深度神经网络在红外光谱定量分析VOCs中的应用

鉴于浅层人工神经网络(ANN)需要依靠先验知识进行人工提取特征,同时较浅的网络结构限制了神经网络学习复杂非线性关系的能力,将深度神经网络(DNN)应用于利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对多组分易挥发性有机物(VOCs)进行的浓度反演研究,并利用仿真实验验证了算法的有效性。从美国环境保护署(EPA)的数据库中选取了包括苯、甲苯、 1,3-丁二烯、乙苯、苯乙烯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯在内的八种VOCs气体在8~12μm波长范围内的吸光度谱,每种气体有四种不同浓度下的谱线,依据Beer-Lambert定律从每种VOCs气体中选择一种浓度下的吸光度谱进行混合,得到65 536种不同的VOCs混合气体吸光度谱样本。随机选择5 000组混合气体的吸光度谱,其中4 000组作为训练样本, 1 000组作为预测样本。通过积分提取和主成分提取对光谱矩阵进行降维预处理,将光谱维度从3 457维降到30维。将光谱矩阵经过预处理后得到的新矩阵作为网络输入,对应八种VOCs的浓度矩阵作为输出,建立了30-25-15-10-8的深度神经网络回归预测模型来实现多组分VOCs浓度反演,反演得到样本的均方根误差为0.002 7×10-6,相比于前人利用非线性偏最小二乘拟合、人工神经网络等方法拟合的精度有了明显的提高。每种VOCs气体的均方根误差均不超过0.005×10-6,每个样本的均方根误差均不超过0.006×10-6,证明了深度神经网络预测模型具有良好的非线性拟合能力和良好的稳定性。当训练样本不足(典型值:小于500)时,深度神经网络无法充分地学习,网络误差较大,精度低于单隐藏层的人工神经网络,但随着训练样本数量的增加,深度神经网络的精度不断提高,当训练样本数充足时,相比浅层的人工神经网络,深度神经网络具有更强的非线性关系学习能力,预测精度更高,模型更为稳定。同时,由于训练前对光谱矩阵进行了降维处理,大大降低了算法的复杂度,有效提高了反演效率。分析表明,深度神经网络预测模型具有良好的非线性拟合能力和良好的稳定性,无需人工提取特征就能够充分学习数据特征,同时对多组分VOCs进行浓度反演并达到较高精度。     

不同矿化剂对水热法合成ZnO晶体形态的影响

研究了在350℃,填充度为35%时,分别以不同浓度的NaOH和KOH为矿化剂,合成具有不同晶体形态的氧化锌晶体。当以KOH为矿化剂,浓度小于2 mol.L-1时,只能合成出微米级晶体,随着矿化剂浓度增加,开始出现大的晶体,最大晶体的长度为50~100μm;如以NaOH作矿化剂,当矿化剂浓度为2 mol.L-1时,即可以合成出个体较大的晶体长度,最大晶体的长度达到100μm。提高矿化剂浓度,有利于合成个体更大的晶体,其长度远远大于以KOH作矿化剂时的晶体长度,最长为200~300μm,证实在350℃,以NaOH作矿化剂比KOH更易获得个体较大的晶体。     

外界核心对喷管内水蒸气凝结流动的影响

建立了考虑摩擦阻力的一维水蒸气超音速流凝结数学模型,对喷管内含有不同初始浓度和半径的外界核心的水蒸气超音速流凝结过程进行了数值计算。结果发现:当外界核心浓度在不同范围内时,外界核心半径对凝结有不同的影响规律;当外界核心半径在不同范围内时,外界核心浓度对凝结也有不同的影响规律;为了促进凝结的发生,要选择匹配的外界核心平均半径和浓度。选定喷管出口的液相质量分数为标准,针对计算的几种情况得出:当外界核心半径为1.0×10~(-9)m,外界核心浓度为1.0×10~(14)kg~(-1)时,对应的喷管出口处的液相质量分数最大。     

空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素

建立了不同影响因素下空间光-少模光纤耦合效率的理论模型.以两模光纤为例分析了相对孔径对耦合效率的影响,当相对孔径为0.17时,耦合效率最高为82.96%.研究了倾斜、离焦、随机角抖动等因素对少模光纤耦合效率的影响.实验测得当横向偏移量为4μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高10.23%;当轴向偏移量为125μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高11.24%;当随机抖动幅度标准差为5μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高12.1%.结果表明少模光纤对信号光接收过程中的干扰因素如倾斜、离焦和随机角抖动都有很好的抑制作用.     

