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基于波长调制光谱非线性特征的气体浓度宽量程检测方法

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中国激光 2024年第5期51卷 206-212页

作者：王前进孙鹏帅张志荣蔡永军黄文彪庞涛夏滑吴边中国科学技术大学环境科学与光电技术学院安徽合肥230026 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 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 先进激光技术安徽省实验室安徽合肥230037 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... 详细信息

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(CH_(4))作为实验对象,搭建了CH_(4)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CH_(4)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CH_(4)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。

关键词：光谱学波长调制光谱非线性特征甲烷气体(CH_(4)) 宽量程检测

基于波长调制光谱非线性特征的气体浓度宽量程检测方法

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中国激光 2023年

作者：王前进孙鹏帅张志荣蔡永军黄文彪庞涛夏滑吴边中国科学技术大学环境科学与光电技术学院国家管网集团科学技术研究总院分公司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先进激光技术安徽省实验室国防科技大学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

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，本文对波长调制光谱进行气体浓度检测时的非线性特征进行了研究，提出了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... 详细信息

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，本文对波长调制光谱进行气体浓度检测时的非线性特征进行了研究，提出了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应用的可行性。经过实验验证，该方法能够完成4个数量级(2.3×10-6～10000×10-6)大跨度范围的CH4检测。对浓度阈值为1000×10-6(在3 m有效光程下吸收度为0.0236)以下和以上的浓度分别检测，反演浓度和标准浓度之间均表现出了良好的相关性，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，对浓度为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，经过计算其半高半宽为15.9×10-6。实验证明该方法克服了传统波长调制光谱只能测量低浓度的限制，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，同时也大大扩展波长调制光谱的应用前景。

关键词：波长调制光谱非线性甲烷气体(CH4) 宽量程检测

波长调制光谱技术中免标定气体检测方法的研究及优化

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波长调制光谱技术中免标定气体检测方法的研究及优化

作者：程禾尧东南大学

学位级别：硕士

快速准确的气体检测方法,能够为环境保护与生产安全提供重要保障。在众多的气体检测手段中,可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术凭借其非侵入式、选择性好、分辨率高、响应速度快等优势,... 详细信息

快速准确的气体检测方法,能够为环境保护与生产安全提供重要保障。在众多的气体检测手段中,可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术凭借其非侵入式、选择性好、分辨率高、响应速度快等优势,在燃烧过程诊断分析、工业过程监测控制和痕量污染物检测等领域中有广阔的应用前景。TDLAS技术中的波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)方法通过在扫描信号上叠加高频调制信号,有效抑制了低频噪声,具有较高的系统灵敏度。WMS分为标定和免标定方法。标定方法无需标准具和光谱数据库的先验信息,但在实际中需要在已知体系中校准。随着气体检测技术的发展,免标定波长调制方法成为当下研究的热点。本文围绕免标定波长调制方法,从拓展已有方法的检测范围和提高系统的信噪比两个方面,展开全面的理论和实验研究:(1)在WMS方法中,对激光频率进行调制时,激光强度将同步受到调制,产生与吸收相关的剩余幅度调制(Residual Amplitude Modulation,RAM)信号。从RAM信号中提取气体参数信息的方法称为RAM方法。现有RAM方法均需做弱吸收假设和简化,不适用于高浓度、长光程等强吸收环境下的测量,在实际应用中具有一定的局限性。(2)前人研究结果表明,三角波高频调制方式与常用的正弦波调制方式相比具有更高的灵敏度,然而在三角波调制下的免标定测量策略未见文献报道。针对上述问题,本文以甲烷为目标气体,开展了如下研究工作:1、研究了强吸收条件下,利用RAM信号实现气体浓度免标定测量的方法,拓展了现有RAM方法的适用范围。建立了适用于任意吸光度和调制系数下的傅里叶光谱吸收模型,提出了对背景信号归一化的一次谐波Y分量进行拟合的免标定算法。搭建实验平台,选择1653.73nm处的CH4吸收谱线,开展了不同调制系数下CH4气体浓度测量实验,实验结果验证了该方法的可行性。2、提出并实现了基于三角波调制的免标定测量方法,用于提高测量系统的信噪比。将三角波波形简化为若干正弦波叠加的形式,建立了 DFB激光器在三角波调制方式下的频率响应模型。搭建实验平台,开展了不同浓度下CH4气体测量实验。实验结果证明了该模型的可行性,并实现了基于三角波调制的CH4气体浓度的免标定测量。

