基于红外TDLAS技术的高精度CO2同位素检测系统的研制

对天然气分布监测,高精度地检测CO₂同位素是非常重要的。采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,通过13CO₂/12CO₂在4.3 μm处的吸收谱线,实现高精度CO₂同位素检测。该检测系统由工作在连续波模式下的中红外间带级联激光器(ICL)、长光程多通池(MPGC)和中红外碲镉汞(MCT)探测器组成。针对13CO₂和12CO₂两条吸收谱线强度受温度影响的问题,研制了MPGC高精度温度控制系统。实验中,配置5种不同浓度的CO₂气体对检测系统进行标定,响应线性度可达0.999 6。结果表明,当积分时间为92 s时,同位素检测精度低至0.013 9‰,具备实际应用价值。     

光子晶体光纤CO2气体传感器的研究

为了能高灵敏度地检测CO₂气体的体积分数,基于红外光谱吸收原理,设计了一种以9m长的空芯光子晶体光纤作为传感单元的CO₂气体传感器。利用该传感器测量了不同体积分数的CO₂在同一吸收波长下的吸收光谱图。结果表明,气体的吸收光强和气体的体积分数之间呈线性变化,与比尔-朗伯定律一致;传感器的灵敏度可达4.389×10-5W。可通过加长光子晶体光纤的长度,来增加气体吸收的有效距离,使传感系统获得较高灵敏度。     

采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制

为了实现CO₂气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的激光红外多通池压强控制系统。硬件方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法,完成对 P 、 I 、 D 3个参数的确定。结果表明:多通池压强为60 Torr(1 Torr=133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。试验中,利用研制的多通池压强控制系统对13CO₂、12CO₂气体分子在4.3 μm吸收光谱进行测量。随着气体压强从0.026~0.066 atm (1 atm= 101 325 Pa),13CO₂和12CO₂气体分子吸收光谱的峰值随着压强增大而增大,吸收光谱宽度也随着压强的增大而增大。同时,利用红外气体检测系统对CO₂同位素丰度进行长达2 h的测量。CO₂同位素丰度均值为?9.081‰,测量值在?8.351‰~?9.736‰之间波动,最大偏差值为0.73‰。可以证明:该系统为红外CO₂气体同位素的高性能检测提供可靠保障。     

基于深度学习算法的原位激光CO2检测系统研制

随着全球变暖日益严重，精准检测CO₂浓度具有重要的研究意义。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高分辨率等特点，被广泛应用于气体检测领域。为进一步提升TDLAS气体检测技术的检测精度，本文提出一种基于深度学习的原位激光二氧化碳检测系统。该系统采用BP神经网络算法反演CO₂浓度，补偿了温度压强对气体浓度反演的影响，提升了检测精度；采用无线通信模块，通过MQTT协议将检测的CO₂数据上传至OneNET云平台，实现了CO₂浓度的原位检测。经测试，该系统可以快速、稳定的处理数据，并且适配于其他气体检测系统。     

基于AIRS卫星的全球和东亚地区CO2时空特征分析

利用2002年12月到2016年11月的大气红外探测仪(Atmospheric infrared sounder, AIRS)卫星观测资料,分析了全球 和东亚地区(70~140^。E, 10~55^。N)CO₂浓度的时空变化和季节分布特征,并与地面观测 资料进行了对比。结果表明: 1) AIRS反演的CO₂资料与地表观测资料相关系数均在0.9以上,且年均值相对误差均 在1%以内。2)全球CO₂年平均浓度从2003年的375.16 ml/m³增加到2016年的401.24 ml/m³, 年平均增长率约2.01 ml/m³;同期,东亚地区CO₂平均浓度从2003年的375.13 ml/m³增加 到2016年的402.22 ml/m³,年增长率约为2.08 ml/m³,高于全球的年平均增长率。 在2010~2016年,北半球大部分地区CO₂浓度增长率低于2003~2009年的增长率。CO₂增幅较明显 的区域位于北半球高纬度地区如中西伯利亚和格陵兰岛等地上空。3)CO₂分布存在明显的区域性,高值区主要位于 北半球的中高纬度地区;低值区主要位于青藏高原上空。在南半球,CO₂浓度的高值区主要位于南美洲中纬度地区; 低值区主要出现在低纬度(0~20^。S, 50^。W~5^。E)的大西洋上空。在对流层中低层(4~6 km), AIRS反演的CO₂浓度的季节变化特征准确性较高,特别在冬季,北半球大部分地区的CO₂浓度随着时间 变化呈现先减小后增加的趋势。4)在东亚地区,CO₂高值区位于中国北方地区,呈带状分布。     