基于布里渊散射光时域分析的形状传感研究

搭建了基于布里渊散射光时域分析技术的应变测量系统,采用七芯光纤作为分布式形状传感器,通过测量七个纤芯在弯曲时的布里渊散射谱,验证了七芯光纤偏芯之间每两个对称芯所受应变值相等且互为相反数的特点。对比七芯光纤中间芯与偏芯的布里渊增益谱,测得偏芯在不同弯曲半径下的布里渊频移变化,得到偏芯在每个位置受到的应变值。利用并行传输标架形状重构算法对七芯光纤在曲率直径为0.112 m和0.052 m时的形状进行了重构,当曲率直径为0.112 m时,曲率重构误差为0.375%。     

FTIR固定污染源VOCs在线监测系统

挥发性有机物(VOCs)造成了全球环境污染,给人们日常生活工作带来不利影响。对挥发性有机物进行高效准确监测成为我国大气环境治理的热点。与其他污染物气体相比,VOCs更易挥发并可以和其他污染物发生反应,其物理化学性质的复杂性对已有的检测方法提出了很高的要求。在众多的气体检测方法中,光谱检测技术以其方便快捷、检测准确等优点得到了广泛应用。傅里叶变换红外光谱(FTIR)作为光谱检测技术中重要的一员,不仅可以多通道快速检测,还可以分析上百种污染物种类并实时计算污染物浓度,解决了VOCs气体性质复杂带来的困扰。开展了固定污染源VOCs在线监测系统的研制,整套系统基于傅里叶变换红外光谱,干涉仪出射的红外干涉信号被10 m光程的气体池中的目标气体吸收后进行傅里叶变换,得到含有气体特征吸收峰的红外光谱;将红外光谱与标准谱库的数据进行对比分析即可实现对目标气体的种类鉴定和浓度测量。系统覆盖650～4 000 cm-1光谱范围,由于大多数VOCs在中红外指纹区具有相对独立的吸收峰,因此可实现对多种气体的分析检测。光谱分辨率为1 cm-1,浓度检测范围为1.6～319.47 mg·m-3(以苯为例)。系统对甲苯、丙酮、乙酸乙酯等十几种VOCs进行分析测试,得到不同气体的红外光谱图,与标准数据库吻合得很好,并且可以根据不同气体的吸收峰对其进行区分。为了得到气体的准确浓度,需要对仪器进行标定。为降低气体在气体池内腔和反射镜上的吸附并控制水蒸气含量,加入温控系统对气体池温度进行实时监测。实验中通入不同浓度的二甲苯标准气体,利用五点标定法得到分析浓度与标准浓度之间的关系,分析浓度的相对偏差小于0.06%。为验证系统在实际工作场景下的性能,选取某喷涂车间,对喷漆过程中溶剂和稀释剂挥发形成的VOCs污染进行一周的监测,得到苯、甲基乙基酮、异丙醇以及乙酸乙酯四种主要污染气体的浓度变化。设定浓度安全阈值为安全作业提供参考。从长时间测试数据分析,系统平均无故障时间(MTBF)长达1 000 h,可长时间稳定可靠地实时监测。     

不同风速下侧向散射激光雷达的回波信号分析

对不同风速条件下,CCD侧向散射激光雷达的回波信号进行了分析.根据Mie散射原理及侧向散射激光雷达工作原理,确定了大气气溶胶浓度与激光雷达侧向散射光强的相关性;进一步考虑气溶胶浓度与风速的关联,利用实验装置获取了激光雷达侧向散射光强与风速的关系,分析了不同风速条件下侧向散射激光雷达的回波信号.在轴流风机以及自然风两种条件下进行对比实验发现,当风速范围在1~4.5 m/s时,侧向散射光强随风速的增加而增加;当风速范围在4.5~6.0 m/s时,光强随风速的增加较少.对实验结果归一化处理,得到风速范围在1~4.5 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强在轴流风机及自然风的实验条件下分别增加了3.7%和3.9%;风速范围在4.5~6.0 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强分别减少了3.1%和3.8%,在自然风况的各个风向上都基本符合这一变化趋势.     

