在处理拉曼雷达回波信号过程中,采用小波去噪法进行算法反演前的数据预处理,针对小波去噪的核心 问题-小波基的选择和阈值的设定提出了自适应分层阈值软门限去噪的方法,并选择了不同的小波基组 合软硬阈值对去噪结果进行了对比。经实验数据验证,相对传统的滑动平均滤波,纯粹的细节和抑制全局 阈值法,自适应分层阈值软门限在获取相同信号、保持相同能量的前提下能更好地恢复信号;在有云情况 下信号的尖峰结构也没有变化,有效地抑制了噪声,提高了细节识别度和反演精度。

天然气管道泄漏检测对人员安全、 环境保护以及国家财产安全等具有重要的意义, 但是, 由于管线跨越地域广阔, 操作工况以及环境情况复杂, 致使管线的泄漏检测存在困难。 文章介绍了一种基于波长扫描差分吸收光谱技术的移动式遥测天然气泄漏检测仪。 针对遥测回波吸收光谱特性, 提出了基于小波变换的改进型软阈值小波去噪方法, 实验分析能够提高系统信噪比3倍多, 同时在遥测光强为530 nA时, 可达到的最小遥测灵敏度为80 ppm·m, 系统采用波长扫描差分吸收光谱技术成功实现天然气泄漏的定量遥测与准确定位, 具有快速、 准确、 智能及安全等特点。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、 高灵敏度以及响应时间快等优点。 以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器为光源, 通过波长调制方法对1 578 nm附近CO2气体吸收线的二次谐波信号测量, 结合双开放光路技术, 实现对不同高度层面700多米长光程范围内CO2气体浓度的快速在线检测。 结合大口径闪烁仪测量的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度, 通过经验公式计算得到CO2气体的通量在－60～60 mg·m-2·s-1范围内波动。 实验数据与涡动相关比较表明, 两者数据整体变化趋势一致, 该方法可以获得较理想的结果。 突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的现象, 使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。

为提高氮肥利用效率，减少资源浪费，改善生态环境问题，需要对农田氨挥发进行实时在线监测。将可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术和开放式长光程技术、波长调制技术、光纤传感技术和时分复用技术相结合，设计了开放式多路氨气监测系统，在中国科学院封丘农业生态实验站进行了农田施肥后氨气质量浓度的实时在线监测。结果表明氨气质量浓度具有一定的日变化趋势，基本特点是白天高，夜晚低，主要在施肥后一周达到最大值，之后逐渐降低。该系统监测范围广、灵敏度高、响应时间快和不需气体采样，为农田环境的氨挥发连续监测提供了有效方法。

含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的重要原因, 大面积范围内二氧化碳气体通量的测量对于评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度的贡献具有重要的意义。 可调谐半导体激光吸收(TDLAS)光谱技术具有高分辨率、 高灵敏度以及快速响应等特点, 是痕量气体高灵敏快速监测的新方法。 文章以可调谐分布反馈半导体激光器作为光源, 通过波长调制方法对1.573 μm附近二氧化碳气体某一吸收线的二次谐波信号测量, 结合激光分束技术, 实现对不同高度层面700多米光程范围内二氧化碳气体浓度的快速在线检测。 结合大口径闪烁仪测量出来的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度, 通过公式计算得到一天内二氧化碳气体的通量在-1.5～2.5 mg·(m2·s)-1范围内的波动, 突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的状况, 使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。

HCl是非常重要的化工原料, 而且具有很强的腐蚀性和毒性, 对其实现在线监测不但对工业生产工艺的优化会起到重要作用, 也能有效的为环境污染提供必要的参照和数据。 可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)具有高灵敏、 高选择性、 快速响应等特点, 该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性, 通过选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰可实现待测气体浓度的快速在线检测。 介绍基于TDLAS的HCl气体检测的系统及实验, 重点研究了温度对HCl测量的影响及其温度补偿方法, 得出了一个经验公式。 最后的实验结果验证了经验公式的合理性, 进一步提高了TDLAS传感器在工业高温环境下测量气体浓度的准确性和可行性。

TracePro软件是一套用于光学系统设计与分析和照明系统设计与分析的光线追迹仿真软件,它是第一 套以ACIS solid modeling kernel为基本的光学软件。通过TracePro软件仿真了一个用于非分散红外 汽车尾气监测仪的光源准直系统和卡式球面镜收集系统,该系统可以在15 m宽机动车道上对 汽车排放尾气中HC, CO和CO2 污染物质的浓度进行监测。通过TracePro的分析,检查光 学设计中存在的缺陷与不足, 再对设计进行调整与修改,为后期的机械设计和装配调节提供参考数据。

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1.65μm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2000m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求。

研制了一套基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的开放式长光程甲烷(CH4)浓度实时监测系统, 系统采用波长调制和二次谐波探测相结合, 并利用光强归一化的方法消除光强波动对测量结果产生的影响, 实验证明采用消除光强波动的方法后使测量结果的误差小于2%。然后利用该系统在往返750 m的光程上, 对合肥市董铺岛进行了为期1周的大气CH4浓度测量, 测量结果表明董铺岛CH4浓度有明显的日变化趋势, 白天浓度低, 夜间浓度高, 日平均浓度(1.8～3.4)×10-6, 日最小值(1.8～2.2)×10-6, 日最大值(3.0～3.4)×10-6。通过分析, 可实现1～2 km范围的空气中CH4浓度的实时在线监测, 为生态系统的区域排放通量监测提供了有效的方法, 也为卫星遥感提供了可行的地面校准方法。

室温工作的连续可调谐相干光源在痕量气体检测技术中有着重要的应用价值，非线性差频方法是获得室温工作的中红外相干光源的有效途径，是对传统激光光源的重要补充。报道了一种基于差频方法的室温工作宽调谐中红外激光光谱系统，使用两台近红外半导体激光器作为种子光源，采用PPLN晶体作为非线性混频器件，结合准相位匹配技术实现了3．2～3．7 μm中红外相干光源输出，最大差频输出功率约为1 μW。对CH4基频吸收谱线的光谱检测表明，系统能够满足在中红外光谱区对气体成分进行高分辨、高灵敏、快速吸收检测的需要。