激光吸收光谱中谱线重叠干扰的解析方法

许丽; 张志荣; 董凤忠; 孙鹏帅; 夏滑; 余润磬; 李哲; 徐启铭

doi:doi:10.3788/LOP56.193003

激光与光电子学进展, 2019, 56 (19): 193003, 网络出版: 2019-10-23

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Analytical Method of Spectral Overlapping Interference Using Laser Absorption Spectroscopy

论文大纲

许丽 ^1,2张志荣 ^1,2,3,*董凤忠 ^1,2,3孙鹏帅 ¹夏滑 ¹余润磬 ¹李哲 ¹徐启铭 ⁴

作者单位

¹ 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽光子器件与材料省级重点实验室,安徽合肥 230031

² 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽合肥 230026

³ 中国科学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 台湾云林科技大学工程学院, 台湾云林 64002

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摘要

激光吸收光谱常被用于测量大气痕量气体,但某些气体在某波长附近会出现多条谱线重叠的现象,导致吸收信号产生重叠峰。以NH3气体为例,研究6529 cm -1附近的4条重叠谱线,通过Voigt线型模拟不同压强下的谱线,搭建直接吸收光谱测量实验系统。实验发现,低浓度NH3气体的谱线峰值并没有随着压强的减小而减小,反而逐渐增大。由于NH3存在吸附性,因此,采用无吸附性的CH4气体进行验证。结果表明:当气体压强为0.18 atm(≈18 kPa)时,实验谱线与模拟谱线相差最小,NH3的最大吸收峰吸光度与气体浓度成正比。研究结果为后续多气体测量过程中的干扰问题提出了解决方法。

Abstract

Laser absorption spectroscopy is widely used for monitoring trace gases in the atmosphere. However, some gases have several overlapping absorption lines. Therefore, the peak signals overlap; this affects the measured results. For example, the NH₃ peak near 6529 cm ^-1 includes four overlapping absorption lines. Absorption spectra at different pressures are simulated to obtain four absorption lines separated by Voigt-line profiles. First, the experimental platform is established by the direct absorption method. The experiment demonstrates that the peak value of the NH₃ spectra at low gas concentration does not decrease. However, the peak value increases at a lower gas pressure. The phenomenon may be attributed to the absorbability of NH₃. Therefore, the CH₄ gas, which does not exhibit absorbability, is used to verify this assumption. Finally, by analyzing the NH₃ absorption lines at different pressures, it is determined that the difference between the experimental and simulated spectra is the smallest when the gas pressure is 0.18 atm(≈18 kPa)and the maximum absorption peak of NH₃ is proportional to the gas concentration. This result solves the interference problem, which will improve future gas-detection approaches.

1 引言

激光吸收光谱技术日益成熟,已被广泛应用于环境检测、医疗以及工业过程的气体测量^[1-3]。由于该技术具有高灵敏度、高分辨率、可调谐和快速响应等特点^[4-6],因此其在大气痕量气体检测中得到了迅速发展^[7-8]。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术利用每种气体在特定的波长下产生的“指纹”吸收谱线,对该气体的浓度进行定性和定量分析^[9],常用的方法有直接吸收法和波长调制法^[10]。在测量中,若该波长处有多条较强的吸收线,系统测量得到的吸收信号就会出现重叠峰,因此需要进行谱线分离。目前,已有原子发射光谱和色谱中谱线分离的报道^[11-12],但在吸收光谱中对此的研究还比较少。通常的解决方法是寻找没有其他气体干扰的、独立的吸收谱线来替代重叠处的谱线。选择不受自身干扰的气体吸收谱线相对容易,但是选择不受其他气体干扰的吸收谱线比较困难。因此,研究谱线重叠干扰的解析方法很有必要。

