Application of α——β——γ filtering to real-time atmosphere methane concentration measurement

A real time $\alpha$--$\beta$--$\gamma$ filtering technique is applied to the monitoring of atmosphere CH可调二极管激光吸收光谱 谐波检测 物理光学 激光技术tunable diode laser absorption spectroscopy, multi-pass cell, harmonic detectionProject supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No 10274080) and the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No 2003AA641010).8/5/2005 12:00:00 AM2005-08-052006-01-19A real time α-β-γ filtering technique is applied to the monitoring of atmosphere CH4 based on a tunable diode laser spectrum system operating at 1.654μm. This technique is developed for improving the sensitivity and precision of CH4 concentration measurement with slow concentration change. The effectiveness of this technique is evaluated by performing CH4 concentration measurement and using it to monitor the varying methane level in the atmosphere. It was proved that signal noise ratio enhancement factor is 4.25. The comparison between this filter and moving average is also included in this article. It indicates the advantage of the α-β-γ real time filter.     

一个产生瞬变物种的脉冲放电/激光溅射分子束装置

建立了一套用于产生瞬变物种的脉冲放电超声分子束装置, 并以N2气为例, 对脉冲放电电压、相对于脉冲阀的时间延迟、放电频率以及气压等因素对发光特性的影响等进行了研究, 从转动谱线轮廓估算出分子束可将转动温度冷却在30 K以下.     

Spectroscopy system based on a single quantum cascade laser for simultaneous detection of CO and CO_2

A quantum cascade laser(QCL) based system for simultaneous detection of CO and CO_2 is developed.The QCL can scan over two neighboring CO(2055.40 cm~(-1)) and CO_2(2055.16 cm~(-1)) lines with a single current scan.The wavelength modulation spectroscopy( f = 20 k Hz) is utilized to enhance the signal-to-noise ratio.A white cell with an effective optical path length of 74 m is used.The calibration of the sensor is performed and minimum detection limits of 1.3 ppb(1 × 10~(-9))for CO and 0.44 ppm(1 × 10~(-6)) for CO_2 are achieved.     

Voigt线型两翼拟合非均匀流场吸光度的方法研究

在吸收光谱领域特别是可调谐半导体激光直接吸收光谱(dTDLAS)技术中, 需要精确测量吸收光谱的积分吸光度值以精确反演出流场温度、组分浓度等参数。对于非均匀流场,单光路吸收光谱测量时,由于沿测量路径的谱线展宽随流场状态的变化而变化,见诸文献的研究主要采用Voigt或Lorentz线型对吸光度曲线拟合处理或直接对吸光度曲线数值积分获取积分吸光度值,针对方法可能引入的误差进行了模拟分析,并提出Voigt线型两翼拟合吸光度的方法来获取吸收光谱的积分吸光度值,以减小拟合误差。采用流场测量中常用的H₂O作为目标气体,选取了8条具有不同低态能级的吸收线,以实验室平焰炉为原型建立两种非均匀流场模型,并通过分段法对流场非均匀性进行等效处理。分别采用Voigt线型拟合法、数值积分法和Voigt线型两翼拟合法模拟计算两模型的积分吸光度值,通过与理论积分吸光度值对比得出各方法的误差大小,从而确定出在不同的非均匀流场情况下相适应的积分吸光度值获取方法。     

多点瓦斯激光传感技术的研究

以甲烷为主要成分的瓦斯气体有易燃易爆特性,在进行高瓦斯矿采掘时极易发生瓦斯爆炸,实时监测矿井瓦斯浓度是煤矿安全预警的重要任务。利用基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的高灵敏度、高选择性、快速响应特点和光纤传感技术的抗电磁干扰、防燃防爆、可远程控制的优点实现了多点瓦斯的实时监测。分析研究了光强变化对气体浓度反演的影响,验证了I2f/I1f的方法能有效的减小监测浓度值的波动,系统瓦斯检测限<0.05%。     

