1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026 国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
傅里叶变换红外光谱技术可同时测量多种温室气体组分的浓度。 仪器噪声和谱线重叠效应会对光谱数据的质量产生影响, 从而影响各组分反演浓度的结果。 针对上述问题, 使用不同数量的主成分对时序测量光谱矩阵进行重建, 并将重建光谱矩阵与原始光谱矩阵之间的欧式距离和余弦距离作为动态选择主成分数量的判据, 重建时序测量光谱, 从而提高时序光谱数据的质量。 采用该方法分别对数值仿真光谱、 标准气体测量光谱和外场实验测量光谱进行了处理。 结果表明, 叠加0.001 RMS噪声的数值仿真光谱经过光谱重建后, 光谱的结构特征未明显改变, 重建光谱与原始光谱之间的残差标准差为4.191×10-4, 有效降低了测量光谱中噪声的影响。 采用该方法对标准气体的平均测量光谱进行了重建, 并比较了重建光谱与平均光谱的反演浓度精度。 1 min平均测量光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.24 μmol·mol-1、 CH4: 5.24 nmol·mol-1、 N2O: 2.92 nmol·mol-1和CO: 4.72 nmol·mol-1; 5 min平均测量光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.18 μmol·mol-1、 CH4: 2.30 nmol·mol-1、 N2O: 1.03 nmol·mol-1和CO: 1.53 nmol·mol-1; 1 min重建光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.17 μmol·mol-1、 CH4: 2.97 nmol·mol-1、 N2O: 0.72 nmol·mol-1和CO: 1.40 μmol·mol-1; 5 min重建光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.15 μmol·mol-1、 CH4: 1.74 nmol·mol-1、 N2O: 0.29 nmol·mol-1和CO: 0.97 nmol·mol-1。 利用重建光谱进行反演能够显著提高气体反演浓度的精度, 5 min重建光谱反演浓度的精度结果能够达到WMO/GAW的扩展测量精度要求。 在外场实验中, 1 min重建光谱反演CO2得到的浓度与1 min平均光谱反演得到的CO2浓度的相关系数可达到89.40%。 综合分析可知, 对FTIR时序光谱数据进行主成分动态选择不仅降低了时序测量光谱中噪声的影响, 而且有效保留了时序测量光谱的特征变化信息。
傅里叶变换红外光谱 主成分分析 光谱降噪 温室气体 FTIR Principal component analysis Spectral noise reduction Greenhouse gas 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2313
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
工业园区中边界污染气体的浓度不仅受工业园区无组织污染源的排放影响, 也受园区道路机动车尾气的扩散影响。 利用AG-FTIR-DA3000型开放光程傅里叶变换红外光谱（Open-FTIR）测量系统, 对厂区边界污染气体进行实时在线测量, 确定污染气体厂界实测浓度。 同时, 针对机动车尾气扩散影响厂区边界污染气体浓度的问题, 通过AG-FTIR-DX4000型便携式傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量系统, 确定不同排放标准下机动车尾气污染源浓度。 利用便携式FTIR测量结果、 风速风向、 大气稳定度、 车流量等变量因素建立参考坐标, 给出了高斯扩散的数理模型。 并结合Open-FTIR, 对Open-FTIR的测量路径进行积分计算并构建点线源扩散模型, 从而建立各种排放标准的烟团线源扩散表。 将Open-FTIR实测浓度与构建的点线源扩散模型模拟浓度相结合, 分析工业园区边界污染气体的来源。 结果表明: 厂区边界污染气体主要包括一氧化碳、 甲烷、 乙烯、 乙醛、 丙烯、 甲醇、 丙醛、 异丁烯、 甲醛、 二氧化硫, 其中一氧化碳、 甲烷、 乙烯浓度受机动车尾气的扩散影响。 早晚高峰期时, 机动车尾气的扩散对边界污染气体浓度影响较大; 非高峰期, 在1:00时与4:00—6:00时浓度骤升, 出现高浓度点, 不符合机动车尾气模型排放规则, 主要受园区排放影响。 