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱波长调制光谱免标定剩余幅度调制三角波调制甲烷

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片上中红外波长调制光谱气体传感技术

光学学报 2023年第18期43卷 171-177页

作者：皮明权黄一俊郑传涛赵焕彭子航杨悦闵昱婷宋芳王一丁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 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... 详细信息

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。

关键词：光波导波长调制光谱片上集成光波导传感器气体传感器

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扫描改进型波长调制光谱气体检测技术

扫描改进型波长调制光谱气体检测技术

作者：邓柏涛华中科技大学

学位级别：硕士

气体传感器的发展由来已久,技术种类繁多,其中可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术具有灵敏度高,选择性好,响应速度快,抗干扰能力强等优点,是气体传感领域的研究热点。本文在TDLAS联合波长调制光谱(TDLAS-WMS)基础上提出了改进型激光... 详细信息

气体传感器的发展由来已久,技术种类繁多,其中可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术具有灵敏度高,选择性好,响应速度快,抗干扰能力强等优点,是气体传感领域的研究热点。本文在TDLAS联合波长调制光谱(TDLAS-WMS)基础上提出了改进型激光扫描技术,包括非线性扫描和半波扫描,通过理论推导、仿真模拟和实验验证等方式进行了气体传感研究。主要研究工作如下:(1)基于比尔-朗伯理论构建了TDLAS气体传感系统的仿真模型,仿真分析了环境温度和压强对气体吸收谱线和谐波信号强度的影响。从理论上提出了改进型激光扫描技术方案,仿真分析了非线性扫描和半波扫描两种方法在TDLAS系统中的作用,初步验证了非线性扫描具备提升系统信噪比的效果,而半波扫描具有监控激光输出波长、维持系统稳定性方面的作用。(2)搭建了非线性扫描型TDLAS甲烷气体传感实验系统,研究分析了系统中的主要器件和功能。针对激光器的调制深度参量进行测试优化,分析验证了剩余幅度调制对一次谐波信号的影响,确定了系统的最佳调制深度。实验分析了非线性扫描对系统性能的改善,增加了二次谐波的有效峰值信息,相比于传统线性扫描,非线性扫描提升了低采样率下系统输出稳定性,输出结果的离散系数维持在0.25%左右,优于线性扫描时约0.59%的离散系数。(3)模拟分析并实验测试了半波扫描TDLAS技术的实现原理和控制方法。分析研究了半导体激光器的电流调谐特性和温度调谐特性,实验测试了半波扫描技术得到的二次谐波零点间隔与激光器波长偏移的线性关系,并据此构建半波扫描反馈机制,使得TDLAS系统在温度剧烈变化情况下输出波动稳定在2.2%左右,优于常规全波扫描约15%的波动。实验测试和评估了气体检测的系统性能,测得该半波扫描TDLAS系统的灵敏度为4.04 m V/ppm,检测限为3.03 ppm,测量精度为9.6 ppm。

关键词：光学气体传感可调谐二极管激光吸收光谱波长调制光谱非线性扫描半波扫描

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波长调制光谱技术中的激光控制器设计

激光与红外 2010年第5期40卷 537-541页

作者：赵建华高明亮武秀娟中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230027

设计了一种波长调制光谱技术中DFB半导体激光控制电路,该控制电路包括波长调制电路、波长扫描电路和TEC控制电路。通过使用晶振、二进制计数器、带通滤波器以及程控衰减器产生波长调制信号,使用D/A转换器产生波长扫描信号,并且使用NLD05... 详细信息

设计了一种波长调制光谱技术中DFB半导体激光控制电路,该控制电路包括波长调制电路、波长扫描电路和TEC控制电路。通过使用晶振、二进制计数器、带通滤波器以及程控衰减器产生波长调制信号,使用D/A转换器产生波长扫描信号,并且使用NLD0531BPQ芯片对激光器内置TEC进行控制,最后通过CO二次谐波谱线测量。激光器控制电路的参数全部采用数字控制,并且可以通过单片机进行调整。实验表明,该控制电路具有较高的稳定性,其控制精度达到了0.01℃。

