高温窑炉气体红外辐射被动遥测

基于傅里叶变换红外光谱技术对高温窑炉内气体红外辐射信号进行了遥测研究。根据工业现场条件,利用大气辐射原理建立被动辐射模型,计算了炉膛内高温气体透射率。针对湍流噪声对信噪比的影响,研究了红外干涉信号光谱转换的数据处理方法,以零光程差为基准对齐干涉信号,以实现多次扫描干涉信号的平均,减小了噪声和计算量,并提高了光谱数据率。利用HITRAN数据库和高温参考谱模型法,对谱线线强、线宽修正合成的校准光谱与透射谱进行非线性最小二乘拟合,反演了炉膛内不同吸收波段的高温气体浓度。结果表明该技术在窑炉内及其他工业燃烧过程中对高温气体的在线检测是可行、可靠的。     

新颖的高温流场红外辐射物性参数计算方法

为解决高速飞行器红外辐射特性研究中高温气体辐射参数计算问题,在转动平滑谱带（smeared rotational band, SRB）模型的假设下,首次提出基于贝叶斯估计的跳转马尔科夫链蒙特卡罗（reversible jump Markov chain monte carlo, RJMCMC）方法来计算高温流场中气体组分红外光谱物性参数。仿真计算和实验测量表明,仅需很少的先验知识,且不需要相关跃迁系数,该方法可以很好的估计主要振动跃迁带的位置,所提取的SRB模型参数的变化规律与SRB理论模型结果一致,利用拟合参数计算得到不同温度下谱带积分发射和吸收系数与逐线计算的结果非常近似。     

基于MODTRAN模型使用被动傅里叶变换红外光谱技术对生物气溶胶的探测研究

利用MODTRAN模型在水平低仰角探测模式下,对生物气溶胶探测的问题进行了分析讨论.用傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术对生物气溶胶进行探测研究.首先介绍了MODTRAN模型的大气模式和廓线,根据FTIR光谱技术对生物气溶胶的被动探测要求,利用辐射传输理论和最简单的三层模型,仿真计算得到大气背景和目标生物气溶胶之间的辐射亮度差?L,然后对?L进一步差值得到信号?2Lt,同时再结合光谱仪自身的噪声等效辐射亮度值,得到实际情况下的信号值?2Lt;最后根据探测条件和MODTRAN提供的大气模式,使用被动遥测红外光谱方法预测每种大气模式下生物气溶胶的探测限浓度.每种大气模式下探测限浓度的不同,是因为边界层温度、透过率和背景辐射亮度的不同所导致,同时还与生物气溶胶的吸收系数有关.研究表明,FTIR光谱被动遥测技术能够探测到生物气溶胶的存在,进一步说明探测生物气溶胶的可行性,也为生物气溶胶实际探测提供了一种方法.     

逐线积分气体吸收模型及其在NDIR气体检测中的应用

介绍了一种精确的逐线积分痕量气体吸收模型,模型适用于中红外波段大气环境中痕量气体、污染气体检测的理论研究和工程应用。首先介绍了气体辐射特性的理论计算方法和现有逐线积分大气模 型,比较了各自的优劣性,其次详述了逐线积分计算的理论: 吸收系数是温度、波长、气体浓度和相关吸收线参数的函数,单条谱线的平均吸收系数是积分线强与谱线线型的卷积,在不同的大气条件下选 择不同的线型。最后,详细描述了模型的算法细节,并给出了模型计算的结果与傅里叶变换光谱仪实测数据的对比,举例介绍了吸收模型在NDIR气体探测技术中的实际应用,并使用该模型模拟了NDIR探 测器两个通道的信号强度随尾气中CO₂,CO浓度变化的关系,通过计算确定了NDIR探测器合适的工作范围。所述模型利用HITRAN光谱数据库,考虑了展宽、线翼截断、温度修正、光谱分辨 率变化等情况,可以有效的模拟大气环境中多种气体的红外吸收特征。     