近年来,国内外学者对激光吸收光谱的谱线特性进行了广泛研究:Zhou等^[13]通过光腔衰荡光谱的方式测量了呼吸气体中NO的浓度,并使用优化压强的方法对重叠干扰的CO₂吸收谱线进行分离;齐汝宾等^[14]以HITRAN数据库中的H₂O分子为例,通过理论计算并利用MATLAB软件模拟了Lorentz、Gauss、Voigt线型条件下的吸收光谱,并分析了压强对H₂O谱线线宽和峰值的影响,以及温度对H₂O分子吸收率的影响;马维光等^[15]从理论上分析了气体吸收系数,并给出了计算气体吸收系数的一般方法;Webber等^[16]分析了不同组较高浓度NH₃的测量情况。

一方面,吸收线宽会受压强的影响,减小压强能有效消除邻近谱线的吸收干扰,是重叠谱峰解析的一个可行方案;另一方面,TDLAS系统的最低调谐步长受波长调谐机制的约束,过小的压强会导致所测得的光谱点数稀疏,从而影响系统的检测限。因此,应寻求最合适的压强进行谱线分离,以达到最优的检测限。NH₃是极性气体,在吸收池内壁会产生吸附效应,在气体通入和吹脱过程中,浓度存在吸附和解析的动态平衡过程。根据勒夏特列原理,吸附量随压强的增大而增大,随温度的升高而减小。本文以NH₃气体在6529 cm^-1处的吸收谱线为例,探讨该位置附近多条较强吸收谱线所产生的谱线重叠信号的分离方法。首先讨论HITRAN 2012数据库^[16]中6529 cm^-1附近吸收谱线的参数。其次,借助LabVIEW程序构建Voigt线型数学模型。最后,通过实验测量NH₃标准气体的浓度,验证上述理论分析的可行性。此外,在实验中通过分析无吸附的CH₄标准气体来验证NH₃的吸附对测量结果的影响。

2 基本原理

根据Lambert-Beer定律,吸收谱线频率为ν、光强为I₀(ν)的入射光束经过气体吸收后,透射光强I(ν)为

\begin{matrix} I (ν) = I_{0} (ν) \exp [- α (ν) CL], (1) \end{matrix}

式中:α(ν)为气体吸收系数;C为吸收气体的体积分数;L为气体吸收光程。α(ν)表示气体对特定波长的吸收能力,可以表示为

\begin{matrix} α (ν) = - \frac{1}{L} \ln [\frac{I (ν)}{I_{0} (ν)}] = S (T) Φ (ν) Cp, (2) \end{matrix}

式中:S(T)为在热力学温度为T(单位为K)时的气体吸收线强(单位为cm^-2·atm^-1,1 atm=101.325 kPa);Φ(ν)为积分面积归一化的吸收线型函数;p为气体总压强(单位为atm)。在HITRAN数据库中,吸收线强S^*单位为cm^-1/(molecule·cm^-2),S^*与S(T)的转化关系为

\begin{matrix} S (T) = 7.34165195 \times 10^{21} \frac{S^{*}}{T} 。 (3) \end{matrix}

3 LabVIEW程序的线型数学模型

吸收谱线的线型函数Φ(ν)表示该谱线吸收率随光谱频率的变化。根据不同的谱线展宽机制,谱线线型可分为三种:高压环境下碰撞展宽占主导地位,使用Lorentz线型描述;低压环境中Doppler展宽(自然展宽)表现明显,主要由Gauss线型描述;通常情况下,因为上述两种展宽机制同时存在,使用Gauss线型或者Lorentz线型都不能更好地描述吸收线型,所以采用第三种线型,即Voigt线型。Voigt线型的描述更准确,为Lorentz线型和Gauss线型的卷积形式,即

\begin{matrix} Φ_{V} (ν - ν_{0}) = \frac{2}{δ_{1}} \sqrt[]{\frac{\ln 2}{π}} \int_{-}^{\infty} \frac{\exp (- t^{2})}{y^{2} + {(x - t)}^{2}} dt, (4) \end{matrix}