拓扑材料γ-PtBi2的变温晶体结构研究

利用X射线衍射（XRD）、角分辨光电子能谱（ARPES）和能带计算的方法研究了不同温度下γ-PtBi₂的晶体结构。利用单晶XRD确定了室温下晶体的结构为P31m。为了确定低温时样品的晶体结构,用ARPES测得了样品的电子结构并与计算结果进行了对比,结果显示样品的结构与P31m相吻合,这表明在低温时样品依然保持P31m结构。进一步的高温XRD研究表明,在高温时样品的晶体结构仍为P31m结构。     

柯衣定表面增强拉曼光谱及其在饮料检测中的应用研究

制备银溶胶作为表面增强活性基底,以此为基础详细研究了柯衣定的表面增强拉曼光谱(SERS)。选择1000cm-1处的拉曼特征峰作为研究对象。研究了氯化钠作为促凝剂时的增强效果。测得不同浓度下柯衣定水溶液的SERS。结果表明,当柯衣定水溶液浓度低至10-8 g/mL时,依然可以得到明显的拉曼光谱信号。将这种柯衣定的检测方法应用于饮料样品的检测之中,当柯衣定的浓度为10-8g/mL时仍可检测出SERS信号。此种方法操作简便快捷,无需对样品进行预处理,在饮料中柯衣定的快速检测方面具有很大应用潜力。     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的数值模拟

钢筋混凝土在动态冲击下表现出与静态加载不同的结构响应,且破坏模式更为复杂。在钢筋三折线本构模型中引入应变率效应,利用ABAQUS显式动力分析模块,对钢筋混凝土梁在不同高度冲击下的结构响应进行了数值模拟。得到的冲击力和跨中挠度时程曲线与实验结果吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,研究了配筋率分别为2.56%、2.66%和2.76%时,钢筋混凝土梁在不同冲击速度下的结构响应。结果表明:增大配筋率能够提高梁的承载能力;随冲击速度的增大,配筋率对梁抗变形能力的增强效果逐渐减弱;当冲击速度为4.85m/s时,配筋率对梁破坏模式的影响微弱;当冲击速度大于4.85m/s时,随配筋率的减小,破坏模式由剪切破坏转变为弯曲破坏。     

大尺度区域水汽浓度激光检测方法的研究

为了实现大尺度区域下大气中水汽浓度的高灵敏度、高精确性、快速响应检测,与遥感反演的数据进行校正,采用了TDLAS直接吸收技术结合开放式监测的方法。选择水汽分子在1.27 μm附近的单根吸收谱线为目标谱线,设计了大尺度区域水汽激光检测系统。结合多次反射池验证了系统性能,40 m光程下极限灵敏度为14.803 mmol·mol-1。利用本系统在中国科学院禹城综合试验站完成了1 420 m光程下的连续外场实验,系统工作稳定,并与同场地涡度相关观测系统中的气体分析仪LI-7500的测量数据进行了对比,数据一致性较好。为在复杂野外非均匀下垫面的水汽浓度变化的监测提供新方法。     

利用挥发物红外光谱鉴别牛肉变质状态

牛肉在运输过程中极易受到微生物的感染而变质,对牛肉变质的监测十分重要。我们利用长光程FTIR光谱检测牛肉变质时产生的挥发性物质。证明了牛肉在变质过程中产生的主要挥发性物质是氨气和二氧化碳。并定量分析牛肉变质产生的氨气和二氧化碳的变化规律,以判断牛肉的状态。采用主成分分析法(PCA)实现对挥发性物质的红外光谱分类,进而可以准确的区分新鲜和变质的牛肉。我们采用化学计量学方法软独立建模聚类分析法(SIMCA)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)对特征波段内的光谱进行分类,两种方法具有很好的判断率。结果表明长光程FTIR结合化学计量学方法能够区分新鲜和变质的牛肉。     

差分吸收光谱技术监测大气气溶胶粒谱分布

介绍了利用双光路差分吸收光谱(DOAS)技术监测大气气溶胶并反演其粒谱分布的新方法.该方法解决了DOAS技术中光源绝对光强难以测量的难题，去除了由于光源自身波动造成的影响，在250—650nm范围内成功的反演出气溶胶的消光系数以及0.1—1.75μm谱段的粒谱分布.通过与光学粒子计数器的对比实验证实该方法的可行性. 关键词： 差分吸收光谱 双光路 气溶胶 粒谱分布     