渐变折射率传感气室中干涉噪声的数值模拟与分析

在直接红外吸收式光纤气体传感器中,由渐变折射率（Graduated Refractive Index,GRIN）棒透镜构成的微型传感气室有着广泛的应用。分析了GRIN气室中的干涉噪声信号和甲烷信号,并利用MATLAB对干涉噪声信号的幅值与分布反馈式半导体激光器（DFBLD）的频率调制幅度之间的关系以及干涉噪声对气体检测灵敏度的影响进行了数值模拟与分析。当前谐波检测技术是气体检测的一种非常重要的技术,这种技术需要检测气体吸收信号的一次、二次或更高次谐波。而GRIN气室的二次干涉噪声对浓度信号有很大的影响,研究发现当频率调制幅度达到某些特定频率值时,二次干涉噪声信号的幅值变为零,通过调整气室参数和DFBLD的调制频率可以削减干涉噪声的影响从而提高谐波检测技术的检测灵敏度。     

一种气体吸收的逐线计算模型及其实验验证

建立一种高分辨率的气体吸收光谱的逐线计算模型,分子谱线参数数据库采用了最新的低温库HITRAN2008和高温库HITEMP2010,能根据温度条件自动选择合适的谱带参数库,并可同时满足高温和常温气体辐射计算。计算波数采用等间隔取样,取样间隔大小以能分辨出典型分子谱线为条件确定。线翼截断采取等波数截断,总内配分函数由Gamache拟合三次多项式计算。谱线线型根据气体温度和压力来选择,最后,利用该模型计算了压力为1atm,不同温度、浓度和路径长度下CO2在4.3μm和2.7μm的透射率。考虑FTIR仪器增宽,将逐线计算结果降为窄带透射率,与中分辨率的试验结果对比均吻合,并能在较宽的温度范围内保证精度。     

红外傅里叶变换光谱在化学上的应用

(一)红外傅里叶变换光谱(FT-IR)的特点 1.FT-IR FT-IR是利用干涉谱的傅里叶变换取得红外光谱的技术,被变换的干涉谱是双光束Michelson干涉仪当光束间光程差从零变到一些极大值时的记录。FT-IR系统是由Michelson干涉仪和计算机组成的,它是多路技术、干涉量度技术和变换技术的结合体。这里,光谱是通过数字变换复原的量,而干涉谱才是原始测量的量。当光源的发射为复色辐射时,干涉谱为:     

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。     

基于二阶导数谱与特征吸收窗的红外光谱定量检测方法

红外光谱分析技术已被液体、固体和气体混合物各组分的定量检测广泛应用。针对红外光谱定量检测过程中存在的计算过程复杂、受背景及噪声干扰、多组分谱线混叠的问题,一方面,通过获取谱线二阶导数去除背景及噪声干扰,并一定程度上区分混叠谱峰。在获取二阶导数谱线过程中运用Savitzky-Golay滤波器进行平滑滤波处理,并根据谱线频率特征选取Savitzky-Golay滤波器最佳滤波参数,解决了滤波参数缺乏标准化选取方法的问题。另一方面,根据被测组分的吸收分布情况生成特征吸收窗分别对待测原始吸收谱线以及二阶导数谱线加以处理,提取出在浓度计算过程中占据重要性更大的特征吸收的区域,从而排除非吸收区域中背景、噪声及其他组分对计算结果的干扰。以一组丙烷、丙烯和甲苯混合气体为例,运用二阶导数方法以及特征吸收窗方法进行定量检测,并与直接利用原始谱线的检测结果进行比较分析。实验结果表明采用二阶导数谱与特征吸收窗的定量检测方法精度更高,相对误差基本在5%以内。     

基于锁相放大的被动红外信号处理方法研究

被动红外气体遥测系统具有成本低、体积小、便于扩展等优点。利用窄带滤光片进行被动红外气体探测时,为抑制信号漂移和背景噪声干扰,需要对信号进行调制、滤波和锁相处理。系统接收的测量信号受斩光器辐射的影响较大,需要对测量过程进行辐射建模分析。本文研究了基于锁相放大的被动红外探测辐射模型,提出了在锁相放大算法后添加相位判断的信号处理方法;设计并搭建了被动式气体多光谱探测系统,在实验室对系统进行定标,并开展了不同温度黑体的测量实验。结果表明:实际测量的各通道辐射值与所建模型的结果比较吻合。本研究为基于锁相放大的被动红外信号提供了模型基础和实验验证,并为便携式近距离气体遥测系统的研制提供了参考。     