式中:ν₀为中心吸收频率;δ₁为Doppler展宽的半峰全宽;δ₂为碰撞展宽的半峰全宽;y= $\begin{matrix} \frac{\sqrt[]{\ln 2} δ_{2}}{δ_{1}} \end{matrix}$ ;x= $\begin{matrix} \frac{2 \sqrt[]{\ln 2} (ν - ν_{0})}{δ_{1}} \end{matrix}$ ;t为时间。

将(4)式修正到二级近似,为

\begin{matrix} \begin{matrix} Φ_{V} (ν - ν_{0}) = 0.0016 (1 - \frac{δ_{2}}{δ_{3}}) \frac{δ_{2}}{δ_{3}} \cdot \\ \{\exp [- 0.4 {(\frac{ν - ν_{0}}{2 δ_{3}})}^{2.25}] - \frac{10}{10 + {(\frac{ν - ν_{0}}{2 δ_{3}})}^{2.25}}\} + \\ (1 - \frac{δ_{2}}{δ_{3}}) \exp [- 2.772 {(\frac{ν - ν_{0}}{2 δ_{3}})}^{2}] + \frac{δ_{2}}{δ_{3}} \frac{1}{1 + 4 {(\frac{ν - ν_{0}}{2 δ_{3}})}^{2}}, (5) \end{matrix} \end{matrix}

式中:δ₃为Voigt线型的半峰全宽。δ₁的表达式为

\begin{matrix} δ_{1} = 3.58 \times 10^{- 7} ν_{0} \sqrt[]{\frac{T}{M}}, (6) \end{matrix}

式中:M为分子质量。碰撞展宽表示气体分子自身之间以及与其他气体分子之间碰撞引起的展宽,因此又称为压力展宽。假设碰撞展宽与气体压强成正比,对于多元素混合气体,δ₂为

\begin{matrix} δ_{2} = \frac{1}{2} p \sum_{j} X_{j} 2 γ_{air} 2 γ_{self}, (7) \end{matrix}

式中:X_j为碰撞气体的物质的量分数;j为混合气体种类数量;2γ_self为气体分子自身碰撞的自展宽系数;2γ_air为气体分子与空气中其他气体碰撞的空气展宽系数,空气中N₂和O₂的展宽系数包含在2γ_air中。

Voigt线型的半峰全宽δ₃可表示为

\begin{matrix} δ_{3} = \frac{1}{2} (1.0692 δ_{2} + \sqrt[]{0.86639 δ_{2}^{2} + 4 δ_{1}^{2}}) 。 (8) \end{matrix}

拟合得到Voigt线型的峰值I^*与吸收线强S^*的关系为

\begin{matrix} \begin{matrix} I^{*} = \\ \frac{S^{*}}{2 δ_{3} [1.065 + 0.447 (δ_{2} / δ_{3}) + 0.058 (δ_{2} / δ_{3})^{2}]}, (9) \end{matrix} \end{matrix}

反演得到的Voigt线型轮廓f(ν-ν₀)为

\begin{matrix} f (ν - ν_{0}) = Φ_{V} (ν - ν_{0}) I^{*}, (10) \end{matrix}

谱线吸光度为

\begin{matrix} A = - \int \ln [\frac{I (ν)}{I_{0} (ν)}] dν = \int f (ν - ν_{0}) \frac{7.34165195 \times 10^{21}}{T} pCLdν 。 (11) \end{matrix}

采用PeakFit v4.12软件进行谱峰分离,得到不同条件下分离的吸收能谱线,从而进行实验分析。采用多峰拟合算法先确定谱线的中心吸收频率ν₀以及Voigt线型的半峰全宽δ₃,再根据(9)式得到峰值I^*,最后反演出分离的单个谱线。