傅里叶红外系统监测大气中温室气体的污染特征

研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱(OP-FTIR)温室气体分析测量设备，并利用该设备开展了CO₂、CH₄和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO₂、CH₄和CO的光谱区域分别为2102～2250 cm^-1、2920～3140 cm^-1和2172～2210 cm^-1。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准，开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据，研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO₂、CH₄和CO质量浓度的关联度，并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明：研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性；温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著；CO₂、CH₄和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH₄质量浓度分别...     

基于近红外吸收光谱技术的高精度CO2检测系统的研制

为了准确测量地震断裂带溢出的痕量CO₂气体浓度,文中采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,选取波数4 978.202 cm-1作为CO₂检测系统的吸收谱线,采用有效光程为40 m的多通池,以STM32作为主控和数据处理核心器件,研制了高精度CO₂检测系统。针对系统中的探测器噪声与光学干涉条纹噪声,利用卡尔曼-小波分析算法滤波提升系统性能。实验表明,与滤波前相比,系统在50 ppmv CO₂浓度下的二次谐波信噪比提升了2.06倍。在不同CO₂浓度下(50、300、1 000、4 000、8 000 ppmv),系统误差为2.57%～2.66%。系统测量4 000 ppmv浓度下的CO2时检测精密度达到20.9 ppmv。利用Allan方差分析得出,积分时间在约61 s时对应的最低探测下限(MDL)为5.2 ppmv,实现了对CO₂气体的高精度测量。结果表明,所设计的高精度CO₂系统可以在气体检测领域为预测地震前兆提供良好前景。     

一种基于热电效应的微型CO2浓度检测系统

基于CO₂在4.26um处的特征吸收,采用抽取式密闭小型怀特池以及热电传感器,设计了一种微型CO₂气体检测系统,并进行了实际测量,反演了CO₂浓度,相关性达到0.99973,最低检测CO₂浓度为1ppm。此系统结构简单,运行稳定,避免了光学轮盘调制方式的复杂结构,减小了开放式结构对探测器带来的不稳定影响。     

新型光室结构的主流式NDIR呼吸CO2监测系统

针对主流式非分散红外（NDIR）呼吸CO₂监测系统灵敏度及信噪比低下的问题,提出利用复合抛物面聚光器（CPC）提升监测系统性能的方法。利用ZEMAX模拟光室并优化CPC和常用的圆管聚光器以及锥形聚光器,采用单光源双光路的主流式一体化方法进行监测系统的气室设计,以STM32F100为主控芯片实现硬件系统控制,对具有不同光室结构的监测系统进行CO₂浓度标定和实时人体呼吸检测实验,获取其CO₂浓度与系统输出信号的对应关系和CO₂波形图。结果表明,CPC光室其模拟光学效率为4.3%,比常用的聚光器最高可提升89.77倍;装有CPC的监测系统其灵敏度与信噪比为8.940 7、24.65,比装有常用聚光器的系统的灵敏度最高可提升3.811倍、信噪比提升1.926倍;并且安装CPC的系统运行稳定,响应快,能够实时的反应出被测者的呼吸CO₂波形图。     

