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。     

SG-DBR半导体激光器的光谱技术研究

可调谐半导体激光吸收光谱作为一种高灵敏度、高选择性、非侵入的痕量气体实时检测技术,已在大气监测、工业控制等方面得到广泛应用。采用一种新型宽带可调谐的SG-DBR半导体激光器(可调谐范围1 520~1 570 nm)作光源,并通过自编程序对该激光器设定了18个通道,输出波长分别对应CO,CO₂以及H₂O的吸收谱线中心位置,设计和构建了一个基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的多组分气体光谱测量系统,描述了相关的光学系统设置,结合波长调制(wm)的二次谐波技术测量其中14个通道(分别对应CO和CO₂的吸收谱线)的吸收光谱,系统获得的CO和CO₂峰值吸收探测极限能够达到10-5。实验结果验证了SG-DBR激光器在波长调制吸收光谱多组分气体检测领域的可行性。在实际应用过程中使用单个SG-DBR激光器可以实现多组分气体的同时测量,有效降低设备成本和系统复杂性。     

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。     

采用小波分析方法降低可调谐半导体激光吸收光谱技术测量下限的实验研究

基于可调谐激光吸收光谱技术,主要采用数据处理的方法如互相关、小波分析等降低光谱吸收技术的测量下限。采用可调谐激光吸收光谱技术中的波长调制技术,对较低浓度下的NH₃进行了降低测量下限的试验研究。采用近红外波段2.25 μm附近的一组ν₂+ν₃ NH₃吸收谱线,其强度远高于1.5 μm处谱线,结合波长调制技术在最优信噪比的条件下对常温常压下不同浓度的NH₃进行了测量。为了保证实验条件下测量得到的二次谐波信号的峰值高度达到最大且信噪比最优,实验在调制系数为2.2左右的情况下,通过加载最优的高频调制信号来保证信噪比(SNR)。在10 m长的Herriott池中探测到了浓度为0.6×10-6的二次谐波信号,其中信号处理部分主要采用相关分析、多次平均以及小波变换分析来控制中心波长的移动和降低噪音的干扰。结果表明,经过数据处理以后的谐波信号,其检测下限降低到处理前的约百分之一,且不需要增加任何实验设备就可以很好的抑制噪音的影响,将相关分析和小波分析与波长调制技术相结合,这种数据处理方法对于在线检测技术具有很好的实用价值。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究

O₂是工业过程中广泛应用的重要气体, 在工业生产环境下实现O₂浓度的快速在线检测对提高燃烧效率和节能减排具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱谐波探测技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰,实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。文章以可调谐分布反馈(Distributed feedback, DFB)半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对760 nm附近氧气某一吸收线的二次谐波信号测量,从而实现了对氧气浓度的快速在线检测。系统指标达到：检测范围0.01%～20%;检测精度0.1%;长期稳定性1%。     

基于波长调制技术的温度实时测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)以其响应速度快、灵敏度高、非接触等优点已被广泛应用于气体浓度、温度的原位在线测量。基于波长调制吸收光谱技术,理论分析和推导了二次谐波温度反演公式。并采用分时锯齿波扫描形式使两个激光器分别产生覆盖中心波长为760.21 nm和760.88 nm的两条氧气吸收谱线的激光,经2×1光纤耦合器耦合为一束光束,通过测量管式炉内同一区域的二次谐波信号来反演有氧环境中的平均温度值。为了修正谱线线型和光强对实验所得的二次谐波信号峰值比值的影响,采用室温下标定温度反演公式中所需参数的方法,有效地简化了实验过程,提高了测量精度。温度在300 K~900 K范围内变化的测量结果与管式炉的平均温度值具有较高的一致性,误差在±20 K以内。     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

基于Gabor变换的TDLAS检测信号的降噪研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术结合波长调制光谱(WMS)技术是用于痕量气体检测的重要技术手段。通过锁相放大器进行谐波检测,对解调得到的二次谐波信号进行分析可获得气体吸收的信息。但由于二次谐波信号受到噪声的影响,降低了检测系统的精度和稳定性。为了提高TDLAS检测系统的信噪比(SNR),提出了一种基于Gabor变换对二次谐波信号进行数字滤波降噪的方法。以CH₄在1 653.72 nm处的吸收光谱为例,通过仿真和实验对该降噪方法的有效性进行了验证。仿真结果表明,通过Gabor变换对信噪比为0dB的二次谐波信号进行处理后,系统的信噪比可提高15.73 dB。实验结果表明,基于Gabor变换进行降噪处理后,CH₄浓度在0.001%～0.02%区间内与二次谐波峰值的线性相关系数r达到了0.996 59,且系统的检测精度和稳定性明显提高。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度测量温度影响修正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术测量气体浓度时,由于测量氛围温度变化的影响引起解调的二次谐波信号发生变化,最终导致浓度测量的较大误差. 为了修正温度变化对浓度反演结果的影响,适应工业测量、燃烧诊断的需要,采用通过实验所得温度关系的数值拟合修正方法即经验公式修正和根据HITRAN数据库参数的理论关系即理论公式修正两种方法进行分析与讨论. 实验中采用在50 cm长的高温管式炉中通入高温安全的21%浓度的 氧气为目标测定气体,选定760.77 nm的中心吸收波长,测量了温度变化范围为300–900 K,间隔50 K的情况下所得到的谐波信号,并利用一次谐波比值消元法消除光强波动影响后的结果,得出了不同温度下未修正的原始浓度值和通过修正方法后的修正值. 实验结果表明所述的经验公式和理论公式两种修正方法对温度影响都有一定的抑制作用,可以应用到温度变化引起的气体浓度误差修正监测中,为下一步开展燃烧诊断实时在线监测提供了依据. 关键词： 可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 温度修正 经验公式 理论公式     