4 实验装置

激光吸收光谱的实验原理图和实验装置图如图1和图2所示。采用直接吸收法进行测量,激光输出频率需要在一定范围内扫描输出。实验过程如下:首先由信号发生器产生三角扫描信号,通过驱动电路将扫描信号加载至激光器,调谐激光器使其输出激光的波长范围能够覆盖所选择的测量吸收峰。调制的激光经过分束比为1∶9的光纤分束器分为2束。一束光经过标准具后由探测器2接收,利用探测器测量所得的干涉条纹,将输出的激光从时域转化到频域,并进行波长的标定。另一束光经过准直器后在样品池中发生多次反射,被气体吸收后由前置放大器和采集卡完成信号的采集。吸收池中的气体压强由真空泵实时控制,压力传感器安装在吸收池的中部,二者结合完成气体吸收池内气体压强的全自动监测和稳定控制。

图 1. 激光吸收光谱的实验原理图

Fig. 1. Schematic of experiment for laser absorption spectroscopy

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图 2. 激光吸收光谱的实验装置图

Fig. 2. Picture of experimental device for laser absorption spectroscopy

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5 波长选择及压强优化

通过查询HITRAN 2012数据库可知,当热力学温度为296 K时,波数6500 cm^-1附近的NH₃、CO₂和H₂O的吸收线强S(T)如图3所示。从图3可以看出,在近红外波段,NH₃在6530 cm^-1处有较强的吸收,此处避开了CO₂和H₂O的干扰,如图3中方框所示,6528 cm^-1附近的NH₃有较强的吸收,而H₂O的吸收线位于6530 cm^-1,因此不需要考虑H₂O和CO₂对吸收线的影响,仅考虑自身谱线干扰的影响。

图 3. 热力学温度为296 K时NH3、CO2和H2O的谱线。(a) NH3;(b) CO2;(c) H2O

Fig. 3. Absorption lines of NH3, CO2, and H2O when thermodynamic temperature is 296 K. (a) NH3; (b) CO2; (c) H2O

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实验选取6528.8 cm^-1附近4条同量级的强度吸收线,其各项参数如表1所示。假设光程为20 m,通过LabVIEW程序模拟得到的体积分数为1.9×10^-5的NH₃标准气体(压强为1.013×10⁵ Pa,热力学温度为296 K)的吸收谱线如图4所示。从图4中可以看出,6528.8 cm^-1附近存在明显的重叠峰。

表 1. HITRAN 2012数据库中NH3标准气体在6528.8 cm-1附近的吸收线强

Table 1. Absorption line intensity of NH3 standard gas near 6528.8 cm-1 from HITRAN 2012 dataset

Wave number /cm^-1	Spectral line intensity /(10^-21cm^-1·molecule^-1·cm²)
6528.7685	1.174
6528.7732	1.174
6528.8998	1.350
6529.1901	1.230

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图 4. 体积分数为1.9×10-5的NH3标准气体的模拟吸收谱线

Fig. 4. Simulated absorption spectrum of NH3 standard gas with volume fraction of 1.9×10-5

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依据上述分析,体积分数为1.9×10^-5的NH₃标准气体在296 K、不同压强时的谱线直接吸收线型如图5所示。由图5(a)和图5(b)可知,当压强为0.5 atm和0.25 atm时,吸收谱线存在重叠,会受到波数为6528.89 cm^-1处吸收峰的干扰。进一步减小气体压强至0.1 atm时,吸收谱线如图5(c)所示,谱线之间几乎不存在相互影响,满足了谱线提取和解析的要求。如果要实现吸收线的完全分离,则需要将气体压强减小至0.1 atm以下。当压强大于0.5 atm时,重叠吸收谱线无法分离,谱线的最大吸收峰线宽为0.096 cm^-1。当压强为0.1 atm时,吸收谱线完全分离,谱线的最大吸收峰线宽为0.03 cm^-1。为了更明显地进行对比,6529.19 cm^-1处无干扰的直接吸收信号也在图5中给出。重叠峰解析有利于提高测量系统的分辨率,提升测量的精准度。然而,随着压强的减小,数据采样点数也会逐渐减少,过小的压强会导致采样点数过于稀疏,从而影响最终的数据分析。

