危险气体泄漏的光学遥测技术及其进展

危险气体泄漏的防范和快速检测是当前国内外迫切需要的关键技术,危险气体一旦发生泄漏,将会对环境造成危害,造成火灾、爆炸等灾害,甚至造成生命财产的重大损失。本文介绍了几种危险气体光学遥测技术的基本原理、应用和进展:差分吸收激光雷达技术(DIAL)、可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)、傅立叶变换红外(FTIR)光谱技术、差分吸收光谱技术(DOAS)、多光谱和超光谱气体检测技术,最后对气体光学遥测有待进一步研究的关键技术进行了分析。     

大气痕量气体测量的光谱学和化学技术

简略评论了大气痕量气体测量的光谱学和化学技术。光谱技术方面重点介绍差分光学吸收光谱(DOAS)、差分吸收激光雷达(DIAL)、傅里叶变换红外光谱学(FTIR)和可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)，化学测量技术介绍色谱、质谱和色-质联用技术、化学发光测量技术、基体分离和电子自旋共振技术以及超声膨胀技术等，并对宽带光谱测量、光谱技术之间、光谱技术与化学技术之间的联用趋势，以及仪器的小型化趋势作了展望。     

烟道污染气体SO_2的差分光学吸收光谱测量

研究了利用差分光学吸收光谱(DOAS)技术测量烟道污染气体SO2的方法.介绍了差分吸收光谱的基本原理和数据处理方法.讨论并分析了测量过程中光谱波段的选择.以氘灯作为光源,分别利用光谱分辨率为0.6 nm、0.7 nm和1.8 nm的光谱仪对SO2的吸收光谱进行了测量,分析了光谱分辨率对测量结果的影响.DOAS方法分析的是吸收光谱的高频部分,避免了烟尘、水汽等对测量结果的影响,可以利用差分光学吸收光谱对烟道污染气体进行检测.     

激光雷达广域甲烷气体检测系统

由激光进行微量气体遥测,使点采样检测力所难及的广域气体浓度测试成为可能。这类方法一般称为激光雷达法。激光雷达的研究近年来正以用于大气污染检测为中心而广泛开展。激光雷达根据激光与气体分子相互作用的种类(光吸收、喇曼散射、荧光等)不同而分为几种类型。本文介绍其中的气体分子红外吸收的"差分吸收激光雷达"。     

用于全球大气温室气体探测的星载激光雷达研究

星载积分路径差分吸收(Integrated Path Differential Absorption, IPDA)激光雷达是一种有效的高精度(1 ppm)全球CO2 柱线浓度测量手段。结合 其基本工作原理分析了CO2 柱线浓度反演技术方法,并优化了工作波段和工作波长。分析了由所选波段激光频率的稳定性、 激光带宽和激光光谱纯度等激光雷达发射源参数变化所带来的CO2 柱线浓度测量误差,并给出了经过优化的设计参数。研究了 用IPDA激光雷达实现双波长脉冲发射激光的技术方法,并给出了实验验证结果,实现了1.572 m波段单脉 冲能量大于50 mJ的激光输出。     

基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测进展

差分吸收激光雷达具有探测距离远、灵敏度高、响应时间快等特点,可用于大范围大气有毒有害气体的遥感监测,成为近年来大气有毒有害气体激光遥测技术发展的重点。首先阐述了差分吸收激光雷达大气遥测基本原理,其次从激光器应用和系统平台发展两个方面分析了该技术的技术发展现状,最后提出了宽光谱、多波长、新探测体制的激光雷达、多平台应用、复合系统将成为未来基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测发展方向。     

基于外调制激光差分检测NO2气体浓度研究

NO2是大气污染的主要污染物之一,是形成光化学烟雾与酸雨的主要因素之一。吸收光谱法是有害气体检测的重要手段与发展方向。本文采用差分方法,采用蓝光激光外调制,建立实验系统,进行NO2气体浓度定点和局部测量,使信噪比不受探测器、放大器及背景噪声的限制,可有效提高气体检测灵敏度。通过光谱分析,实验光谱与标准光谱拟合、浓度反演计算等数据处理过程,取得了较好的实验结果,验证了检测系统的有效件。     