其最高浓度与集中浓度分别为: 5.50与4.00 mg·m-3; 1.85与1.60 mg·m-3; 78.00与40.00 μg·m-3。 对比扩散表, 符合尾气扩散浓度分布结果。 其他测量结果组分的最高值和平均值依次为: 1.65与1.40 mg·m-3; 2.60与1.27 mg·m-3; 43.53与11.40 mg·m-3; 310.23与839.05 μg·m-3; 76.32与38.96 μg·m-3; 47.70与25.20 μg·m-3; 1.33与1.16 mg·m-3。 该研究不仅实现了工业园区边界多组分污染气体的实时在线测量, 同时结合外场环境及便携式FTIR测量结果实现了边界污染气体浓度的混合测定。 为今后对工业园区边界污染气体的来源判断提供了一种分析思路。
厂区边界 机动车尾气 扩散模型 Factory boundary VOCs VOCs FTIR FTIR Motor vehicle exhaust Diffusion model 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3762
中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
被动傅里叶变换红外(FTIR)扫描遥测成像系统采集的红外高光谱图像具有空间、 光谱等维度信息, 可被用于大气环境中有毒有害气体的识别、 定量及可视化。 该系统具有光谱分辨率高、 非接触式及远距离探测等优点, 然而其单帧图像的像元数量少且部分存在气体吸收或发射特征, 无法直接用于红外高光谱图像的目标检测。 提出了基于多帧背景的泄漏气体自适应匹配滤波(AMF)检测方法, 以短时间内、 同一区域的多帧红外高光谱图像为基础, 筛选出无目标气体特征的背景光谱并计算探测区域的背景最大似然估计, 应用于后续帧的目标气体泄漏检测。 红外高光谱图像来自于SF6气体的遥测实验, 共扫描四帧(120像元/帧), 去除前三帧内含有目标气体特征的像元光谱, 剩余背景光谱被用于计算背景的最大似然估计, 第四帧红外高光谱图像逐像元对SF6气体进行的AMF检测, 并与非线性最小二乘法反演的SF6柱浓度图像比对, 结果表明AMF检测高值与柱浓度高值有较强的相关性。 为验证多帧背景在不同空间检测方法下的性能, 分别对该帧数据进行了基于正交子空间的自适应子空间检测(ASD)、 基于混合空间的自适应余弦检测(ACE)及基于斜子空间的最大似然比检测(OGLRT), 并分别与SF6柱浓度图像比对, 结果表明多帧背景适用于不同空间的检测方法。 此外, 为验证存在目标气体吸收特征的非背景光谱对背景空间的影响, 向背景空间中加入多条含有SF6气体吸收特征的光谱, 通过ROC曲线检验, 结果表明背景空间中混入目标气体特征会降低AMF方法的检测性能。 AMF检测值的假彩色图像也能应用于被动FTIR扫描遥测成像系统, 相较于柱浓度假彩色图像, 泄漏源及扩散趋势更为明显。 基于红外高光谱图像的检测方法依赖于整体背景的统计特性, 相较于单像元光谱波段的反演算法, 极大地降低了背景的依赖性。 多帧背景下的AMF泄漏气体检测方法能很好地应用于被动FTIR扫描遥测成像系统上并满足在线监测要求。
傅里叶变换红外光谱技术 扫描遥测 气体泄漏 自适应检测 FTIR Scanning remote sensing Gas leakage Adaptive detection 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3307
1 武汉理工大学 土木与建筑工程学院, 武汉 430070
2 河南工程学院 安全工程学院, 郑州 450000
3 广西民族大学 建筑工程学院, 南宁 530006
4 武汉工程大学 资源与安全工程学院, 武汉 430073
5 湖北兴发化工集团有限责任公司, 兴山 443700
在地下矿产资源开采和地下空间群及隧道开挖过程中, 钻爆施工具有无法取代的优势, 然而地下既有开挖空间受近区开挖爆破动荷载的影响也不容忽视。为提高钻爆开挖后地下空间围岩安全、稳定以及优化开挖爆破方案, 结合某磷矿采掘巷道特征, 采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建模计算既有巷道在不同距离爆源(爆源距离巷道距离分别为10 m、14 m、18 m、22 m)巷道的顶板、底板、巷帮动力响应分布。计算结果表明: 既有巷道断面近区岩石的破坏以拉应力破坏为主, 压应力起辅助破坏作用; 相邻巷道的合理布置范围在14~18 m范围之内, 有效保证采场结构的安全稳定; 倒梯形断面有助于爆炸应力波的引导和发散, 同时也有助于提高既有巷道的安全稳定。
