Half-Width Integral Method for Gas Concentration Measuring in Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy

ABSTRACT

We analyze the influence of random errors and absorption shape fitting errors on gas concentration measurement in tunable diode laser absorption spectroscopy. We then propose a new data processing method according to the characteristic of random errors and fitting absorption shape. This method only uses the integral value within the half width at half maximum of the fitting absorption shape to determine the gas concentration in actual measurements. Meanwhile, the O₂ transition at 13,150.197 cm^?1 is selected to measure the O₂ concentration using this method. Compared with the traditional method, the method established in this paper can accurately measure O₂ concentration.     

调谐激光吸收光谱波长偏移修正算法研究

可调谐半导体激光器具有线宽窄、波长扫描快、室温工作等特点,基于可调谐半导体激光器构成的激光吸收光谱气体测量系统在大气环境检测、工业生产过程在线检测中得到了广泛的应用。在实际测量系统中,由于可调谐半导体激光器中心波长受温度等因素的影响发生偏移,如不进行中心波长校正,将造成序列光谱数据重叠,处理后的光谱线型发生展宽,进而影响后续的光谱线型拟合,对气体浓度的反演精度产生影响。一般采用参考光谱吸收谱线寻峰方法进行序列光谱数据偏移的对齐,但光谱数据中的随机噪声、背景噪声、漂移噪声等因素影响峰线波长的精度。为了降低上述因素的影响,提出一种改进的时域相关光谱修正算法,首先对光谱信号进行自相关,在一定程度上提高光谱信号的信噪比,然后再进行时域互相关处理,能够准确的计算出激光器波长偏移量,减少由此造成的光谱线型展宽的影响,提高了浓度反演精度和测量稳定性。在激光吸收光谱气体浓度检测实验系统中进行了实验验证,评估结果中,原始数据标准差为1.482 8,谱线寻峰方法与时域相关方法修正后数据标准差分别为0.433 9和0.293 6,改进的时域相关修正方法修正后数据标准差为0.132 5,改进的时域相关修正方法相关系数均优于0.992,欧式距离的标准差为1.726 4。系统稳定性评估中改进方法波长漂移修正后标准偏差为0.144 3。     

镶嵌在氢化氮化硅中纳米非晶硅粒子光吸收的模拟

采用量子限制效应模型对镶嵌有纳米非晶硅粒子的氢化氮化硅薄膜的光吸收进行了理论模拟,探讨了由吸收谱分析给出该结构薄膜光学参数的方法,并通过对不同氮含量样品的讨论给出了量子限制效应和纳米硅粒子表面的结构无序对薄膜光吸收特性的影响规律。分析结果表明,随氮含量的增加,薄膜有效光学带隙增大,该结果与薄膜中纳米硅粒子平均尺寸的减小引起的量子限制效应的增强相关,而小粒度纳米硅粒子比例增加所引入的较高微观结构无序度和较多缺陷将会导致薄膜低能吸收区吸收系数增加。     

太阳辐照对静止水面稳态蒸发的影响

针对低风速下静止水面的蒸发过程,考虑水面与气流的对流传热传质、水体对太阳能辐射的容积内光谱吸收及内部传热,建立分析太阳辐照作用的水面稳态蒸发模型.采用控制容积法结合蒙特卡洛法和谱带模型数值求解水体内部、表面、气流之间的能量传递与质交换.分析空气湿度、温度、流速及正逆温差下,太阳辐照强度对于水面蒸发的影响.结果表明,太阳辐照强度对低风速下静止水面蒸发的影响很大.     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.     

红外吸收光谱法研究磁控溅射沉积SiOx非晶薄膜的过程

利用磁控溅射技术,在单晶Si衬底上生长了SiOx非晶薄膜.傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)显示,SiOx非晶薄膜存在3个吸收谱带.研究发现,随着溅射功率的提高,薄膜中先后形成Si-Oy-Si4-y(0＜y≤4),Si6环以及无桥氧空位中心(NBOHC)缺陷等结构,这几种结构对应的Si-O-Si键的伸缩振动吸收、非对称伸缩振动吸收以及O-Si-O键的振动吸收是导致薄膜的FTIR光谱出现3个吸收谱带的根本原因.     