车载大气环境监测激光雷达数据处理和结果显示

本文介绍了一种用于大气污染监测的车载激光雷达.首先简要介绍了车载大气环境监测激光雷达系统的系统组成和测量原理.随后阐述了利用差分吸收测量原理(DIAL)即利用待测气体分子的光谱吸收特性测量该气体的浓度,通过对激光雷达测量得到回波数据进行处理和分析,获得O3、NO2、SO2等污染气体浓度的时空变化.并可以将污染物浓度数据根据用户需要和当时测量要求通过浓度廓线图、浓度随时间变化的分色图、浓度随扫描角变化的扫描分色图、和浓度三维立体变化分色图等方式实时显示出来.这种快速大范围的三维测量和显示O3、NO2等多种大气污染物浓度的大气监测手段为国内首创.(OE6)     

中红外差分吸收激光雷达NO2测量波长选择及探测能力模拟

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化氮浓度的有效途径。介绍了差分吸收激光雷达原理及系统结构,基于可调谐固体激光吸收技术,以0.01 nm为步长,测量了二氧化氮在3.410~3.435 m吸收光谱,实验结果表明,在1.0 atm（1 atm=1.013105 Pa）、25℃情况下,所测吸收光谱与模拟计算吸收光谱相关系数为92.01%,基于实测吸收光谱分析确定了二氧化氮测量激光波长对为on-line 3.424m、off-line 3.414m。并研究了差分吸收激光雷达二氧化氮测量信号预处理方法和去噪算法,仿真计算结果表明,采用信号预处理结合多重自相关检测法,可有效将1 km内模拟探测所得二氧化氮浓度反演结果误差降为0.1 mg/m3。     

基于便携式差分吸收光谱系统的单环芳香烃测量研究

差分吸收光谱技术(DOAS)是利用气体分子在紫外/可见波段的特征吸收来精确解析其浓度的光学方法.目前,该方法在大气污染成分探测方面有着广泛的应用.采用自行研制的便携式差分吸收光谱系统测量污染源区的单环芳香烃有机物,研究了影响单环芳香烃光谱反演的主要干扰因素,分析比较了去除O2干扰的相对和绝对浓度反演方法,给出便携式差分吸收光谱系统在光程为24 m条件下系统的检测限,并在化工厂区进行了单环芳香烃浓度的实际测量,结果表明便携式差分吸收光谱系统可应用于挥发性有机物污染源、污染泄露的应急监测.     

近红外激光吸收光谱测量火焰中CO2气体浓度

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被测气体特征吸收光谱范围内的吸收光谱,实现气体的定量分析.这种方法具有高灵敏、高选择性、快速响应、在线测量等诸多优点.介绍了利用TDLAS技术测量火焰中二氧化碳浓度的实验方法,并对消除燃烧中气体湍流造成光强波动的方法进行了研究,得到了较理想的结果.     

TDLAS技术气体检测二次谐波信号的仿真与分析

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术结合半导体激光器可调谐的特点及气体分子对特定波长能量光的吸收特性,凭借灵敏度高、响应时间短等优势广泛应用于气体浓度检测。TDLAS技术气体浓度检测包括波长调制、气体吸收、二次谐波解调等环节,吸收信号的二次谐波分量携带气体浓度信息,用于计算气体浓度。利用MATLAB对气体检测过程进行了信号仿真,并利用数字锁相放大算法提取了二次谐波信号,验证了二次谐波与气体浓度的关系。通过仿真分析了二次谐波信号随调制系数的变化关系,以便确定较佳的调制参数,为后续系统搭建与气体检测实验提供参考。     

基于TDLAS技术气体浓度测量的温度修正方法

精确检测气体浓度在大气环境保护、工业生产控制、废气排放监测等领域有着迫切需求。可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是实现气体浓度精确检测的重要方法,然而温度变化却为浓度精确测量带来较大误差,因而对检测结果进行温度修正是十分必要的。本文从理论角度出发,阐述了TDLAS技术检测气体浓度的温度影响机理,重点分析并归纳了基于TDLAS技术的气体浓度测量的温度影响修正方法,并展望了其发展趋势。     