基于TDLAS的CO2高温高压谱线参数测量研究

气体谱线参数的准确性对于应用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)开展燃烧流场参数的精确测量十分重要。针对目前谱线数据库参数在高温高压环境的不确定性,以主要燃烧产物CO₂作为目标气体,开展了CO₂高温高压谱线参数测量研究。设计了耐高温高压气室,在三段管式炉上搭建了一套气体谱线参数高温高压校准装置,以分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,对中心频率4 988.655 cm^-1的CO₂吸收光谱进行了测量,获得了373～673 K温度范围内,1～3 atm多个压强下的纯CO₂高温高压吸收光谱,经过Voigt线型拟合等数据处理,得到了线强、自展宽系数、温度指数等谱线参数,与HITRAN2016数据库对应的参数进行对比,线强相对误差在-8.6%～-2.4%,线强不确定度约为4.1%,自展宽系数相对误差在-8.8%～2.1%,所测数据对现有的谱线数据库起到了修正和补充。     

2μm附近二极管激光吸收光谱CO2浓度测量研究

采用波长2μm附近的可调谐半导体激光二极管作为光源,结合多步吸收光程和光纤传输技术,通过激光吸收光谱直接测量方法对CO2分子浓度进行测量研究。实验在标定了激光器调谐范围内17条CO2吸收谱线的波长及相应的吸收带跃迁的基础上,研究了不同压力下纯CO2气体在2008nm附近的吸收光谱,由吸收信号随气体压力的变化关系得到低气压下实验装置的系统刻度因子。并进一步对样品气体的CO2浓度进行测量,测量给出CO2分子浓度为(2.754±0.145)×1016 cm-3,测量误差主要来源于目前实验中所使用的气压计的精度和读数局限性。该研究为气体分子浓度测量、同位素含量分析提供了一种光谱测量方法。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术对开放式长光程大气CO2的测量

CO2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO2浓度对了解地区CO2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS）技术,系统选择CO2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式长光程大气下的CO2进行了连续测量。通过与手持CO2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO2提供了一种重要的思路与方法。     

TDLAS直接吸收法和波长调制法在线测量CO2的比较

据统计,2015年我国消耗了39.65亿吨煤炭,而其中发电及热力供应占据了煤炭消耗总量的46.38%。发电及热力供应行业排放的CO2占据了我国温室气体排放量的很大比例,因此对于燃煤电厂CO2气体排放的实时监测是非常重要的。利用测量精度高、响应迅速、非接触测量的可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术对CO2浓度检测。选用了中心波长在1 580 nm的分布式反馈激光器作为光源,参考电厂尾部烟气CO2浓度配置实验气体,分别使用直接吸收和波长调制方法对CO2浓度进行反演。对比研究结果表明,直接吸收和波长调制法重复测量的相对标准偏差分别为0.94%和0.22%,最大相对误差分别为2.64%和1.65%,检测限分别为0.013 6%和0.001 4%。波长调制法比直接吸收法在测量性能指标上更具优势,但由于波长调制法在现场应用时受定标方式的影响很大,且谐波线宽会受到压力、温度等参数变化的干扰,而直接吸收法无需标定,且测量精度足以满足电厂CO2在线监测的需求。因此在电厂锅炉烟气等高浓度CO2的测量中,直接吸收法是更好的选择。     

快速调谐小型TEA CO2激光器的实验研究

报道了可用于ＣＯ２激光差分吸收雷达光源的一小型快调谐ＴＥＡＣＯ２激光器,调谐机构由单片机控制搞频步进电机、衍射光栅、触发控制器组成。在谐振腔长５００ｍｍ、脉冲重复率２０Ｈｚ的ＴＥＡＣＯ２激光器中,实验得到零级输出谱线四十一条,一级输出一十条,每脉冲输出能量－２０ｍＪ。     

农田开放环境下CO2浓度的激光在线监测

含碳温室气体浓度增加而加剧的温室效应是气候变化的主要原因。在线监测陆地生态系统中的CO2气体浓度并分析CO2通量,对了解局地气候及改善环境意义重大。设计了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的开放式CO2气体监测系统,于2010年4月在中国科学院封丘农业生态实验站进行了小麦田间CO2浓度的实时在线监测。连续监测结果表明：主要受植被光合作用的影响,田间CO2浓度具有明显的日变化规律,基本特点是白天浓度降低,夜间浓度升高。系统不需要气体采样、监测范围广、灵敏度高、响应时间快、调校简单,为农田环境的CO2浓度连续监测提供了有效的光学遥测方法。     