基于可调谐激光吸收光谱技术的多条吸收谱线重建气体浓度二维分布的研究

针对二维气体浓度分布,主要选用多条H₂O的吸收谱线,采用代数迭代重建算法,研究了在激光光束较少且假定温度分布已知的情况下,即不考虑燃烧场中温度对谱线强度的影响时,不同谱线条数对二维浓度重建结果的影响,对比了在同一浓度模型下通过增加激光光束与增加H₂O吸收谱线条数对气体浓度重建结果的影响;研究了增加谱线条数重建气体浓度分布对不同温度与浓度分布模型的适应情况,其中,文中所选取的多条吸收谱线可以由一个激光器同时扫描得到。浓度测量区域采用10×10的网格划分,测量区域中的温度和浓度分布采用单峰不均匀分布与双峰不均匀分布,重建过程中计算了吸收谱线与激光光束的有效利用率。重建结果表明在激光光束较少时,增加吸收谱线条数可以获得更多与浓度相关的谱线参数信息,且与增加激光光束相比可以明显改善浓度重建结果,更主要的是增加谱线条数可以有效降低实验中硬件设备的成本投入以及测量系统的复杂性。     

基于可调谐激光的CO监测仪的不确定度评定

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)对CO气体的浓度进行测量,应用整体二次谐波最小二乘法对测量信号的实验数据进行反演处理。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术, 对CO在线监测仪测量结果的不确定度来源进行了分析, 采用直接评定法对各种因素引起的不确定度分量、标准不确定度和合成不确定度进行了评定。实验结果表明, 仪器示值引入的不确定度、标准气体浓度定值的不确定度以及环境温度变化和电源电压波动引入的不确定度是影响测量不确定度的主要因素。     

非晶氧化硅薄膜带尾发光特性

采用等离子体增强化学气相沉积技术,通过改变CO2流量制备了不同氧含量的非晶氧化硅薄膜。利用紫外可见吸收谱、傅里叶红外吸收谱和稳态/瞬态光致发光谱等技术研究了薄膜的微观结构和光学特性。实验结果表明,随着氧含量的增加,薄膜的带隙增大,光致发光强度增加、峰值朝高能方向移动、光谱半峰全宽展宽。时间分辨光谱显示薄膜发光峰值处的衰减时间随氧含量的增加从6.2ns单调增加到21ns,而同一样品的发光寿命随发射波长能量增加而减小。综合分析光学吸收、发射及发光衰减特性表明,薄膜的发光机制主要归结为非晶材料带尾态之间的辐射复合。     

基于光子晶体异质结构的磁可调石墨烯多带吸收

石墨烯在光电子学领域具有广泛应用,但石墨烯的吸收率较低限制了其在某些方面的应用。为了改善单层石墨烯的吸收特性,在前人研究的基础上,设计了石墨烯和光子晶体异质结构构成的复合结构。利用4×4传输矩阵法研究了外磁场、费米能量和设计波长等参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明,所设计的光学结构使石墨烯既保持了原有的宽吸收带,还增加了数目可调的窄吸收带。由于考虑到磁光效应,石墨烯的吸收特性表现出一定的磁圆二色性。对于各吸收带,通常情况下左旋圆偏振光的吸收率要大于右旋圆偏振光的吸收率。但调节外磁场和费米能量,可使各吸收带具有99%以上的吸收,在一定的条件下,还可实现近完美的100%吸收。研究结果为光电子学领域中基于石墨烯的相关器件的设计提供了参考。     

一种新型非晶态分子材料的非线性光学折射率和吸收特性

用单光束扫描法测量了在532nm处一种新型非晶态分子材料5,5′Bis(dimesitylboryl)2,2′bithiophene的非线性折射率和吸收系数样品非线性透射特性的分析表明,在靠近线性吸收区的532nm处有饱和吸收存在由三能级饱和模型和Zscan法确定了饱和强度、非线性折射率的实部和虚部研究结果表明:这种新型非晶态分子材料具有非常好的光子学应用前景.     

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280~450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H₂O和CO₂等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25 μm附近的ν₂+ν₃谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH₃的测量能力,实验对H₂O,CO₂和NH₃的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH₃受较大浓度的H₂O和CO₂谱线的干扰较小,尤其是CO₂谱线的干扰可以忽略不计,且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH₃的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。     

痕量气体可调谐激光二极管吸收光谱分析系统在线自校准技术研究

可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)是最有潜力的痕量气体在线监测技术之一。受测量原理的限制,其测量结果受温度和气压影响很大,目前多采用现场安装传感器来测量温度和气压信息,以对该误差进行修正。提出了利用在线参考气室对TDLAS系统中温度、气压变化引起的测量误差进行在线自校准;该参考气室内包含标准浓度的被测气体,并带有能变形的压力膜盒,工作的时候,该气室被放置在被测气体工作环境中,能自适应地调整室内气压和温度;在一次扫描过程中同时测得工作光路和参考光路的吸收光谱,并求得二者的吸收谱线强度比,即可得到校准后的被测痕量气体的浓度,无需考虑温度和气压影响;还介绍了这一自校准系统的原理、设计、实验和现场应用。     

