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
2 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光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 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中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院，河北 廊坊 065000
针对石油化工、煤矿安全等领域对气体浓度宽量程检测的需求，对波长调制光谱检测气体浓度时的非线性特征进行了研究，提出仅用波长调制方法实现气体浓度的宽动态范围测量。该方法根据激光吸收光谱技术原理，对吸收项及其泰勒展开式进行分析，在小吸收度时采用线性近似，在大吸收度时采用三次多项式近似。并且使用甲烷气体（CH4）作为实验对象，搭建了CH4检测系统，验证了该方法在气体浓度宽量程检测方面的可行性。经过实验验证，该方法能够实现4个数量级大跨度范围（1.5×10-6~10000×10-6）的CH4检测。对阈值为1000×10-6（在3 m有效光程下吸收度为0.0236）以下和以上的气体体积分数分别进行检测，反演浓度和标准浓度之间均表现出良好的相关性，拟合优度均大于0.999。另外，在吸收度大于0.0236的范围内，该方法的最大测量相对误差为0.93%，绝对误差为-92.1×10-6。为了验证其稳定性，对体积分数为5000×10-6（吸收度为0.118）的CH4进行长时间测量，并统计其反演浓度的高斯分布，经过计算得到其半峰半宽为15.9×10-6。实验证明该方法突破了传统波长调制光谱只能测量低浓度的局限，在宽量程检测中获得了良好的检测结果，为气体浓度宽量程检测提供了一种新思路，同时也大大拓宽了波长调制光谱的应用范围。
光谱学 波长调制光谱 非线性特征 甲烷气体（CH4） 宽量程检测
国家能源集团广东电力有限公司，广东 广州 510000
基于波长调制激光吸收光谱(WMS)技术的气体浓度测量系统是燃煤电厂氨逃逸监测的主要手段。调制深度的选择是影响波长调制激光吸收光谱测量信噪比的关键, 设计NH3分子吸收光谱调制参数优化的数值仿真试验, 研究发现在200 ℃伴热条件下, WMS测量系统的最优调制深度为0.238 8 cm-1。在-20~500 ℃的宽温度范围内, 随着温度的提高, 最优调制深度接近线性的降低, 最优调制深度am与摄氏温度T之间的关系可以用公式am=0.291 8-3.265 14×10-4T+2.282 14×10-7T2精确地描述, 该结果对燃煤电厂氨逃逸监测系统的调制参数优化具有重要的指导意义。
氨气 燃煤电厂 波长调制光谱 参数优化 ammonia coal-fired power plant wavelength modulation spectroscopy parameter optimization
1 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室，吉林 长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，吉林 长春 130012
制备了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的梯形光波导甲烷传感器，采用片上波长调制光谱技术，开展了气体检测实验，将仿真结果与实验结果进行了对比，证明了基于波长调制光谱的仿真模型的准确性。狭缝波导是常用的非悬浮波导气体传感器结构，优化了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的狭缝波导传感器结构，外限制因子达到了42%。根据实验测试得到的噪声幅值，理论研究了狭缝波导气体传感器和波长调制光谱技术结合的性能，分析了环境压强和工艺误差对狭缝波导气体传感器性能的影响。本工作为基于波长调制光谱的片上气体传感器的设计提供了指导。
光波导 波长调制光谱 片上集成 光波导传感器 气体传感器 光学学报
2023, 43(18): 1899913
1 长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
在近红外区域，利用波长调制光谱技术进行气体浓度检测时，光学元件以及电子器件的噪声会影响二次谐波信号的信噪比。为了抑制噪声，提出一种基于经验模态分解、去趋势波动分析和小波自适应阈值的复合降噪算法。该算法针对传统经验模态分解降噪算法中存在的有用信号缺失的问题，利用去趋势波动分析优化对于信息主导本征模函数的筛选，将筛选出的信息主导本征模函数进行信号重构，再用小波自适应阈值算法提高降噪精度。将提出的算法与经典的降噪算法进行对比评估，提出的算法降噪后的二次谐波信号与原二次谐波信号的互相关系数为99.9018%，均方根误差为0.0087%。通过对实验中实际得到的二次谐波信号进行去噪，结果表明提出的算法去噪效果明显，能够保留有用的信息点。
光谱学 波长调制光谱技术 二次谐波 经验模态分解 去趋势波动分析 小波自适应阈值函数 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0730001
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 光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
5 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 中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
针对可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时，遇到的高精度、宽动态范围需求，采用时分复用的方法，将直接吸收光谱技术（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spec-troscopy, WMS)技术的优势相结合，完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号，用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算，通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点，实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下，通过实验分别对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度进行检测，确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm−1。系统对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5000×10−6和0~1000×10−6，其最小体积浓度检测限分别为2.27×10−4、0.21×10−6、1.68×10−6，且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明：该方法能够满足工业现场实际应用的需求，有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 直接吸收光谱 波长调制光谱 宽动态范围 tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) direct absorption spectroscopy (DAS) wavelength modulation spectroscopy (WMS) wide dynamic range 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220284
