6611-6618cm~(-1)之间氨气光谱线强的测量

在可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术中,目标气体分子的吸收光谱参数,尤其是线强对温度、浓度的精确反演测量具有重要作用.HITRAN/GEISA/HITEMP等数据库中的光谱参数包含理论计算的结果,与实际情况存在相当的误差.本文采用TDLAS-波长扫描直.接吸收技术测量了室温下氨气在6611—6618 cm~(-1)之间的吸收光谱,利用Voigt线型多峰拟合方法获得了20条谱线在不同压强下的积分吸光度值,将获得的不同压强下的积分吸光度值进行线性拟合计算测量温度下的线强值,同时通过不确定度分析及误差传递计算了实验钱强值的不确定度.通过与HITR.AN 2012数据库中值进行对比,得出氨气在6611—6618 cm~(-1)波段实验线强值与数据库中值相差0.51%—17.28%,且实验线强值的不确定度在0.81%—3.3%范围,小于HITRAN2012中线强的不确定度5%—10%范围.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的H2O分子光谱参数测量研究

气体分子吸收谱线的光谱参数是影响吸收光谱测量精度的重要因素,分子光谱数据库中收录的光谱参数大都具有较大的不确定度,用以测量气体温度等参数时会产生较大的测量误差。为了获得可用于燃烧场诊断的H₂O谱线的光谱参数,采用时分复用技术,在温度、压强和H₂O组分浓度可控的环境中对1.4 μm附近的吸收光谱开展了研究。对7 185.60和7 454.45 cm-1两条H₂O谱线的线强度、展宽系数及其温度指数等光谱参数进行测量,实验结果表明,两条谱线的线强度测量值与数据库中的值偏差分别小于2.61%和4.65%,不确定度都小于4%。     

4296—4302 cm–1范围内氨气光谱线强与自展宽系数测量研究

由于HITRAN数据库中NH₃在4296—4302 cm^–1范围的谱线参数主要源于理论计算,与实际情况存在差异.为了修正数据库中该范围内NH₃的谱线参数,本文利用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和计量学理论,测量2—10 Torr(1 Torr=133.322 Pa)高纯NH₃在4296—4302 cm^–1范围内的吸收光谱,综合考虑压强、温度、气池光程、波数、线型拟合等主要影响因素,对NH₃在该波段的主要吸收谱线的线强和自展宽系数进行了反演和不确定度计算.测量得到的线强与同行最新测量结果偏差在20%以内,自展宽系数与HITRAN2020数据库偏差在14%以内,二者的不确定度范围分别为0.63%—2.7%和0.77%—5.4%,均小于HITRAN数据库中的不确定度范围10%—20%,测量的部分谱线光谱参数在HITRAN中没有记录,本文获得的结果对于补充和修正HITRAN数据中4296—4302 cm^–1范围NH₃     

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.     

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%.     

FTIR光谱高温气体浓度反演方法及残差结构分析

从理论和实验两方面分析了光谱线线宽随温度的变化规律.将HITRAN数据库中常温下的线强参数修正到了测量温度,进而得到合成校准光谱.将合成校准光谱和实验测得的光谱进行非线性最小二乘拟合,得到了不同温度下标准气体CO浓度.这种反演算法的浓度误差在常温下不超过5%,具有很高的精度,但随温度升高浓度误差逐渐增大.从残差光谱曲线...     