磷矿 动荷载 近区爆破 倒梯形断面 采掘巷道 phosphate ore dynamic load near-zone blasting inverted trapezoidal section mining roadway
强激光与粒子束
2021, 33(12): 123010
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司石油石化污染物控制与处理国家重点实验室, 北京 102206
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。
页岩气 甲烷 红外反演 浓度 排放速率 Shale gas CH4 Spectral inversion Concentration Emission rate 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3717
1 贵州大学物理学院, 贵州 贵阳 550025
2 中国科学院高能物理研究所, 北京 100049
3 湖北泰晶科技股份有限公司, 湖北 随州 441300
对基于半导体光放大器交叉增益调制效应的全光波长转换后的信号啁啾特性进行了分析。通过数值模拟方法研究了归零码和非归零码经过波长变换后的啁啾及波形变化特征,并研究了两种码型信号的啁啾与光功率、信号速率、波长、信号光消光比、码元波形参数、半导体光放大器偏置电流的关系。结果表明,当码元数量较少时,归零码与非归零码相比,信号会有更大的啁啾;上升沿(下降沿)占比小于10%信号周期时,转换光波形均会出现明显的过冲(下冲)现象,过冲(下冲)导致了转换光的啁啾峰值大于啁啾谷值;增加偏置电流会缓减过冲现象,同时会增加交叉增益效应,偏置电流在不同阶段对啁啾的影响效果是不同的;增大数据传输速率会使载流子浓度的变化加快,导致啁啾峰值(谷值)增加。光注入下增益峰值红移会使转换光啁啾对参考光波长和信号波长具有敏感性;消光比的变化也会改变半导体光放大器中的载流子浓度,进而影响转换光啁啾;增大参考光功率或者降低信号光功率能够导致啁啾降低。研究结果对基于半导体光放大器交叉增益调制效应的全光波长转换系统的实用化具有重要的意义。
光学器件 半导体光放大器 交叉增益调制 波长变换 啁啾 归零码 非归零码 光学学报
2021, 41(24): 2423001
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
开发了一种基于太阳跟踪方法用于测量大气污染气体成分的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱系统, 该系统由太阳跟踪器、光路传输部分、光谱仪组成。设计了一种正交反射镜系统用于收集太阳光, 利用小孔成像原理实现太阳跟踪, 保证跟踪光路与测量光路同轴。推导了跟踪旋转时位置探测器 (PSD) 上光斑轨迹的理论计算公式, 用于指导 PSD 算法。该系统的工作波段为 600 ～ 5000 cm－1, 分辨率为 0.5 cm－1。利用光学软件 Zemax 分析了用于汇聚干涉光束的抛物镜焦距对干涉条纹的影响, 确定抛物镜焦距值为 52.5 mm, 满足系统指标的入射光的最大倾斜角为 0.118°, 给出了 PSD 的测量精度和系统跟踪精度的技术指标。并利用搭建的实验平台进行了初步户外实验, 验证了系统的合理性。
光谱学 太阳光谱 太阳跟踪 光学设计 傅里叶变换 光斑轨迹 spectroscopy solar spectrum sun tracking optical design Fourier transform spot trajectory
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重 点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
将变量选择方法中 SFS、LASSO 和 Elastic Net 三种不同方法与广义交互验证准则相结合, 实现对 FTIR 光谱气体成分变量的初步筛选, 再采用循环迭代 CLS 方法对初步筛选的变量中浓度小于 0 的成分进行循环剔除, 然后根据变量在测量向量中的方向占比对选择的变量进行精选, 最终得到目标气体成分。为了验证各识别算法的识别性能, 分别进行了 CH4 和 SF6 外场排放实验, 两组实验结果表明建立的识别算法应用于气体目标识别的效率高、识别准确率高, 且能够识别出干扰成分 H2O。此算法为被动 FTIR 技术在危险气体泄露预警监测中的应用提供了方法基础。
光谱学 气体识别方法 变量选择技术 光谱分析 spectroscopy gas identification method variable selection method spectral analysis