一种重构辐射噪声调制谱的方法

在进行辐射噪声信号的仿真研究中,希望利用经滤波、特征提取等处理所得到的反映目标特性的线谱、连续谱、调制谱来重构辐射噪声,以便于研究辐射噪声在声场中的传播特性。本文提出了利用迭代算法估算调制深度谱的算法,给出了时域辐射噪声的重构模型,以实测数据的调制谱为出发点,来重构其时域信号,并对重构前后的调制谱进行了误差分析,取得了较好的效果。     

飞机红外光谱辐射特性的多光谱测量

飞机机体及其羽流的红外光谱辐射特性,可以为探测、跟踪系统的谱段选择提供依据。准确的光谱辐射特性有利于提高系统探测和跟踪的能力。对飞机的红外辐射光谱特性进行了外场测量研究。建立和分析了辐射传输模型,设计了一个多谱段、滤光片分光的中波红外多光谱成像仪,采用了640pixel×512pixel的中波面阵探测器,响应波长范围覆盖3.7~4.8μm,并对其噪声性能进行了评估。实际选取了民航飞机进行实验测量,获取了机体及羽流在4个谱段上的光谱辐射特性。与传统的方法相比,获得了更真实的飞机红外辐射光谱特性。     

复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响

为了定量研究复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型.首先,使用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中尾焰中的复燃反应使用有限速率化学反应模型计算;然后,使用基于HITEMP数据库的窄带模型计算尾焰内气体的辐射参量;最后,使用有限体积法求解尾焰中的辐射传输方程.通过比较该模型计算的Titan ⅢB尾焰光谱辐射强度与(美国)国家航空航天局公布结果的一致性,证明了该模型的正确性.最后,利用该模型计算了复燃对某液体火箭尾焰光谱和波段红外辐射强度的影响,结果表明,复燃反应可以显著增加尾焰红外光谱辐射强度,在2.5～3.0 μm和4.2～4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了30.8％和28.3％,所以,在计算液体火箭尾焰准确的红外辐射特性时,需要考虑复燃的影响.     

基于室温脉冲工作量子级联激光器的脉间光谱技术研究

量子级联(QC)激光器是唯一能在室温产生中红外辐射的半导体激光器。它的宽调谐范围、高输出功率和单模工作的特性,使得它非常适用于高分辨率光谱分析。结合中红外光谱区是气体分子的基频强吸收特性,基于室温脉冲工作的量子级联激光器的吸收光谱检测技术以其灵敏度高、选择性强及响应快速等特点,成为痕量气体探测的有效方法。介绍了基于分布式量子级联激光器的脉间光谱技术,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在2178.2cm-1附近的N2O的吸收谱线。     

复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响

为了定量研究复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型.首先,使用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中尾焰中的复燃反应使用有限速率化学反应模型计算;然后,使用基于HITEMP数据库的窄带模型计算尾焰内气体的辐射参量;最后,使用有限体积法求解尾焰中的辐射传输方程.通过比较该模型计算的Titan IIIB尾焰光谱辐射强度与(美国)国家航空航天局公布结果的一致性,证明了该模型的正确性.最后,利用该模型计算了复燃对某液体火箭尾焰光谱和波段红外辐射强度的影响,结果表明,复燃反应可以显著增加尾焰红外光谱辐射强度,在2.5~3.0 μm和4.2~4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了30.8%和28.3%,所以,在计算液体火箭尾焰准确的红外辐射特性时,需要考虑复燃的影响.     