可调谐二极管吸收光谱痕量气体浓度算法的研究

基于可调谐二极管激光吸收光谱学的大气痕量气体在线监测分析仪具有高灵敏、快速响应和高选择性的特点。分析了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)二次谐波信号的特征,以高浓度谐波信号作为标准,采用线性最小二乘拟合的方法对谐波信号进行数值拟合,高精度的反演出了痕量气体浓度值。并对标准信号和检测信号之间的相关系数和浓度反演规律进行了研究。以甲烷气体的测量信号和浓度反演为例,验证了算法。     

基于非分散红外(NDIR)技术的土壤剖面二氧化碳浓度的测定

为了探索土壤剖面CO₂浓度以及不同土壤层(腐殖质H层、A层、B层、C层)土壤呼吸的变化规律,应用非分散红外(NDIR)技术的新方法,持续不间断的测量土壤剖面二氧化碳浓度。实验所用的主要仪器为硅基非分散红外测量仪,能在高湿、高粉尘、污垢及其他恶劣环境中进行光谱数据采集。通过2013年全年光谱测定值的采集,并应用梯度法模型计算不同深度土壤碳通量,同时利用LI-8100碳通量自动监测系统持续监测的土壤碳通量值进行回归分析。结果显示：土壤剖面CO₂浓度呈现明显的梯度变化,即随着土壤深度的增加,土壤CO₂浓度增大;梯度法模型得出的不同土壤层的土壤呼吸模拟值与实测土壤呼吸值之间具有较好的线性相关,H,A,B,C层的模型预测的决定系数(R2)分别为0.906 9,0.718 5,0.838 2,0.903 0,均方根误差(RMSE)分别为0.206 7,0.104 1,0.015 6,0.009 6。均达到了较好的预测结果,表明该方法对定量分析不同土壤层碳通量是可行的。该方法具有清晰揭示土壤CO₂在不同土壤层之间的传输规律,以及有助于分析不同土壤层土壤呼吸特性的优点,能为全球土壤剖面碳通量计算提供基础数据,是一种具有发展前途的传感器。     

大气CO2反演的地表反射率影响分析与比值反演方法

近红外波段空基大气CO₂反演是一个病态问题,地表特征的不确定性是其重要的影响因素之一。针对大气CO₂高精度反演的需求,研究了地表反射率两大不确定性因素对大气CO₂反演的影响程度,提出了比值光谱法对这种影响进行校正。比值光谱法中CO₂无吸收通道(off-line)的选择至关重要,通过比较和分析多种off-line通道的选择方法,发现多通道多点平均法因多数据平均可降低随机误差的优势,获得的off-line通道对应的反演精度最高,而且离散程度也小。比值光谱法结合多通道多点平均法选取出的off-line通道对地表反射率的不确定性影响有明显的校正效果,有利于大气CO₂反演精度的提高。     

基于地对空观测光谱的大气CO2柱浓度反演分析

基于地对空高光谱观测获取大气CO₂柱浓度(大气中CO₂的垂直总含量)数据是验证和改进卫星高光谱观测反演CO₂浓度的重要数据源之一,而目前在中国还没有基于地面光谱观测进行大气CO₂柱浓度反演研究的报告。利用光谱分析仪与太阳跟踪仪等构成的地面观测系统在中国内蒙古锡林郭勒草原进行了地对空高光谱观测,基于高光谱观测数据反演了大气CO₂柱浓度。在基于1.6 μm大气CO₂的光谱吸收特征进行CO₂浓度反演过程中,评价分析了观测光谱的波长漂移和气象参数对大气CO₂柱浓度反演精度的影响。结果显示观测期间平均大气CO₂柱浓度为390.9 μg·mL-1。波长的漂移将会导致反演浓度值整体偏低;波长漂移从-0.012～0.042 nm范围时,将会导致1 μg·mL-1以上的偏差。同时,研究发现光谱透过率在6 357～6 358,6 360～6 361和6 363～6 364 cm-1谱段敏感于气象参数的变化。对比利用与光谱观测同时和非同时观测的气象参数进行的浓度反演结果发现,非同时观测气象参数的利用引起的浓度偏差最小在0.11 μg·mL-1,最大可达4 μg·mL-1;本论文的分析结果对基于光谱反演CO₂柱浓度算法的改进有着一定的参考价值。     