关键词：波长调制光谱激光控制器电路设计

基于波长调制光谱的非均匀流场气体参数二维分布测量

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推进技术 2017年第6期38卷 1395-1401页

作者：屈东胜洪延姬王广宇辛明原装备学院激光推进及其应用国家重点实验室北京101416

基于波长调制光谱方法,研究了一种实现非均匀燃烧场气体参数二维分布测量的新方法。气体参数的二维分布是通过测量激光穿过非均匀流场区域的积分吸光度并结合重建算法进行反演实现。研究了基于波长调制光谱,通过拟合谐波信号实现积分吸... 详细信息

基于波长调制光谱方法,研究了一种实现非均匀燃烧场气体参数二维分布测量的新方法。气体参数的二维分布是通过测量激光穿过非均匀流场区域的积分吸光度并结合重建算法进行反演实现。研究了基于波长调制光谱,通过拟合谐波信号实现积分吸光度测量的方法。利用所选的7185.60cm^(-1)和7454.45cm^(-1)两条H_2O谱线,通过建立离散模型和设计光线布局,基于波长调制光谱方法和代数迭代重建算法实现了非均匀流场区域内温度场和H_2O组分浓度场的二维分布测量。重建结果表明:基于波长调制光谱的二维重建方法具有较高的重建精度,与预测值相比,温度和H_2O组分浓度的重建误差分别小于1.69%和3.05%。

关键词：波长调制光谱燃烧场二维分布测量积分吸光度

基于波长调制光谱技术的L波段激光器二氧化碳浓度检测系统仿真分析

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上海第二工业大学学报 2022年第4期39卷 331-338页

作者：杨晨桂林林昊上海第二工业大学资源与环境工程学院上海201209 上海第二工业大学计算机与信息工程学院上海201209

随着双碳即碳达峰、碳中和重大战略决策的执行,对二氧化碳浓度的精准把控,成为实现这一伟大目标不可或缺的必要条件。而在这一领域,精准可靠的气体传感一直是一个急于攻克的难题。随着环境监测及气体传感的不断发展,可调谐半导体激光吸... 详细信息

随着双碳即碳达峰、碳中和重大战略决策的执行,对二氧化碳浓度的精准把控,成为实现这一伟大目标不可或缺的必要条件。而在这一领域,精准可靠的气体传感一直是一个急于攻克的难题。随着环境监测及气体传感的不断发展,可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)以其出色的选择性、实时性及灵敏度逐渐在气体传感领域成为一个热门的研究课题。详细介绍了一种基于TDLAS技术二氧化碳检测系统的设计方案,并对TDLAS系统及其性能影响因素进行了深入研究。在物理层面结合朗伯-比尔定律对气体分子吸收光谱的吸收系数、自然展宽、多普勒展宽、碰撞展宽线型进行研究。以二氧化碳在1.57866535μm附近的激光吸收谱线,在MATLAB程序上对不同温度、压强下的吸收谱线进行仿真研究,并在此基础上加入波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy,WMS)技术,以其二次与一次谐波的比值计算谱线强度及输出光功率,加入强度为0.1 mW的低频噪声对比分析,验证了WMS技术对提升系统灵敏度的效果。将温度、压强对吸收峰及展宽的影响机制和作用规律做了深入分析,得出了对于本类系统参考意义较大的结论。

关键词：双碳可调谐半导体激光吸收光谱温度压强激光气体检测波长调制光谱

基于深度学习的波长调制吸收光谱非线性层析重建研究

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燃烧科学与技术 2022年第6期28卷 659-666页

作者：王振海超星清华大学能源与动力工程系燃烧能源中心北京100084

本文基于深度学习算法,开展了免标定波长调制吸收光谱非线性层析重建研究.采用频分复用技术,构建吸收光谱非线性层析重建方案,使用5条吸收谱线、2个投影角度共计20条投影光线.以二维温度场重建为例,在无噪声时温度场平均重建误差为2.85%... 详细信息

本文基于深度学习算法,开展了免标定波长调制吸收光谱非线性层析重建研究.采用频分复用技术,构建吸收光谱非线性层析重建方案,使用5条吸收谱线、2个投影角度共计20条投影光线.以二维温度场重建为例,在无噪声时温度场平均重建误差为2.85%,且在不同噪声水平和训练样本数目条件下,该方案可实现高精度温度和浓度场二维重建.本工作首次从算法理论层面实现了二维温度、浓度分布重建,将为实际燃烧环境中非线性层析重建实验提供指导.

关键词：深度学习方法波长调制光谱非线性层析温度场浓度场