图 5. 体积分数为1.9×10-5时,不同压强下NH3气体的模拟吸收谱线。(a) 0.5 atm;(b) 0.25 atm;(c) 0.1 atm

Fig. 5. Simulated absorption spectra under different pressures of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5. (a) 0.5 atm; (b) 0.25 atm; (c) 0.1 atm

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6 实验分析

6.1 NH3吸附特征研究

在低浓度NH₃测量过程中,随着压强减小,NH₃气体的吸收峰逐渐升高。当气体压强为0.25 atm时,NH₃气体的吸收峰最低,如图6所示,这可能是因为NH₃气体存在吸附特性。常压下,NH₃气体会吸附周围气体分子,导致谱峰降低,测量浓度降低。在低压下,NH₃气体会释放出吸附气体,使得测量结果偏高。

图 6. 体积分数为1.9×10-5的NH3气体在不同压强下的吸收谱线

Fig. 6. Absorption spectra of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5 under different pressures

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为了验证上述推测的准确性,对体积分数为10^-4的无吸附特性的CH₄气体进行深入研究。经查询HITRAN数据库发现,在6049.9729 cm^-1处,CH₄气体存在三条重叠谱线,如表2。采用上述理论模拟得到的CH₄气体在不同压强下的吸收谱线如图7所示。激光器参数为0.000062 nm/mA,因此设置电流为124.1 mA,温度为30.8 ℃,电流扫描范围为24.39 mA,吸收池光程为20 m。图8所示为实验测得的CH₄气体在不同压强下的吸收谱线。通过CH₄实验可以发现,随着气体压强增大,吸收谱线的峰值逐渐减小,与NH₃现象相反。这表明,低压下NH₃存在强烈的吸附性,因此在后续测量过程中需要考虑该问题。

表 2. HITRAN 2012数据库中CH4在6046.9 cm-1附近的吸收线强

Table 2. Absorption line intensity of CH4 near 6046.9 cm-1 from HITRAN 2012 dataset

Wave number /cm^-1	Spectral line intensity /(10^-22cm^-1·molecule^-1·cm²)
6046.9425	7.877
6046.9516	9.277
6046.9635	1.455

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6.2 NH3测量压强的优化

测量不同压强下的NH₃标准气体,并与HITRAN数据进行对比。当压强为0.18 atm时,实际测量的吸收信号与模拟谱线相差最小。在该压强下,吸附的气体分子与释放的分子处于动态平衡。此时可以得到较完整的吸收峰,易于分离吸收谱线。图9所示为实际测量得到的体积分数为1.9×10^-5、压强为0.18 atm时的NH₃的吸收谱线。由于浓度越小,得到的直接吸收的信号伴随的噪声越大,因此,谱线的平滑度有待加强。尽管如此,该压强下气体谱线的最大吸收峰值与浓度仍然成正比,如图10所示。当压强为0.18 atm时,分别测量体积分数为5×10^-6、19×10^-6、50×10^-6、90×10^-6、105×10^-6的NH₃标准气体,记录最大吸收峰的吸光度,并列于表3中,通过一次线性拟合得到线性相关度为0.99996。拟合结果表明,NH₃的吸光度随着气体浓度的增大而增大,二者成正比。

图 7. 体积分数为10-4的CH4气体在不同压强下的模拟吸收谱线。(a) 0.1 atm;(b) 0.2 atm;(c) 0.3 atm;(d) 1.0 atm

Fig. 7. Simulated absorption spectra of CH4 with volume fraction of 10-4 under different pressures. (a) 0.1 atm; (b) 0.2 atm; (c) 0.3 atm; (a) 1.0 atm

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图 8. 实验测得的体积分数为10-4的CH4气体在不同压强下的吸收谱线

Fig. 8. Experimentally measured absorption spectra of CH4 with volume fraction of 10-4 under different pressures

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图 9. 实际测量得到的压强为0.18 atm、体积分数为1.9×10-5的NH3气体的吸收谱线

Fig. 9. Measured absorption spectrum of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5 when pressure is 0.18 atm