基于光谱吸收率积分的气体浓度测量方法

气体的光谱吸收率是Lambert-Beer定律对气体进行定性定量分析的重要依据,光谱吸收率积分值是描述气体吸收特性的一个重要参量。根据所测气体的吸收光谱图,通过从HITRAN数据库中查询得到所需数据,选择其中一条吸收光谱,计算出光谱吸收率在频域上的积分值,然后把积分值代入Lambert-Beer定律便可以求出所测气体的浓度值。计算光谱吸收率的积分值,能够避开复杂的线型函数的计算,不需要通过标准气体进行校准,从而更加简捷、快速地求出气体浓度值。鉴于温度变化会引起相应的压强的变化,同时在压强不随温度变化以及压强随温度共同变化这两种情况下,对光谱吸收率积分值随温度的变化规律进行了研究。总结出在这两种情况下,光谱吸收率在频域上的积分值总是随着温度的增加而增加,当增加到一定温度时,光谱吸收率在频域上的积分值随着温度的增加而减小,最后趋于稳定,但是两种情况下光谱吸收率积分值变化趋势的范围有所不同。最后通过实验验证计算光谱吸收率在频域内的积分值时需要同时考虑温度的变化以及温度导致的相应的压强的变化,此时吸收率积分值相对误差约为1%;只考虑温度的变化而不考虑压强随温度的变化,吸收率积分值的相对误差值大于1%而且逐渐变大。研究温度对光谱吸收率积分值的影响,可以在使用光谱吸收率积分值计算气体浓度时,选择合适的温度范围即更稳定的吸收区,从而减少温度对测量结果带来的误差。     

Ab Initio方法研究NO分子红外光谱参数

分子光谱参数是红外辐射计算的基础数据,目前国内还没有类似HITRAN数据库的气体光谱数据库,在国家数值风洞工程的支持下,本文开发了高温空气光谱参数计算代码,目的是为目标红外辐射计算提供支持。NO是高超声速飞行器高温空气流场中的主要化学反应产物之一,其振转能级跃迁产生的辐射处于红外探测器的典型波段。本文基于ab initio计算的NO分子分裂后的分子势和永久偶极矩,计算了NO分子的线强度(温度达到了8000 K);在300 K和3000 K温度下,目前的理论计算结果与HITRAN数据库中的数据符合得非常好;本文还采用窄带模型计算了296 K和2000 K温度下NO分子X²Π_1/2态的吸收系数。目前所用方法可以不借助实验光谱常数,使低振动态和高振动态都得到比HITRAN数据库更多的线位置,可为国家数值风洞目标辐射特性计算提供NO分子高温光谱数据。     

基于光谱拟合的燃烧场气体参数测量方法研究

基于波长调制光谱(WMS)理论,提出一种利用光谱拟合实现燃烧场气体参数测量的方法;通过拟合谱线的谐波信号实现谱线积分吸光度、多普勒线宽和碰撞线宽的测量,进而实现燃烧场内气体温度、压强和水蒸气浓度的测量;通过数值仿真研究了积分吸光度和碰撞线宽对谐波信号的影响,并在样品池中进行实验研究。结果表明:谐波信号光谱对积分吸光度的灵敏度约为1,而对碰撞线宽的灵敏度则随碰撞线宽增大而先增大后基本不变;光谱拟合测量方法具有较高的测量精度,气体温度、压强、水蒸气物质的量分数的测量值与预测值的最大相对偏差分别小于4%、6%、5.5%。     

基于非线性最小二乘法的多光谱拟合程序：应用于12CH4谱线参数分析

精确的甲烷分子实验光谱参数在大气科学和天文探测等领域有着广泛的应用,特别是谱线的展宽系数及其温度依赖系数对于甲烷分子浓度廓线的研究尤为重要。精密的实验测量是获得准确谱线参数的重要手段。采用实验测量获取谱线参数时,需要在已知实验条件（浓度,温度,总压力,吸收光程以及气体分子种类的混合比等）的情况下,多次扫描同一波段范围得到多组实验室吸收光谱,然后利用基于非线性最小二乘法的拟合程序处理这些光谱,反演获得所需要的光谱参数。然而,一般常用的单光谱拟合程序处理实验光谱既费时又容易引起拟合过程中的误差传递。针对此问题,采用最小二乘拟合技术和Levenberg-Marquardt迭代算法编写了一款适用于处理由可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）所获得的吸收光谱的多光谱拟合程序。该程序可同时处理多张实验光谱,并基于全局拟合方法获得一套光谱参数。详细介绍了该程序的原理、使用方法及数据处理过程。利用多光谱拟合程序中的Voigt线型处理了2 958～2 959 cm-1波数内甲烷（12CH₄）分子6条跃迁谱线的实验光谱,获得了296.0,251.0,223.0,198.0和173.0 K共5组温度下12CH₄分子6条谱线的空气展宽系数。与之前文献报道的该波段内采用单光谱拟合程序得到的相应数据对比结果表明：获得的各温度下的空气展宽系数与参考文献中相应数据差值的百分比处在-4.97%~1.58%之间,两者数据整体符合较好,并且在30组对比数据中,有4组由单光谱拟合程序得到的空气展宽系数的误差值小于由多光谱拟合程序得到的相应数值,有2组数据显示由两种方法获得的误差值相等,其余24组由多光谱拟合程序获得的数据拟合误差小于由单光谱拟合程序获得的相应数值,表明多光谱拟合程序具有良好的可靠性,适用于气体分子吸收光谱的处理。     