气相CBr2 自由基的产生及激光诱导荧光色散谱研究

利用双层流动反应管作为束源 ,研究了F与CH2 Br2 反应生成的CBr2 和Br2 的气相激光诱导荧光色散谱 ,将得到的谱线分别指定为CBr2 的 A(0 ,13,0 )→ X(0 ,v2 ″,0 ) (v2 ″ =1～ 6 )跃迁和Br2 的 B3 Π+ u → X1Σ+ g 跃迁 ,从光谱中首次得到气相CBr2 自由基基态弯曲振动频率ν2 ″ =2 15cm-1,实验确认了CBr2 自由基和Br2 是F +CH2 Br2 过程多步反应的产物     

开放光程TDLAS系统对北京城区NH3浓度的连续检测

氨气是大气酸性成分的主要中和剂,是影响区域空气质量、大气能见度以及酸性沉降的重要因素。研制了基于开放光程近红外可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术的大气NH3浓度连续监测系统,并对北京城区大气NH3浓度进行了两个星期的连续检测。检测结果表明,北京城区大气具有较高的NH3浓度,且具有明显的日变化周期特征,基本特点是白天浓度低,夜晚浓度高且变化相对平缓。相关性研究表明,非农业排放源,特别是城市交通的机动车尾气排放是北京城区大气NH3的主要来源。     

可调谐半导体激光吸收光谱法对高温甲烷的测量研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种具有高灵敏度、高分辨率、快速检测特点的气体检测技术,已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。研究了利用TDLAS技术测量高温下甲烷浓度的实验方法,使用可加热的静态吸收池对在1653.72nm波长附近R(3)支转动跃迁的吸收线进行了测量,并计算了吸收线强。分别在相同温度不同浓度和相同浓度不同温度的两种条件下进行了实验。结果表明,利用直接吸收的方法,在实验室可以得到370K时的最小可探测限为100×10-6,500K时的最小可探测限为245×10-6(吸收池长度为10cm),可以应用在燃烧控制及喷焰气体浓度测量等多个领域。     

基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究

天然气泄漏直接导致能源浪费和环境污染,造成重大经济损失。以可调谐半导体激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法具有精度高、选择性强、响应速度快以及远距离遥测等优点,使其成为天然气站场以及天然气输运管道在线监测的理想方法。可调谐半导体激光吸收光谱与谐波探测相结合,设计了一套开放式长光程的用于天然气泄漏监测的实验系统。它以中心波长为1.65 μm的分布式反馈InGaAS激光器为光源,利用实心角反射器,在发射端以菲涅耳透镜为光学接收系统,把反射回来的光聚焦到InGaAs探测器。同时,在测量过程中,考虑到光强变化对浓度的影响,并通过归一化光强的方法进行消除,使光强波动引起的误差小于1%。在320 m的光程下模拟管道泄漏实验,系统的检测灵敏度为0.1(10-6体积比),根据光学系统收光效率以及探测器的可探测性能进行分析的最小光强,计算得到该系统可探测的光程可达2 000 m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求。     

可调谐二极管激光吸收光谱氧气测量中的导数光谱处理与浓度反演算法研究

氧气是发动机燃烧过程的必需成分,在飞行器进气道进行氧气监测需求迫切。针对飞行器上的工程要求和应用特点,设计了一种波长线性扫描可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)短光程系统结合有限冲击响应(FIR)滤波二阶导数谱算法的方案完成了氧气吸收微弱信号的提取和浓度反演。根据TDLAS工作原理和吸收信号特征,对二阶导数谱用于气体浓度反演的理论依据进行了推导,在此基础上提出一种基于FIR的数字滤波方案来完成吸收信号的噪声滤除和二阶导数谱的提取。实验结果证明,该方案简单易行,提高了检测信噪比,降低了检测限,浓度反演结果准确、线性良好。