大气中甲烷含量监测方法研究

甲烷是大气中对温室效应影响仅次于二氧化碳的气体,甲烷的含量对于辐射过程和气候发展趋势的研究是特别重要;通过监测地面环境空气中甲烷的含量来分析其来源,能够为大气化学的研究提供非常重要的依据。本文针对环境空气中甲烷的测定,介绍了常用的两种测量方法。对每种方法的测量原理、特点及适用范围等方面进行了详细的阐述,对GC与TDLAS两种方法进行了详细的比较。     

可调谐二极管激光吸收光谱法监测环境空气中甲烷的浓度变化

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术是利用二极管激光器波长调谐特性，获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱，从而对污染气体进行定性或定量分析。通过该方法对环境空气中甲烷（CH4）的含量进行了长时间的监测。以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器作为光源；使用多次反射池增加吸收光程来提高检测灵敏度；并且使用了二次谐波检测技术进一步降低了检测限，使检测限低于0.087mg／m^3，满足了对环境空气中甲烷进行监测的需要。     

大气相干长度的对比实验研究

大气相干长度是在激光大气传输和自适应光学研究中对大气湍流介质进行定量描述的重要参量。介绍了利用激光大气闪烁测量反演大气相干长度和利用差分像运动测量法(DIMM)测量光波到达角起伏方差来确定大气相干长度的两种不同测量方法，并根据光波到达角起伏和激光大气闪烁这两种不同方法测量大气相干长度的仪器，在相同的近地面传播路径上进行对比实验观测，两者测量结果有时存在一定的偏差，但其量级和时间变化趋势基本一致，这两种测量方法相互得到了验证。最后还对实验观测结果进行了讨论，分析了误差产生的原因。     

基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH4柱浓度遥测研究

为了研究甲烷气体柱浓度探测方法,文中介绍了一种基于直射太阳光红外吸收光谱技术的遥测系统,并利用该系统在合肥地区进行了连续观测。从太阳吸收光谱中实时测量了整层大气透过率;采用逐线积分方法模拟计算了整层大气透过率;基于非线性最小二乘光谱反演算法从实测整层大气透过率中反演了甲烷气体柱浓度和氧气柱浓度,并以氧气柱浓度为内标函数获得了甲烷干空气柱体积混合比,精密度优于2%。将本系统测量的2012年9月25日12时到15时CH4干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星的CH4观测结果进行了比较,两者偏差小于1%。可见,该系统和方法是一种有效的甲烷气体柱浓度探测系统和方法,具有较高精度。     

激光遥感的最近发展趋势

激光遥感是把激光束用作大气组份的光谱探头。以往15年的研究表明，用激光雷达技术测定大气中某些重要的化学成份是一种可行的检测方法，它对我们了解有关大气方面的知识正产生重大的影响，同时也提供了一些新的检测方式。本文主要详细介绍激光遥感方面的一些最新进展和发展趋势，重点放在新激光源的发展及在大地或空间运载系统中运用遥感技术的进一步发展趋势。     

拉曼激光雷达信号采集及处理系统

准确可靠地监测大气中CO2含量变化对于研究全球变暖和气候变化具有十分重要的意义。利用拉曼激光雷达测量大气中的CO2含量分布是一种新颖且容易实现的方法。有效地采集CO2气体的拉曼回波信号并进行数据处理反演出测量结果是整个系统的关键所在。根据拉曼激光雷达的原理和信号处理的理论基础,设计了单通道和双通道两种行之有效的拉曼信号采集方案,并分别对其信号处理方法进行了论证。阐述了单通道采集过程中能量波动所造成的对信号的影响和消除方法,重点解决了采集过程中存在的噪声干扰问题。计算了两种方案在采集1 km处的系统信噪比(SNR),单通道采集时约可达到10,而双通道采集时可提高到20左右。     