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     

1.315μm区域高分辨力水汽吸收光谱研究

水汽吸收特性的研究对评估激光通讯和激光传输等具有重要的意义,因此水汽吸收光谱的研究在理论和工程方面都有重要应用。用工作在室温下,窄线宽、宽调谐范围分布反馈(DFB)二极管激光器作光源,结合光程可调、最长光程为1097m、可控温的改进型千米级怀特(White)池,精确地测量了水汽在1．315μm附近的高分辨力、高灵敏度吸收光谱,得到了水汽分子1．315μm附近31条主要吸收线的位置、谱线强度、压力自加宽系数等参量,测量结果与HITRAN数据库中的值很好地一致。实验中使用先进的电子技术和计算机控制技术,大大提高了实验的效率,确保了实验结果的可靠性。     

High-Resolution Measurements of HBr Transitions in the First Overtone Band Using Tunable Diode Lasers

High-resolution absorption lineshapes of the R(7) and P(2) transitions in the first overtone (v = 0-2) band of H(79)Br have been recorded at room temperature using a pair of distributed feedback diode lasers operating near 1.95 and 2.00 μm, respectively. Spectral line intensities and self-broadening coefficients were determined by fitting the measured spectra (for various pressures P = 10-100 Torr) with Voigt profiles and compared with values in the literature. Measured line intensities for the P(2) and R(7) transitions are approximately 11 and 16% higher than those listed in the HITRAN database, respectively. The measured self-broadening coefficient of the P(2) transition is approximately 14% lower than the value listed in HITRAN. Measurements of the P(2) lineshapes at low pressure (100 mTorr) were modeled with eight-line Gaussian profiles based on ground state (v = 0) hyperfine constants to include the effects of nuclear electric quadrupole interactions. Copyright 2000 Academic Press.     

Spectral Intensity and Lineshape Measurements in the First Overtone Band of HF Using Tunable Diode Lasers

High-resolution absorption lineshapes for the P(3) and P(6) transitions of the first overtone (v = 2-0) band of HF at 296 K have been measured using a pair of distributed feedback diode lasers operating near 1.31 and 1.34 μm, respectively. Spectral line intensities and self-broadening parameters were determined by fitting the measured spectra with Voigt, Galatry, and Rautian lineshape models. Voigt profiles fit the low-pressure (<10 Torr) spectra of the P(3) transition reasonably well due to the relatively strong collisional broadening effect. Lineshape measurements of the P(6) transition (for pressures ranging from 5 to 60 Torr) show significant variation from the Voigt lineshape model due to velocity-changing collisions that effectively reduce the Doppler component of the spectral line. Lineshape models that include motional (Dicke) narrowing effects, Galatry (soft collision) and Rautian (hard collision) profiles yield significant improvements in the spectral lineshape fits compared with Voigt profiles. The collisional broadening coefficient (gamma) of the P(6) transition obtained from a Voigt fit is approximately 4% lower than those found with either Galatry or Rautian profile fits. The measured intensities and self-broadening coefficients are compared with values in the HITRAN database and previous measurements. Copyright 1999 Academic Press.     