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图 10. 压强为0.18 atm时NH3气体浓度与吸光度的拟合

Fig. 10. Fitting of NH3 concentration and its absorbance when pressure is 0.18 atm

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表 3. 压强为0.18 atm时不同浓度NH3的最大吸光度

Table 3. Maximum absorbance of NH3 with different concentrations under pressure of 0.18 atm

Volume fraction /10^-6	Maximum absorbance
5	0.00165
19	0.00746
50	0.01640
90	0.02924
105	0.03437

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7 结论

本文通过吸收线型数学模型生成不同压强下的NH₃吸收谱线,通过减小压强对重叠的谱线进行分离。在减小压强的过程中,NH₃可能存在吸附性,因此通过测量体积分数为10^-4的CH₄气体进行验证。对于无吸附特征的CH₄气体,随着气体压强减小,吸收谱线的峰高和半峰全宽逐渐降低;对于存在吸附性的NH₃气体,随着气体压强的减小,吸收峰反而逐渐升高。通过实际测量体积分数为1.9×10^-5的NH₃气体发现,气体压强为0.18 atm时的实验谱线与模拟谱线相差最小。NH₃的最大吸收峰吸光度与气体浓度成正比。

本实验存在以下问题:直接吸收法检测灵敏度有限,在基线拟合过程中存在一定误差;气体浓度偏低,因此测量过程中产生的噪声需要更妥善地处理,建议采用一定的滤波技术。低浓度的NH₃存在吸附性,在实际应用中需要谨慎处理。

参考文献

[1] Kormann R, Fischer H, Gurk C, et al. Application of a multi-laser tunable diode laser absorption spectrometer for atmospheric trace gas measurements at sub-ppbv levels[J]. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2002, 58(11): 2489-2498.

[2] Giubileo G. Medical diagnostics by laser-based analysis of exhaled breath[J]. Proceedings of SPIE, 2002, 4762: 318-325.

[3] Rocco A, de Natale G, de Natale P, et al. . A diode-laser-based spectrometer for in situ measurements of volcanic gases[J]. Applied Physics B, 2004, 78(2): 235-240.

[4] Barrass S, Gérard Y, Holdsworth R J, et al. Near-infrared tunable diode laser spectrometer for the remote sensing of vehicle emissions[J]. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2004, 60(14): 3353-3360.

[5] Li N, El-Hamalawi A, Baxter J, et al. Tuneable diode laser spectroscopy correction factor investigation on ammonia measurement[J]. Atmospheric Environment, 2018, 172: 12-15.

[6] 韩荦, 夏滑, 董凤忠, 等. 腔增强吸收光谱技术研究进展及其应用[J]. 中国激光, 2018, 45(9): 0911003.

Han L, Xia H, Dong F Z, et al. Progress and application of cavity enhanced absorption spectroscopy technology[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(9): 0911003.

[7] Ma Y F, He Y, Tong Y, et al. Ppb-level detection of ammonia based on QEPAS using a power amplified laser and a low resonance frequency quartz tuning fork[J]. Optics Express, 2017, 25(23): 29356-29364.

[8] Sun K, Tao L, Miller D J, et al. Vehicle emissions as an important urban ammonia source in the United States and China[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 51(4): 2472-2481.

[9] Lins B, Zinn P, Engelbrecht R, et al. Simulation-based comparison of noise effects in wavelength modulation spectroscopy and direct absorption TDLAS[J]. Applied Physics B, 2010, 100(2): 367-376.

[10] Roscoe H K, Clemitshaw K C. Measurement techniques in gas-phase tropospheric chemistry: a selective view of the past, present, and future[J]. Science, 1997, 276(5315): 1065-1072.

[11] Zhang B, Yu H B, Sun L X, et al. A method for resolving overlapped peaks in laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)[J]. Applied Spectroscopy, 2013, 67(9): 1087-1097.