甲烷氧化细菌的冷冻蚀刻电镜观察

甲烷氧化细菌(Methanotroph)在生态环境中占有重要地位,在生产生物多糖、单细胞蛋白,以及近年发现的甲烷单加氧酶对多种烃的生物转化等方面,有着广泛的用途,因而引起人们极大的关注。本文运用冷冻蚀刻方法,对甲烷氧化菌的细微结构进行观察,特别对细胞包被(envelope)结构进行较详细的研究。实验选用了Methylomonoas sp.761M和Methylosintis sp.81Z两株甲烷氧化菌。按常规方法,用日本电子光学公司的EE-FEB·D冷冻蚀刻装置制成复型膜,用JEM-100CX电镜观察拍照。两株甲烷氧化菌经冷冻蚀刻后,细胞从两个平面劈裂开,形成四个断裂面,其中两个为凸面,两个为     

不同大气条件下红外成像效果模拟

红外成像仿真技术是解决实际应用中对红外图像数据源需求的重要途径。大气传输是红外成像的必经环节,对红外图像质量有着重要影响,大气传输效应模拟能提高成像的真实感。同一场景在不同大气条件下红外成像的模拟能为特定的图像分析提供数据。在大气传输理论的基础上,研究了红外成像大气作用效果的模拟方法,通过飞艇平台获得的红外图像作为数据,利用大气辐射传输模型进行大气修正得到地面辐亮度基准图像,在此基础上进行了不同大气模式、温度和水汽含量下的红外图像仿真实验,并对实验结果进行了评价,取得了较为理想的仿真效果,为大气效应模拟提供了一种有效的方法。     

基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH_4柱浓度遥测研究

介绍了一种基于直射太阳光红外吸收光谱技术的遥测系统,并利用该系统在合肥地区进行了连续观测、从太阳吸收光谱中测量了整层大气透过率,采用逐线积分方法模拟计算了整层大气透过率,基于非线性最小二乘光谱反演算法从实测整层大气透过率中反演了甲烷气体柱浓度和氧气柱浓度,并以氧气柱浓度为内标函数获得了甲烷干空气柱体积混合比,精密度优于2%。将本系统测量的2012年9月25日12:00~15:00 CH_4干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星的CH_4观测结果进行了比较,两者偏差小于1%。可见,该系统和方法是一种有效的甲烷气体柱浓度探测系统和方法,具有较高精度、     

整层大气透过率获取方法研究进展及相关问题探讨

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参量,在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测、特别是光电工程等领域,都需要对大气透过率进行深入的研究。文中详细讨论了整层大气透过率的获取原理和方法,分析了不同获取方法的最新进展和存在的相关问题,对比分析了软件仿真计算和直接测量的优缺点,并对后续的研究工作进行了展望。     

光纤光栅滤波的瓦斯传感系统的研究

差分吸收法是进行瓦斯远距离监测的重要方法，根据瓦斯在近红外波段的吸收特性，报道了一种新型的远距离光纤瓦斯传感系统。采用1．3μm超辐射发光二极管为光源，利用光纤布拉格光栅(FBG)优良的窄带滤波特性实现了对瓦斯的差分吸收测量。和传统的干涉滤光片相比，光纤光栅滤波器插入损耗低、制备简单。系统具有全光纤化、结构简单、工作距离远、稳定性好的特点。工作距离10km，测量灵敏度为0．1％，是瓦斯爆炸极限的2％。     

水气含量对基于QEPAS甲烷气体探测性能的影响

由于气体的湿度对分子振动弛豫有着较大的影响,利用石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)技术作为甲烷气体传感,在实际应用中,空气的水气浓度变化将会使光声测量气体浓度的信号强度发生变化。实验中采用鼓泡法结合湿度计来改变探测气体中的湿度,测量了常压下1.653μm波长处甲烷的二次谐波信号,系统地研究了探测气体中水气浓度的变化对石英音叉Q值、共振频率f0等参数的影响。实验结果表明,水气对基于QEPAS技术甲烷气体传感器的实际应用有着很大的影响,主要表现在甲烷分子振动弛豫和探测系统性能两个方面。当实际大气中绝对湿度为2.34%时,获得的系统最小可探测质量浓度为0.57mg/m3。     