An approach of open-path gas sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a new method to detect trace-gas qualitatively or quantificationally based on the scan characteristic of the diode laser to obtain the absorption spectroscopy in the characteristic absorption region. A time-sharing scanning open-path TDLAS system using two near infrared distributed feedback (DFB) tunable diode lasers is designed to detect CH4 and H2S in leakage of natural gas. A low-cost Fresnel lens is used in this system as receiving optics which receives the laser beam reflected by a solid corner cube reflector with a distance of up to about 60 m. High sensitivity is achieved by means of wavelength-modulation spectroscopy with second-harmonic detection. The minimum detection limits of 1.1 ppm·m for CH4 and 15 ppm·m for H2S are demonstrated with a total optical path of 120 m. The simulation monitoring experiment of nature gas leakage was carried out with this system. According to the receiving light efficiency of optical system and detectable minimum light intensity of detection, the detectable optical path of the system can achieve 1 - 2 km. The sensor is suitable for natural gas leakage monitoring application.     

多次反射池FTIR光谱法的臭氧浓度反演及其相关性分析

同温层臭氧对人类起保护作用,地面臭氧对人类健康是有害的,能够对它进行多途径多方法监测对于了解臭氧分布和变换规律以及控制污染排放有积极作用.文章利用多次反射式怀特池傅里叶变换红外光谱仪测得傅里叶变换红外光谱,使用非线性最小二乘算法对它们进行反演,准确得到了臭氧浓度.将测得的臭氧浓度结果与开放光路紫外差分光谱仪以及热电公的...     

针对水质监测的紫外-可见光谱双光程融合优化算法

紫外-可见光谱法多参数水质在线监测系统面对复杂水体时,常需要频繁改变探头光程以保持光谱较高的信噪比。然而,适合的光程往往需要大量实验才可确定,难以满足在线监测系统对实时性、精度、灵敏度、稳定性等的实际需求。研究了一种紫外-可见光谱双光程融合优化算法,将同时采集的长短两种光程光谱使用了滑窗法估计它们光谱噪声方差分布,确定光谱强噪声区间;由于长短光程光谱的信号强度不同,使用了遗传算法计算得到双光谱融合的最佳增益匹配倍率;最后,按噪声方差分布使用分段加权方式得到较高信噪比的双光程融合光谱。实验结果表明,利用该法对重庆长寿湖水样、嘉陵江某排污口及邻苯二甲酸氢钾标准溶液三种样本进行测试,其融合光谱在200～250 nm区域的强噪声得到抑制,零值干扰左推至220 nm之前,样本的峰值信噪比均有显著提高,证明了算法的有效性和普适性。该算法无需大量实验以获得最佳光程,对于拓宽紫外-可见光谱水质在线监测系统的应用范围具有较为重要的现实意义。     

基于页岩气返排液中甲烷浓度及排放速率的红外光谱反演研究

随着页岩气的开发,传统的手持式甲烷测量仪无法继续应对复杂的开采工况。针对页岩气开发过程中温室气体甲烷的浓度及排放速率难以实时在线监测的问题,利用自主设计并搭建的开放光程傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量系统,对页岩气开采过程中各种工况下返排液进行实时在线测量。其中FTIR分辨率为1 cm-1, 光程为50 m,红外光源通过返排液正上方被光谱仪接收。对测量所得的红外光谱进行多次平均,提高光谱质量并进行反演计算。从HITRAN数据库中提取甲烷特征吸收截面,考虑环境与仪器等影响,对测量温度进行修正,选取合适的吸收波段,与水汽的吸收截面进行吸收峰叠加,合成标准光谱。使用最小二乘法对实测光谱与标准光谱进行拟合,从而反演出甲烷浓度。并根据返排液排放速率,结合光路通过返排池的距离及红外光谱反演浓度,对页岩气开采过程中甲烷排放速率进行计算。结果表明：不同开采工况下,光谱反演浓度呈明显起伏变化。更换三项分离器时,甲烷浓度有明显上升;在点燃火炬时,甲烷浓度持续低值;其红外光谱反演浓度符合页岩气开采过程中甲烷排放情况。改变测量光谱平均次数,对返排液甲烷进行单位小时和连续80小时测量并分析。在单位小时内,甲烷浓度在100～800 μmol·mol-1范围内呈现明显起伏变化;甲烷的排放速率在50～300 m3·h-1内波动。对返排液进行80小时连续测量,甲烷浓度最大值为936.4 μmol·mol-1,其最大排放速率达到535.1 m3·h-1;最低值为36.82 μmol·mol-1最小排放速率为18.63 m3·h-1。反演数据结果说明：在页岩气开发过程中,其返排液为一个无组织甲烷排放源,且排放速率在短时间内变化十分明显。红外光谱反演浓度和传统手持式甲烷测量仪测量结果具有较好一致性,相关系数为0.743 6。相对于传统手持式甲烷测量仪器,红外光谱反演法具有响应速度更快,非接触远距离,实时在线测量等优势。     