[12] Goodman K J, Brenna J T. Curve fitting for restoration of accuracy for overlapping peaks in gas chromatography/combustion isotope ratio mass spectrometry[J]. Analytical Chemistry, 1994, 66(8): 1294-1301.

[13] Zhou S, Han Y L, Li B C. Pressure optimization of an EC-QCL based cavity ring-down spectroscopy instrument for exhaled NO detection[J]. Applied Physics B, 2018, 124(2): 27.

[14] 齐汝宾, 赫树开, 李新田, 等. 基于HITRAN光谱数据库的TDLAS直接吸收信号仿真研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2015, 35(1): 172-177.

Qi R B, He S K, Li X T, et al. Simulation of TDLAS direct absorption based on HITRAN database[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(1): 172-177.

[15] 马维光, 尹王保, 黄涛, 等. 气体峰值吸收系数随压强变化关系的理论分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2004, 24(2): 135-137.

Ma W G, Yin W B, Huang T, et al. Analysis of gas absorption coefficient at various pressures[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2004, 24(2): 135-137.

[16] Webber M E, Baer D S, Hanson R K. Ammonia monitoring near 1.5 μm with diode-laser absorption sensors[J]. Applied Optics, 2001, 40(12): 2031-2042.

许丽, 张志荣, 董凤忠, 孙鹏帅, 夏滑, 余润磬, 李哲, 徐启铭. 激光吸收光谱中谱线重叠干扰的解析方法[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(19): 193003. Li Xu, Zhirong Zhang, Fengzhong Dong, Pengshuai Sun, Hua Xia, Runqing Yu, Zhe Li, Qiming Xu. Analytical Method of Spectral Overlapping Interference Using Laser Absorption Spectroscopy[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(19): 193003.

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1 引言

2 基本原理

3 LabVIEW程序的线型数学模型

4 实验装置

图 1. 激光吸收光谱的实验原理图

Fig. 1. Schematic of experiment for laser absorption spectroscopy

图 2. 激光吸收光谱的实验装置图

Fig. 2. Picture of experimental device for laser absorption spectroscopy

5 波长选择及压强优化

图 3. 热力学温度为296 K时NH3、CO2和H2O的谱线。(a) NH3;(b) CO2;(c) H2O

Fig. 3. Absorption lines of NH3, CO2, and H2O when thermodynamic temperature is 296 K. (a) NH3; (b) CO2; (c) H2O

表 1. HITRAN 2012数据库中NH3标准气体在6528.8 cm-1附近的吸收线强

Table 1. Absorption line intensity of NH3 standard gas near 6528.8 cm-1 from HITRAN 2012 dataset

图 4. 体积分数为1.9×10-5的NH3标准气体的模拟吸收谱线

Fig. 4. Simulated absorption spectrum of NH3 standard gas with volume fraction of 1.9×10-5

图 5. 体积分数为1.9×10-5时,不同压强下NH3气体的模拟吸收谱线。(a) 0.5 atm;(b) 0.25 atm;(c) 0.1 atm

Fig. 5. Simulated absorption spectra under different pressures of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5. (a) 0.5 atm; (b) 0.25 atm; (c) 0.1 atm

6 实验分析

6.1 NH3吸附特征研究

图 6. 体积分数为1.9×10-5的NH3气体在不同压强下的吸收谱线

Fig. 6. Absorption spectra of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5 under different pressures

表 2. HITRAN 2012数据库中CH4在6046.9 cm-1附近的吸收线强

Table 2. Absorption line intensity of CH4 near 6046.9 cm-1 from HITRAN 2012 dataset

6.2 NH3测量压强的优化

图 7. 体积分数为10-4的CH4气体在不同压强下的模拟吸收谱线。(a) 0.1 atm;(b) 0.2 atm;(c) 0.3 atm;(d) 1.0 atm

Fig. 7. Simulated absorption spectra of CH4 with volume fraction of 10-4 under different pressures. (a) 0.1 atm; (b) 0.2 atm; (c) 0.3 atm; (a) 1.0 atm

