下产生的电流密度和热分布信号可以对膜电极电阻进行分析,通过膜电极Pt载量与其电阻的关系就可以实现膜电极Pt载量和空间分布分析。通过不同直流激励电压下电流测试,证明了膜电极电阻与Pt载量反相关,Pt载量定量表征精度为0.0008～0.0025 mg/cm²;利用红外热成像法对直流激励电压下膜电极热分布信息的采集成功实现了Pt载量分布的定性分析;最后,通过直流激励前后膜电极性能的对比证明了该方法对膜电极性能是无损的。高精度无损的直流激励测试方法可以实现膜电极Pt载量的高效在线测试,提高膜电极质量和制造效率,降低膜电极制造成本,对于质子交换膜燃料电池大规模商用具有重要意义。     

多环芳烃时间分辨荧光光谱特性研究

利用时间分辨荧光光谱技术,研究了菲、荧蒽、芴、蒽、芘等五种多环芳烃的荧光时间分辨发射光谱特性。以289nm受激拉曼光作为激发光源,研究了289nm激发光作用下五种多环芳烃的延时特性和门宽特性。并以多环芳烃随延时时间的荧光峰强度衰减关系曲线,得到菲、荧蒽、芴、芘的荧光寿命分别为37.0,32.7,10.9,147.0ns。不同荧光物质具有特定的荧光光谱特性,多环芳烃时间分辨荧光光谱特性的研究可以为复杂水体中不同种类多环芳烃的诊断提供依据。     

基于激光诱导击穿光谱技术的土壤快速分类方法研究

为实现不同种类土壤的快速分类鉴别,实验研究了基于激光诱导击穿光谱技术的土壤快速分类方法。由于不同类型的土壤在元素组成上会存在较大差异,所以利用激光诱导击穿光谱技术进行土壤分类具有可行性。不同土壤在相同实验条件下产生的等离子体温度会存在较大差异,可以作为分类的重要依据,所选择的7类土壤中,赤红壤的等离子体温度最高。选取土壤中6种常量元素Si,Fe,Al,Mg,Ca和Ti的光谱强度作为分类指标,利用主成分分析(principal component analysis,PCA)对7种土类的25个样品进行了分类,其中砖红壤和赤红壤分类出现了交叠,而不同高山草甸土样品之间元素差异较大,并没有实现较好的聚类。利用反向传播神经网络(back-propagation artificial neural network)结合土壤的LIBS光谱对土壤进行了分类,分类结果与PCA结果相近,赤红壤与砖红壤出现了识别错误。当用PCA分析获得三个主成分值作为BP神经网络的输入量时,获得了较好的分类结果,因为简化了输入量,降低了BP神经网络的误差,此时只有一个高山草甸土被识别成褐土,而高山草甸土的等离子体温度显著低于褐土,所以结合不同土壤类型的等离子体温度差异,能够实现不同土壤的分类识别。实验证明激光诱导击穿光谱技术可以应用于土壤分类,为土壤普查和合理利用提高了一种新的技术。     

基于LASSO方法的傅里叶变换红外光谱快速定性识别方法

采用红外光谱技术对未知气体组分进行监测,需要对气体组分进行定性识别分析。基于多元线性回归模型的LASSO变量选择技术广泛应用于数据分析领域。将LASSO方法引入到红外光谱分析领域,提出一种LASSO变量选择技术结合循环线性最小二乘(LCLS)分析的定性识别方法,并开展了相关的实验对其进行验证。实验采集CO,C_2H_4,NH_3,C_3H_8,C_4H_(10)和C_6H_(14)六种单组分傅里叶变换红外(FTIR)光谱吸光度谱以及一组C_2H_4和NH_3混合组分的吸光度谱,结合实验室自建光谱数据库,先采用LASSO方法对采集的光谱进行初步定性分析,然后使用LCLS方法剔除干扰组分。实验结果表明,LASSO结合LCLS的方法能有效识别出光谱中的目标组分,即使是在干扰严重的光谱波段也可以剔除掉大部分的干扰组分。     

Highly-sensitive NO,NO_2,and NH_3 measurements with an open-multipass cell based on mid-infrared wavelength modulation spectroscopy

A compact prototype based on mid-infrared wavelength modulation spectroscopy(WMS)is developed for the simul-taneous monitoring of NO,NO_2,and NH_3 in the urban area.Three quantum cascade lasers(QCLs)with central frequencies around 1900.0 cm~(-1),1600.0 cm~(-1),and 1103.4 cm~(-1)are used for NO,NO_2,and NH3detections,respectively,by timedivision multiplex.An open-path multi-pass cell of 60-m optical path length is applied to the instrument for high sensitivity and reducing the response time to less than 1 s.The prototype achieves a sub-ppb detection limit for all the three target gases with an average time of about 100 s.The instrument is installed in the Jiangsu environmental monitoring center to conduct performance tests on ambient air.Continuous 24-hour measurements show good agreement with the results of a reference instrument based on the chemiluminescence technique.     

基于层间相似性的时序网络节点重要性研究

时序网络可以更加准确地描述节点之间的交互顺序和交互关系.结合多层耦合网络分析法,本文提出了基于节点层间相似性的超邻接矩阵时序网络节点重要性识别方法,与经典的认为所有层间关系为常数不同,层间关系用节点的邻居拓扑重叠系数进行度量.Workspace和Enrons数据集上的结果显示:相比经典的方法,使用该方法得到的Kendall’sτ值在各时间层上的平均提高,最高为17.72%和12.44%,结果表明层间相似性的度量对于时序网络的节点重要性度量具有十分重要的意义.     

112 Gbit/s transmitter optical subassembly based on hybrid integrated directly modulated lasers

Based on the hybrid integration technology, an ultra-compact and low cost transmitter optical subassembly module is proposed. Four directly modulated lasers are combined with a coarse wavelength division multiplexer operated at the O-band. The bandwidth for all channels is measured to be approximately 3 GHz. The 112 Gb∕s transmission is experimentally demonstrated for a 10 km standard single mode fiber(SSMF), in which an optical isolator is used for avoiding the back-reflected and scattered light to improve the bit error rate(BER) performance. A low BER and clear eye opening are achieved for 10 km transmission.     

机载腔增强吸收光谱系统应用于大气NO_2空间高时间分辨率测量

介绍了一套用于机载平台测量的非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)系统,并应用于实际大气NO_2空间分布的高时间分辨率观测.为满足机载测量中对时间分辨率的需求,系统采用离轴抛物面镜代替消色差透镜提高光学耦合效率;并运用Allan方差,对系统性能进行了分析.通过腔增强吸收光谱系统与长光程吸收光谱系统对实际大气NO_2的对比测试,两者线性相关系数R~2达到0.86.将IBBCEAS系统应用于机载平台,在时间分辨率为2 s的情况下,探测限达到95 ppt(1σ).通过机载观测,获得了华北地区石家庄等地上空对流层大气NO_2的廓线信息.