基于谱线线型函数的气体浓度检测技术

快速、精确地测量微量气体浓度的技术在大气质量分析、环境污染检测等领域具有广泛的用途。在红外光谱检测技术中,气体吸收光谱的谱线线型函数是定量测量气体浓度的一个重要参量,而如何准确和快速地得到气体谱线线型函数值是气体浓度测量中的一个关键问题。首先从理论上分析了谱线线型函数,得出计算谱线线型函数的一般方法及探讨了气体浓度与谱线线型函数峰值之间的关系。然后,利用可调激光器及光谱仪检测系统测量了乙炔在1 515～1 545 nm波长范围内的吸收光谱,再通过Lambert-Beer定律计算得到在不同频率下的谱线线型函数峰值,最后利用程序拟合出该波段内气体的谱线线型函数峰值分布曲线,并与Voigt线型函数理论计算值进行了比较,发现理论计算的谱线线型函数峰值仍存在一定的偏差。相比理论计算结果,所提出的检测方法得到的乙炔浓度与真实的乙炔浓度值更加吻合,表明了通过实验确定的谱线线型函数的经验公式可以更好地用于气体浓度的检测。由于利用实验测量值获得了谱线线型函数峰值分布的拟合曲线,因此可以快速准确地计算出所对应的谱线线型函数峰值,从而大大地简化了线型函数的计算过程。实验所获得的数据可应用于光学遥测乙炔气体浓度,且提供的方法也可以应用到其他气体的谱线线型函数峰值的测量中。     

调制噪声下激光检测气体吸收光谱信号处理研究

为减小调制噪声背景的干扰,提出了直接吸收光谱激光检测气体浓度反演的三级卷积降噪信号处理方法.以谱线6 612.939cm-1附近氨气分子吸收为例,分析了该降噪方法对氨气浓度反演的有效性.实验结果表明,经三级卷积降噪后的氨气原始吸收谱线信号整体均方根误差由初始8.53降至1.01,基线扣除归一化得到的氨气光谱吸收率谱线信噪比提高3.3倍;连续5次测量浓度5%标准氨气,反演浓度值平均偏差为0.0743%,相对标准偏差为1.4%,优于原始吸收谱线信号的小波降噪和不降噪处理反演值.采用三级卷积降噪方法预处理原始吸收谱线信号,提高了气体浓度反演精度,可为工业过程高浓度气体激光在线检测提供参考.     

高超声速飞行器气体辐射噪声计算方法

高超声速飞行器周围的激波层内高温气体会发生剧烈的物理化学变化,伴随强烈的光辐射过程,直接影响红外导引头的光学成像效果。采用流体力学Navier-Stokes方程和热化学非平衡模型模拟高温非平衡流动,考虑电子跃迁和振转跃迁以窄带法求解气体辐射特性参数,基于有限体积法离散辐射传输方程,在分别验证流场解算、辐射参数求解和辐射传输计算的基础上,进行了飞行器高速飞行的流动和辐射模拟。数值求解得到了飞行器流场特征和粒子数空间分布。计算的选定波长范围内的气体辐射发射系数空间分布显示其与激波形状和波后气体温度分布相似。通过传输得到的飞行器光学窗口视线路径上的气体辐射噪声成轴对称分布,发现辐射噪声和飞行速度、气体成分等密切相关,马赫数增加时气体辐射噪声显著增强。     

高超声速飞行器气体辐射噪声计算方法

高超声速飞行器周围的激波层内高温气体会发生剧烈的物理化学变化,伴随强烈的光辐射过程,直接影响红外导引头的光学成像效果。采用流体力学Navier-Stokes方程和热化学非平衡模型模拟高温非平衡流动,考虑电子跃迁和振转跃迁以窄带法求解气体辐射特性参数,基于有限体积法离散辐射传输方程,在分别验证流场解算、辐射参数求解和辐射传输计算的基础上,进行了飞行器高速飞行的流动和辐射模拟。数值求解得到了飞行器流场特征和粒子数空间分布。计算的选定波长范围内的气体辐射发射系数空间分布显示其与激波形状和波后气体温度分布相似。通过传输得到的飞行器光学窗口视线路径上的气体辐射噪声成轴对称分布,发现辐射噪声和飞行速度、气体成分等密切相关,马赫数增加时气体辐射噪声显著增强。     

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。