图 8. 实验测得的体积分数为10-4的CH4气体在不同压强下的吸收谱线

Fig. 8. Experimentally measured absorption spectra of CH4 with volume fraction of 10-4 under different pressures

图 9. 实际测量得到的压强为0.18 atm、体积分数为1.9×10-5的NH3气体的吸收谱线

Fig. 9. Measured absorption spectrum of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5 when pressure is 0.18 atm

图 10. 压强为0.18 atm时NH3气体浓度与吸光度的拟合

Fig. 10. Fitting of NH3 concentration and its absorbance when pressure is 0.18 atm

表 3. 压强为0.18 atm时不同浓度NH3的最大吸光度

Table 3. Maximum absorbance of NH3 with different concentrations under pressure of 0.18 atm

7 结论

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激光吸收光谱中谱线重叠干扰的解析方法 下载： 1494次

1 引言

2 基本原理

3 LabVIEW程序的线型数学模型

4 实验装置

图 1. 激光吸收光谱的实验原理图

Fig. 1. Schematic of experiment for laser absorption spectroscopy

图 2. 激光吸收光谱的实验装置图

Fig. 2. Picture of experimental device for laser absorption spectroscopy

5 波长选择及压强优化

图 3. 热力学温度为296 K时NH3、CO2和H2O的谱线。(a) NH3;(b) CO2;(c) H2O

Fig. 3. Absorption lines of NH3, CO2, and H2O when thermodynamic temperature is 296 K. (a) NH3; (b) CO2; (c) H2O

表 1. HITRAN 2012数据库中NH3标准气体在6528.8 cm-1附近的吸收线强

Table 1. Absorption line intensity of NH3 standard gas near 6528.8 cm-1 from HITRAN 2012 dataset

图 4. 体积分数为1.9×10-5的NH3标准气体的模拟吸收谱线

Fig. 4. Simulated absorption spectrum of NH3 standard gas with volume fraction of 1.9×10-5

图 5. 体积分数为1.9×10-5时,不同压强下NH3气体的模拟吸收谱线。(a) 0.5 atm;(b) 0.25 atm;(c) 0.1 atm

Fig. 5. Simulated absorption spectra under different pressures of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5. (a) 0.5 atm; (b) 0.25 atm; (c) 0.1 atm

6 实验分析

6.1 NH3吸附特征研究

图 6. 体积分数为1.9×10-5的NH3气体在不同压强下的吸收谱线

Fig. 6. Absorption spectra of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5 under different pressures

表 2. HITRAN 2012数据库中CH4在6046.9 cm-1附近的吸收线强

Table 2. Absorption line intensity of CH4 near 6046.9 cm-1 from HITRAN 2012 dataset

6.2 NH3测量压强的优化

图 7. 体积分数为10-4的CH4气体在不同压强下的模拟吸收谱线。(a) 0.1 atm;(b) 0.2 atm;(c) 0.3 atm;(d) 1.0 atm

Fig. 7. Simulated absorption spectra of CH4 with volume fraction of 10-4 under different pressures. (a) 0.1 atm; (b) 0.2 atm; (c) 0.3 atm; (a) 1.0 atm

图 8. 实验测得的体积分数为10-4的CH4气体在不同压强下的吸收谱线

Fig. 8. Experimentally measured absorption spectra of CH4 with volume fraction of 10-4 under different pressures

图 9. 实际测量得到的压强为0.18 atm、体积分数为1.9×10-5的NH3气体的吸收谱线

Fig. 9. Measured absorption spectrum of NH3 with volume fraction of 1.9×10-5 when pressure is 0.18 atm

图 10. 压强为0.18 atm时NH3气体浓度与吸光度的拟合

Fig. 10. Fitting of NH3 concentration and its absorbance when pressure is 0.18 atm

表 3. 压强为0.18 atm时不同浓度NH3的最大吸光度

Table 3. Maximum absorbance of NH3 with different concentrations under pressure of 0.18 atm

7 结论

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