奇异值分解用于可调谐二极管激光吸收光谱技术去除系统噪声

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术用于气体浓度检测时,会受到谐波检测中基线漂移及噪声的影响,因此如何去除系统噪声一直是研究的热点。分析了连续截断信号和构造hankel矩阵两种不同方法下,奇异值分解(SVD)对TDLAS系统检测的理论意义。将二次谐波信号分别用该方法进行矩阵化排列和奇异值分解,选取适当阈值将部分奇异值置零并重构矩阵,得到了这两种方法对基线纠漂和去噪的不同效果。实验证明,奇异值分解方法不需加入额外系统部件、不需通零气扣除背景,就能够快速有效地去除TDLAS系统噪声,而构造hankel矩阵的方法适用于去除高频噪声,连续截断信号的方法适用于进行基线纠漂。将该方法应用于实际TDLAS系统氨气检测时的二次谐波,系统噪声去除率达80%。     

可调谐二极管激光吸收光谱法监测大气痕量气体中的浓度标定方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析。在空气痕量气体检测中,一般需要和长光程吸收池相结合使用。可调谐二极管激光吸收光谱法就是在可调谐二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的一种新的痕量气体检测方法。这种方法不仅精度较高,选择性强而且响应速度快。已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测。在大部分痕量气体检测仪器中需要精确地对检测气体进行在线的浓度标定,文章介绍了一个简单而精确的浓度标定方法,从理论上进行了分析,然后通过实验证明了这种方法的可行性。     

基于谱线频率特征的调谐二极管激光吸收光谱参数分析

调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高分辨率、高灵敏度和快速测量等优点在工业生产、环境污染监测等方面受到广泛应用。波长调制光谱（wavelength modulation spectrum, WMS）的二次谐波信号经常用作气体浓度反演的检测信号。TDLAS检测性能与系统参数,如锁相放大器的时间常数、扫描幅度、扫描频率、调制幅度、调制频率等的选取紧密相关,实际测量中各参数的选择多以谱线形态特征为依据,参数之间的关联性未能得到较好体现。由于信号的采样与处理均在频域对谱线产生作用,各参数之间的作用相互关联。然而很少有研究参数对谱线频域的影响,针对此问题,在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响。通过保持其他参数不变,只改变一个参数的方法,得出各个参数对信号线型、频率特征及噪声引入的影响规律,继而分析并验证了多参数联合变化对谱线频带的决定作用。与基于时域特征的传统方法相比,基于谱线频率特征分析一方面具有与谱线信号采集检测处理机理相近的优点,另一方面可以直观得到各参数对主频带的影响和不同频率信号的衰减趋势。总结出基于频率特征的各参数的基本选取方法,以谱线频带和截止频率相互关系为判定标准,截止频率的大小由锁相放大器时间常数决定。通过设置合适的时间常数和扫描参数使信号频带与截止频率相近但不相交,使谱线频带内频率分量不产生衰减,频带外噪声得到最大抑制;再根据锁相放大器的性能和信号信噪比来确定调制参数,使谱线主频幅度最大;最后根据系统需求确定采样率。单周期采样点不变时,低扫描频率时检测精度相对提高但耗时较长;反之,扫描频率提高,速度变快但检测精度下降。通过联合影响规律调整关联参数,减小硬件限制对参数最优值选取造成的影响。可在考虑系统检测需求与硬件条件限制的前提下,通过参数选择得到最优二次谐波信号,为此技术的实际应用提供了参数优化的实验依据与参考方法。     