一种基于离轴椭球面的小光程差波面整形系统

为了实现空间中一定距离的近似等光程光束传输,设计了一种包含离轴椭球面反射镜的波面整形系统。基于几何光学与初级像差理论,结合Zemax光学设计软件,分析了椭球面反射镜圆锥系数、离轴量对像面处光程差的影响;设计了平面-椭球面反射镜和双椭球面反射镜2种光学结构的波面整形系统,并比较了2种结构的公差。分析结果表明:平面-椭球面反射系统和双椭球面反射系统均实现了空间中1 m距离的光束传输,且2种结构系统在3 mm物高视场和孔径角为6°条件下,各视场光瞳之间的光程差分别为0.14 mm和0.04 mm,因此,双椭球面反射结构整形效果优于平面-椭球面反射系统,但双椭球面反射结构对公差的敏感度更高。     

Remote sensing of mass fluxes of trace gases in the boundary layer

The combination of remote sensing methods like Doppler lidar and FTIR offers the possibility to determine mass fluxes of gases remotely. Doppler lidar measures the three-dimensional wind vector in the vicinity of diffuse sources or the velocity of air in a chimney plume if an industrial complex is monitored. FTIR is a multi-component remote sensing method for gas concentrations. The Fourier transformation of an interferogram of a Michelson interferometer within a FTIR system converts the recorded intensity (function of optical path length) to a spectral signal (function of wavenumber). Both information, velocity and concentration, give the mass fluxes of the tracer (gas). A first test was performed at Munich-North power station with FTIR and cw-Doppler lidar. Fluxes of CO₂, CO, NO, and HC1 were determined. The results are in good agreement with the fluxes measured by in-situ instruments of the power station. The method can be used to control industrial complexes from an outside observation site.     

塑料挥发物长光程FTIR测量方法

塑料产品除了在自然环境中可降解为微塑料污染环境之外,还会产生挥发性有机物,同样对环境造成巨大的污染和危害,因此对塑料挥发物的测量就显得尤为重要。目前传统挥发物的测量方法,如环境质谱法和色谱法等,存在测量过程复杂,成本高,无法实时测量等缺点,因而需要一种快速有效的针对塑料挥发物的测量方法。采用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectrometer,FTIR Spectrometer）结合怀特池对塑料挥发物进行测量,但是由于抽取式傅里叶变换红外光谱仪本身灵敏度有限,很难实现微量的塑料挥发物的测量,所以针对这一问题,尝试通过长光程气体池提高常规傅里叶变换红外光谱仪的灵敏度从而实现不同种类塑料挥发物的测量。选取了5种塑料产品,分别是低密度聚乙烯（LDPE）,高密度聚乙烯（HDPE）,聚乙烯（PE）,聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）,聚丙烯（PP）,利用光程长为20 m的怀特池结合傅里叶变换红外光谱仪实现了其中一些挥发物的光谱特征观测,实验观察到所有种类的塑料在2个光谱波数段具有明显的光谱特征,分别为800~850和1 050~1 150 cm-1。除聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）外,其余4种塑料挥发物在2 800~3 000 cm-1还存在明显的光谱吸收波段。进一步又研究了不同温度条件下塑料产生的挥发物,通过分析不同温度条件下的塑料产生的挥发物的红外光谱,发现除低密度聚乙烯（LDPE）在两种温度条件下光谱差异较大外,其他种类的塑料挥发物红外光谱差异较小。该研究提出了一种新型的基于长光程FTIR的塑料挥发物的测量方法,证实了其在塑料挥发物测量方面的有效性,这种方法具有测量成本低,可连续观测,实时在线等优点,为实现连续在线的塑料挥发物排放通量监测奠定了基础。