基于宽带光源与相关光谱技术的CH4传感器研究

针对传统光学传感技术气体选择性不高与激光光源在气体检测中需严格控温的缺点,采用红外宽带光源进行CH4气体的检测,并结合实验所用气室与光电探测器件参数,利用HITRAN数据库对CH4吸收进行仿真计算,得出了系统理论探测下限与光强信号之间的变化规律。在不同CH4浓度梯度的实际测量中,采用快速傅里叶变换(FFT)与Savitzky-Golay数字滤波相结合的方法对系统噪声进行处理,将外部因素引起的噪声干扰降低了1个数量级,在不同CH4浓度梯度的实际测量中,利用CH4浓度和光强调制系数的对应关系对系统进行了标定,并通过数据拟合得到CH4浓度的反演曲线,相关系数达到0.998 83,测量灵敏度低至20×10-6,系统检测下限约为50×10-6;与传统化学传感器相比,系统测量误差小于1.5~7.0%,实现了CH4浓度的精确检测。     

Novel Optical Fiber Gas Sensor for On-line Measurement of Methane

Based on analysis of near infrared spectral absorption of methane,absorption type optical fiber methane gas sensor with high sensitivity using DFB LD as a source is demonstrated. Light source modulation harmonic measurement is presented in this paper. In order to eliminate the noise, the ratio of the fundamental and second-harmonic signals is used. The mathematical model of gas concentration harmonic measurement is built up.The detection result of methane concentration is also shown. Experiments have proved a sensitivity of 28×10~(-6).     

基于1665 nm激光器测量甲烷气体浓度的研究

介绍了一种以1665 nm分布反馈(DFB)激光器为光源,使用双光路差分吸收光谱技术(DAS)测量甲烷浓度的检测系统。双光路差分吸收光谱技术能有效抑制由于光源光强变化、探测器零点漂移等因素所引起的测量的不准确。文中对这种检测方法进行了理论和实验分析,系统的最小探测浓度为100×10-6,响应时间约为14 s。     

利用双激光光源监测甲烷浓度的光吸收法光纤传感器

基于Lamber -Beer定律 ,利用波长为 1.3 3 μm的脉冲lnP/InGaAsP半导体激光器作为测量光源 ,用低损耗的光纤进行光信号的传输并以钽酸锂热释电探测器作光电转换器件 ,设计出了一种新颍的远距离监测甲烷浓度的光纤传感系统。以此光纤传感系统为探头 ,设计出了一种可实时监测甲烷浓度的仪器 ,并能实现 3km的远距离遥测。介绍了该光纤传感系统及由该光纤传感系统构成的监测仪器的基本结构与工作原理 ,讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法 ,并给出了监测仪器相应的技术指标     

基于F-P滤波器实现宽谱光源的甲烷差分检测

构建了一种利用F-P滤波器实现甲烷气体差分检测的系统。该系统采用宽谱LED作光源，选用甲烷气体在6060．6cm^-1附近的梳状吸收谱作为探测对象，通过F-P滤波器选择与待测甲烷吸收谱匹配的探测光，对F-P的精细度和腔长进行选择，推导得出了甲烷气体浓度的计算方法，实现了系统的差分吸收检测。该系统进一步提高了气体测量的灵敏度和稳定性。     

An optical sensing system for the concentration of methane based on fiber Bragg gratings

Based on a special catalyst and fiber Bragg gratings (FBGs), an optical sensing system is proposed to measure the concen- tration of methane. The temperature of the catalyst rises rapidly as the concentration of methane increases, and hence it can be detected by an FBG-type sensor through monitoring the wavelength shift of the reflection spectrum. The experimental results show the good performances of our system, such as the high resolution and temperature stability.     

激光遥测甲烷气体最低可探测浓度

对一种使用单一激光源遥感检测甲烷方案的最低可探测的路径-积分浓度进行了理论分析和实验研究,该方案主要采用了频率调制及谐波探测技术。通过理论计算得出了最低可探测甲烷的路径-积分浓度大约为8.7×10-8m。实验中测得该探测系统的探测灵敏度为8.43×10-6m/mV,甲烷最低可探测路径-积分浓度为4.2×10-7m。结果表明该探测系统具有较高的探测灵敏度,完全满足对矿井瓦斯的实时监测要求。