国外差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线的研究进展

水汽含量是大气最基本的物理参量之一,大气水汽垂直分布结构对于大气过程的研究十分有意义。差分吸收激光雷达可以昼夜获取高精度、高距离分辨率的大气水汽垂直分布廓线,是最有潜力的探测手段。国际上已经发展出几种类型的差分吸收激光雷达,对它们的发展路径做一梳理,理清发展脉络,具有有益的参考价值。其中,稍早时期水汽差分吸收激光雷达工作在4ν振动吸收带720～730 nm频域,以Alexandrite为主流的激光器或者Nd∶YAG/ruby固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源,光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器,代表性的仪器是法国的机载LEANDRE Ⅱ。此后发展的820 nm波段的水汽差分吸收激光雷达,以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机,以硅的雪崩二极管作为探测器,紧跟前置放大和数据的AD采集器,如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达,可以获得对流层300～4 000 m之间水汽两维或三维分布结构;德国Institutfür Meteorologie und Klimaforschung所建立的差分吸收激光雷达可以探测3～12 km高度之间大气的水汽垂直分布。720和820 nm波段水汽吸收截面较小,更适合于地基或车载的对流层水汽廓线探测。而水汽3ν振动谱935 nm区域吸收截面较大,是为了空间探测大气对流层上、平流层下相对干燥区域的水汽分布而准备的,且可以安排多个探测波长,和一个参考波长,它们对水汽的吸收截面大小呈梯度分布,以应对空间对地观测时不同高度大气水汽浓度的差别。基于种子注入的光参量振荡器或Nd∶YGG全固态激光器的935 nm差分吸收激光雷达,以德国Deutsches Zentrumfür Luft- und Raumfahrt的研究最为成功,推动了欧洲空间局立项发展空间水汽差分吸收激光雷达WALES（Water Vapour Lidar Experiment in Space）,测量从地球表面到平流层下、高垂直分辨率和高精度水汽浓度分布。机载多波长水汽差分吸收激光雷达1999年建立起来,担当空间WALES任务的模拟器,2006年完成了机载飞行试验。以823～830 nm分布布拉格反射半导体激光器和半导体光放大器为核心、采用雪崩二极管盖格光子计数技术的微脉冲差分吸收激光雷达,是差分吸收激光雷达面向商业化、可普及的方向迈出的重要一步,目前已经发展到第四代产品。发射机激光工作波长的长期稳定十分重要而棘手,以窄带连续波种子激光注入脉冲激光器的谐振腔锁定其的腔长,种子激光的波长以水汽的多通道光吸收池为参照标准,或以高精度波长计为误差获取手段,通过负反馈进行主动稳频;其次,需要仔细考虑大气对激光的后向散射光谱线型,显然Rayleigh后向散射光的多普勒展宽与水汽吸收光谱线宽度可以比拟,所以其吸收截面σ_on和σ_off必需加以修正;水汽的空间垂直分布梯度大,因此差分吸收激光雷达应该实行分通道探测。     

CO在1. 578 μ m的可调谐二极管激光光谱信号小波去噪研究

研究了一氧化碳(CO)近红外波段直接吸收和波长调制信号去噪处理算法。从HATRAN数据库中得到CO气体的吸收信号作为仿真数据,提取直接吸收信号、1-f和2-f解调信号作为原始信号,研究了不同小波基以及不同的分解层数对叠加高斯白噪声的光谱信号去噪的效果。最后利用基长为0.95 m有效光程为55.1 m的Herriott型多光程池对CO在1.578 μm处的第二泛频带P(4)吸收谱线信号进行测量和信号处理,与原始信号相比,经过信号处理过的直接吸收、1-f和2-f解调信号的信噪比都提高1～2个数量级;通过选择不同小波基和优化小波变换层数,增加了系统的抗干扰能力。     

太阳能选择性吸收涂层高温光谱吸收率的测量方法

太阳能热发电是高效利用太阳能资源的有效途径之一,对缓解能源危机和环境污染具有重要的推动作用和深远的社会意义。选择性吸收涂层是太阳能真空集热管的重要组成部分,是决定太阳能与热能转换效率的关键因素。针对高温状态下太阳能选择性吸收涂层光学性能的表征问题,提出一种适用于高温金属-陶瓷选择性吸收涂层太阳光谱吸收率的测量方法。基于双探测器的傅里叶光谱仪和具有涂层加热功能的积分球,研制了能够防止高温氧化并模拟涂层工作温度的高真空测量装置,实现0.3～2.5 μm、室温-700 ℃太阳光谱吸收率的测量。选取磁控溅射制备的Mo-SiO₂选择性吸收涂层作为测量样品,该样品具有双吸收层的多层膜结构。对涂层样品不同温度下的太阳光谱吸收率进行了测量实验,室温测量值与理论计算值进行了对比分析,结果表明具有较好的一致性,最大偏差仅为2.9%,验证了涂层太阳光谱吸收率测量方法的可行性。高温光谱吸收率测量对涂层参数设计的优化及吸收性能的提高具有重要的指导意义及推动作用。