一套测量对流层臭氧的差分吸收激光雷达系统

差分吸收激光雷达是探测对流层臭氧分布的一种先进工具。研制了一套车载差分激光雷达系统,系统基于NdYAG四倍频激光和拉曼频移技术产生紫外差分光源,并采用卡塞格林(Cassegrain)型望远镜,利用光栅光谱仪分离四波长的回波信号,使用光子计数和模拟采集相融合的方式采集数据。讨论分析了系统的测量精度并与臭氧探空仪进行了对比验证实验。实验结果表明,两台仪器测量的对流层臭氧具有很好的一致性,证实了车载差分吸收激光雷达系统及臭氧浓度分析软件的可靠性。     

差分吸收激光雷达探测大气CO_2精度分析

为减小距离差分吸收激光雷达探测大气CO2浓度的探测误差,理论分析了探测精度,对差分吸收探测系统误差进行了数值分析,对基于1.6 μm光纤激光器相干探测CO2系统进行了仿真计算.结果表明:差分吸收截面越大,空间分辨率越低,回波信噪比越高,气体浓度的探测误差越小.当大气CO2的差分吸收光学厚度т为0.55时,相干探测系统具有最小误差变化百分比,此时探测精度最高.随着探测高度增大, 1.6 μm光纤激光相干探测系统精度逐渐降低,在1 km高度以内可以探测到34 ppm的大气CO2变化.     

农田开放环境下CO_2浓度的激光在线监测

含碳温室气体浓度增加而加剧的温室效应是气候变化的主要原因。在线监测陆地生态系统中的CO_2气体浓度并分析CO_2通量,对了解局地气候及改善环境意义重大。设计了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的开放式CO_2气体监测系统,于2010年4月在中国科学院封丘农业生态实验站进行了小麦田间CO_2浓度的实时在线监测。连续监测结果表明:主要受植被光合作用的影响,田间CO_2浓度具有明显的日变化规律,基本特点是白天浓度降低,夜间浓度升高。系统不需要气体采样、监测范围广、灵敏度高、响应时间快、调校简单,为农田环境的CO_2浓度连续监测提供了有效的光学遥测方法。     

用于CO2探测的高功率1572nm可调谐光源

为了研发一种应用于CO2探测激光雷达的全光纤宽带可调谐高功率光源,以CO2的超精确吸收谱为基础,结合外腔可调谐激光器和L波段光纤放大器,进行了理论分析和实验验证,取得了针对1572nm附近吸收峰的连续调谐窄线宽光源的数据,并通过铒镱双包层光纤放大器将输出光功率提升到瓦级以上。结果表明,光源输出功率大于10dBm,边模抑制比大于50dB,线宽500kHz左右,1572nm放大器最大增益可达25.13dB,输出光功率达到1W以上。该光源具有体积小、低功耗和低成本的优势,对实现更大范围的空间CO2浓度探测分析有一定的帮助。     

基于V型腔增强吸收光谱技术的一氧化碳检测研究

论文基于光反馈原理及V型增强腔技术,结合量子串级激光器,搭建了CO吸收光谱检测系统.研究并实现了光反馈效应(反馈相位自动可调)、偶数和奇数腔模式效应、激光器阈值电流降低效应.系统有效反射率达到99.979%,在物理长度为47 cm的光腔内实现了4.48 km有效吸收路径.通过自动调节V型腔长,使光谱分辨率从0.005 3 cm~(-1)提高到0.001 1 cm~(-1).通过阿伦方差分析,确定了最高信噪比的积分时间为53 s.气体压强40 torr,温度20°C时,系统对CO(R(6)吸收线)检测准确度及检测极限分别达到(97.79±0.07)%和(0.49±0.04)ppb.也分析和证明了气体压强对CO的峰值吸收强度、检测准确度及检测极限的影响.