NH3的腔增强吸收光谱检测技术

为了研究腔增强吸收光谱技术是否能用于NH₃气体浓度的检测,采用扫描腔长的方法,以分布反馈式可调谐半导体激光器作光源,用两块高反射率平凹透镜（反射率约为99.9%,曲率半径约为1m）组成的光学谐振腔作吸收池,搭建腔增强吸收光谱装置。在34cm长的吸收池内测量NH₃气体分子在1.5μm附近的弱吸收谱线;通过不断增加NH₃气体浓度来改变腔内压强,每充入一次NH₃都测量并保存一次吸收光谱。通过数据处理,分析谱线宽度随气体浓度变化的关系以及吸收度随腔内压强增加的变化情况,发现都能呈现出良好的线性关系,并对残差噪声进行统计分析,得到了3.3×10-8cm-1的最小探测灵敏度。结果表明,高探测灵敏度的腔增强吸收光谱技术,可以实现NH₃气体浓度的测量,并能得到较好的探测精度。     

基于可调谐CO2激光器的SF6差分光声检测研究

为了对电力场所SF₆气体浓度进行有效监测,采用光声光谱气体检测技术,基于波长可调谐CO₂激光器,设计了一套大气环境下的SF₆痕量气体检测系统,并提出一种差分光声光谱技术以提升光声系统的检测灵敏度。结果表明,所设计的SF₆气体检测光声系统的共振中心频率为1066Hz,品质因数为32.04,光声池常数为89.74Pa·m·W-1;利用单谱线光声法,在激光谱线10P12处检测SF₆气体的灵敏度为0.06×10-6（体积分数）;采用差分光声光谱气体技术后,在激光谱线10P12和10P16处3W强度调制光的照射下,光声系统的灵敏度提升到0.02×10-6（体积分数）。差分光声光谱技术能有效降低噪声影响,提升光声检测系统的灵敏度,具有一定的实用价值。     

中红外差分式CO检测仪的设计与实验

CO分子在4.6 m具有最强吸收峰,以此作为气体吸收的中心波长,结合光源EMS200光源的发光特性,设计开放式的球面反射镜气室,采用单探测器双通的结构,研制了一种中红外差分式CO检测仪。利用模拟混合气站配备标准的CO气体浓度,对该仪器的相关性能开展研究。研究表明:仪器分辨率为20 ppm（1 ppm=10-6）,最低检测下限为18 ppm。CO浓度在30~1 500 ppm范围内,其测量误差不超过8.5%。与激光光谱技术的CO检测仪相比,该系统采用脉冲红外热光源,其性价比高;采用开放球面反射镜气室,光路简单易于实现。所以该CO检测仪在煤矿开采、环境监测、石油化工等领域具有较高的实际应用价值。     

基于激光吸收光谱多点瓦斯监测技术的研究

研究了可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在煤矿多点瓦斯监测中的应用.分析讨论了基于光谱吸收原理的多点瓦斯实时监测系统的设计方案,TDLAS技术、分布式光纤传感技术和时分复用的信号检测技术相结合,实现多点气体浓度的光学传感.提出了在光路中嵌入标定池的方法来反演浓度.通过不同浓度的瓦斯气体对系统性能进行了测试,检测限低于60×10-6.研究表明系统方案可行,该技术具有实时、连续、非接触快速检测的特点,能够满足矿井瓦斯多点安全监测要求.关键诃: 激光吸收光谱;光纤传感技术;瓦斯;时分复用     

基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法

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 Spectroscopy,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...     

调谐二极管激光吸收层析成像技术研究进展

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)技术凭借其结构简单、非接触等优势,成为气体检测领域的关键技术,应用于气体温度、浓度、压强等参数的检测,尤其是对痕量气体的检测。但是传统TDLAS系统只能测出路径上气体浓度的积分值,而不能得到气体参数的二维分布。调谐二极管激光吸收层析成像技术(TDLAT)技术结合了TDLAS技术和计算机断层扫描(CT)技术的优势特点,在对可调谐激光光谱吸收线进行分析、计算和拟合后,重构出气体二维分布,近些年来得到广泛的关注,成为发动机诊断等领域最具潜力的方法之一。本文综述了目前TDLAT的研究现状和主要成果,并对该技术的发展趋势进行了分析和预测。