1.5μm处CO2与CO高温线强的实验分析与理论计算

本文在采用乘积近似方法计算二氧化碳、一氧化碳分子总的配分函数(其中分子的振动配分函数采用谐振子近似, 转动配分函数采用非刚性转子模型, 并考虑了离心扭曲修正)的基础上, 利用所得配分函数和振动跃迁矩平方的实验值以及Herman-Wallis系数, 计算了1.5 μm 附近二氧化碳30012–00001跃迁带和一氧化碳3–0跃迁带在300–6000 K温度范围内部分温度下的吸收线强; 为验证计算方法和结果的准确性, 在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术搭建的高温测量系统中, 对300–800 K温度范围内部分谱线线强进行了测量, 并把计算结果、测量结果及HITRAN数据库中对应数据进行了对比, 发现相对偏差小于3%, 证明了本方法的有效性, 同时计算及测量所得高温线强数据可对HITRAN数据库进行有效的校正和补充.     

An approach to gas sensors based on tunable diode laser incomplete saturated absorption spectra

A spectral profile reconstruction method that can be applied to incomplete saturated-absorption spectra is proposed and demonstrated. Through simulation and theoretical calculation, it is proved that compared with the traditional wholeprofile fitting method, this new method can increase the concentration detection upper limit of a single absorption line by about 8.7 times. High-concentration water vapor is measured using TDLAS technology, the total water vapor pressure and the self-broadened half-width coefficient of the spectrum were simultaneously measured from incomplete saturatedabsorption spectra and compared with high-precision pressure sensors and the HITRAN databases. Their maximum relative deviations were about 4.63% and 9.10%, respectively. These results show that the spectral profile reconstruction method has great application potential for expanding the dynamic range of single-line measurements to higher concentrations,especially for in-situ online measurements under complex conditions, such as over large temperature and concentration dynamic ranges.     

2 μm附近CO2谱线参数测量及应用

吸收光谱技术用于痕量气体浓度监测,特别是在气体分子稳定同位素丰度探测中,吸收谱线参数的准确性非常重要,目前普遍使用的HITRAN数据库中给出的各项参数具有一定的不确定性。为利用2.0 μm激光波段进行CO₂浓度及其同位素丰度探测,需要对该波段的CO₂吸收谱线参数进行校准,采用窄线宽分布反馈式二极管激光器作为光源,结合自行搭建的谱线参数测量系统,采集了2.0 μm波段10条CO₂吸收谱线,获得了各谱线的位置、强度、自加宽系数和N₂加宽系数,并与HITRAN2012数据库中相应的数据进行对比发现两者之间吻合较好,CO₂谱线强度和自加宽系数相对偏差均小于2%。实测实验室大气的CO₂浓度为440 ppm,13CO₂的丰度值δ为-9‰。测量结果为该波段应用于CO₂浓度及13CO₂同位素丰度的实时在线探测提供了重要参考依据。     

Intensity measurements of H2O lines in the spectral region 8000-9350 cm

This paper presents new measurements of H₂¹⁶O lines performed on spectra recorded with the GSMA Fourier Transform Spectrometer (FTS). Our experimental conditions allow one to obtain new line intensity measurements from 10⁻²⁵ to 10⁻²¹ cm/molec at 296 K and self-broadening coefficients in the spectral range centered at 8800 cm⁻¹. In the HITRAN database, data reported for this region is taken from the work of Mandin et al. (1988) [8] and [9] and several articles pointed out problems on the line intensities. We present in this paper some intensity comparisons, first with the HITRAN database, and then with the recent article of Tolchenov and Tennyson (2005) [3]. We finish by a comparison on self-broadening coefficients.     

Diode laser measurement of line strengths and air-broadening coefficients of CO2 and CO in the 1.57 μm region for combustion diagnostics

Spectral measurements of two line pairs of CO₂ and CO in the temperature range 300–1000 K at 1.573 µm were performed using a fiber-coupled distributed feedback (DFB) diode laser. The two line pairs can be used in a tunable diode laser (TDL) absorption sensor for simultaneously detecting CO₂ and CO gas in a single scan of the diode laser. The spectral parameters (line strengths, air-broadening coefficients and the temperature exponent n) of the two pairs are presented. The measured data agree well with existing databases (HITRAN 2004 and HITRAN 2008), the discrepancies being less than 5% for most of the probed transitions. Although the HITRAN database is a useful tool for sensor design, we found that laboratory measurements of the spectroscopic data for the line pair selected for high-temperature sensors are necessary for establishing the uncertainty for accurate measurements.