细长金属管内产生的直流辉光等离子体发射光谱诊断

利用发射光谱法对金属管内形成的稳定氩氮直流辉光等离子体进行了诊断。通过对等离子体发射光谱谱线的研究确定了等离子体中的活性粒子成分;根据氩原子的玻尔兹曼曲线斜率法计算了等离子体中的电子激发温度;采用氮分子第二正带系跃迁(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算了等离子体中的氮分子振动温度;研究了电子激发温度和氮分子振动温度随压强的变化特征。研究结果表明,在20 Pa下产生的Ar60%+N₂40%直流辉光等离子体中,活性成分主要是Ar原子、Ar离子、N₂的第二正带系跃迁(C3Π_u→B3Π_g)和N+₂的第一负带系跃迁(B2Π+_u→X2Σ+_g);电子激发温度约为(15 270±250)K;氮分子(C3Π_u)振动温度约为(3 290±100)K;随着压强的增加电子激发温度、分子振动温度逐渐降低。文章的研究结果对细长金属管内表面改性研究具有重要的意义。     

高温高压下文石和方解石的拉曼光谱研究

利用金刚石压腔结合拉曼光谱分析技术,研究了文石在18～388 ℃,71～2 014 MPa,以及方解石在19～351 ℃,96～1 823 MPa条件下的拉曼光谱特征,并得到文石和方解石的拉曼位移与温度、 压力三者之间的关系式。研究结果表明,文石和方解石的拉曼位移随温度压力的变化规律相似,都随压力升高向高频移动,除文石的704 cm-1外均随温度升高向低频移动。二者的晶格振动ν_i/T值均大于[CO₃]基团内振动的值,说明CaO₆八面体的热膨胀性大于[CO₃]基团的热膨胀性。二者的对称伸缩振动ν/T及ν/P值不同,由于该振动拉曼位移和C—O键的键长有关,方解石的C—O键的热膨胀性比文石小而可压缩性比文石大。另外升温升压过程中文石和方解石可以相互转化,伴随该过程发生的[CO₃]基团旋转变形等动力学因素也可以造成二者ν_i/T和ν_i/P值差异。     

地下储存CO2 泄漏胁迫下地表植被光谱变化特征及识别研究

随着全球气候变暖,减少温室气体排放成为全世界所关注的问题,而碳捕捉与储存(carbon capture and storage,CCS)技术可以减少温室气体CO₂排放量,但储存在地下的CO₂有泄漏的风险。本工作的目的是通过野外模拟实验,研究地表植被(甜菜)在CO₂轻微泄漏胁迫下其叶片叶绿素含量、水分含量及光谱变化特征,结果表明CO₂泄漏胁迫的甜菜叶绿素与叶片含水量明显降低,叶片反射率在550 nm减小,而在680 nm增大。设计了比值指数R₅₅₀/R₆₈₀进行识别CO₂泄漏胁迫的甜菜,发现该指数能够在胁迫发生7天后识别出胁迫的甜菜,且该指数具有较强的敏感性、稳健性及识别能力。研究结果对于未来CCS项目选址、地表生态监测评估、遥感监测CO₂泄漏点等都具有重要的现实意义与应用价值。     

基于三光谱带的大气散射效应校正方法

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了全球大气CO₂卫星产品的应用研究。气溶胶作用以及气溶胶与地表综合作用是大气散射的重要来源。基于O₂-A,CO₂ 1.6和2.06 μm三个光谱带中的强、弱吸收峰和连续谱,从大气气溶胶光学厚度和地表反照率的角度,分析三光谱带具有的相关信息,提出改进的全物理反演方法,对相关性很强的气溶胶光学厚度和地表反照率这两个散射相关参数进行同步反演,实现大气CO₂反演中的散射效应校正。模拟计算气溶胶影响、气溶胶和地表反照率两者综合影响导致的CO₂反演误差,并进行校正,极端情况下导致的8% CO₂反演误差可校正到1% 内,气溶胶类型差异导致最高达10%的散射影响可校正到2%内,显示了方法的有效性,同时通过对校正效果的评估,表明该方法应用于卫星数据高精度反演的潜力,也指出了实际应用时需要关注的问题。     

非分光红外(NDIR)技术测定反刍动物甲烷和二氧化碳研究

反刍动物体内甲烷通过嗳气排入大气,它的产生损失6%～15%的饲料能量。应用非分光红外(NDIR)探测技术,采用电调制红外光源探测器及单光束双波长技术,实现了对反刍动物CH₄和CO₂痕量气体排放的实时长期自动超灵敏的监测。10只体况良好,体重相近(25±5)kg的成年羯羊作为供试动物,在隧道体系中进行连续80天的监测。结果表明,甲烷和二氧化碳气体的平均回收率分别为(96.7±6.6)%和(96.2±9.9)%,每只绵羊24 h, CH₄和CO₂的平均排放量分别为15.6和184.7 g·d-1,其年排放总量约为6.8和71.1 kg,且测量的不确定性低于1%。因此该文用于反刍动物CH₄和CO₂排放的监测,实用可行、简单有效。