Author Affiliations
Abstract
1 Fujian Key Laboratory of Ultrafast Laser Technology and Applications, School of Electronic Science and Technology, Xiamen University, Xiamen 361005, China
2 Wireless & Optoelectronics Research & Innovation Centre, Faculty of Computing, Engineering & Science, University of South Wales, Wales CF37 1DL, UK
Conventional wavelength modulation spectroscopy (WMS) is vulnerable to the influence of low-frequency noise. Accuracy of the method highly depends on the performance of the costly lock-in amplifier. In this article, we report a new and effective method for reconstructing second-harmonic signals through WMS based on fast Fourier transform (FFT). This method is less disturbed by low-frequency noise because it does not use a low-frequency ramp wave. Formulation and detection procedures were presented. The discrete second-harmonic waveform can be obtained by continuously changing the DC signal and FFT analysis in this method. Second-harmonic waveforms acquired by the two means are generally consistent. The experimental study validates the obtained gas concentration from 5% to 30%, showing a good linear relationship by the proposed method. The maximum relative error on concentration extraction is 2.87%; as for conventional WMS, this value is 4.50%. The developed measurement method may have potential in computed tomography.
fast Fourier transform wavelength modulation spectroscopy second-harmonic waveform Chinese Optics Letters
2022, 20(9): 093001
东南大学能源与环境学院, 江苏 南京 210096
固定点波长调制光谱技术虽然具有时间分辨率高的优点,但随着激光器出光中心的波数漂移,气体浓度的测量会出现较大误差。为消除波数漂移对浓度测量的不利影响,本文提出了一种基于固定点波长调制光谱技术的气体浓度测量方法。引入一条带有封闭气池的参考光路,通过谐波高度来推算激光器出光中心的波数偏移量,使用循环迭代算法实现待测气体浓度的有效反演。搭建了一套基于固定点波长调制光谱技术的测量系统,通过改变激光器的工作温度来模拟波数漂移现象。选择CH4分子在6046.955 cm -1附近的吸收谱线进行浓度测量实验,结果显示:浓度测量的最大相对误差由90.510%降低至5.204%;对于低于70.000%的误差,修正后均可控制在2.000%以内。这说明所提方法能准确计算波数偏移量,提高气体浓度的测量精度,为使用固定点调制光谱技术实现快速场反演提供了技术保障。
光谱学 固定点波长调制光谱技术 波数漂移 参考光路 浓度测量 光学学报
2021, 41(23): 2330001
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
甲烷 (CH4) 和氮气 (N2) 是很多类地星体的主要气体成 分, HCN、CN、C2H2 等分子是以这两种混合气体为母体的主要产物。实验利用 CH4/N2 放电等离子体模拟主要产物分子的形成过程, 并基于中红外波长调制吸收光谱技术, 通过测量 HCN 和 C2H2 的吸收光谱研究了其浓度演化过程。实验结果表明 HCN 和 C2H2 的相对浓度依赖母体分子中的 C/N 比例。母体分子中 N2 过量有利于 HCN 的生成, 而 CH4 过量有利 于 C2H2 的形成。CH4 和 N2 的浓度配比实验表明, HCN 的主要生成途径 为 CH3+N→HCN+H2。此外, CH4/N2 辉光放电生成的 C2H2 也可能进一步与 N2 结合生成 HCN。
光谱学 等离子光谱 HCN分子 吸收光谱 波长调制光谱 spectroscopy plasma spectrum HCN molecules absorption spectroscopy wavelength modulation spectroscopy
人体呼出气包含氮气、氧气、二氧化碳等多种气体,其中很多气体可以作为各种疾病的相关标志物,通过测定特征呼出气体的组分及含量可以对多种疾病进行无创诊断。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)法由于具有灵敏度高、选择性好、响应速度快的优点,是一种常用的痕量气体光学检测技术。综述了基于TDLAS法检测痕量气体的原理,包括TDLAS技术种类、光源及多光程腔的选择等,并介绍了其在几种常见的呼出气检测中的应用进展。
光谱学 可调谐半导体激光吸收光谱 呼吸诊断 痕量气体 多光程腔 波长调制技术 中国激光
2021, 48(15): 1511001
