光学学报, 2019, 39 (8): 0830001, 网络出版: 2019-08-07   

基于波数漂移修正算法的免标定固定点波长调制技术 下载: 980次

Research on Calibration-Free Fixed-Point Wavelength Modulation Spectroscopy Based on Wavenumber Drift-Correction Algorithm
作者单位
东南大学能源与环境学院, 江苏 南京 210096
图 & 表

图 1. 波数漂移修正算法流程图

Fig. 1. Flow chart of wavenumber drift-correction algorithm

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图 2. 谱线仿真结果。(a) CO2在4958.9674 cm-1附近的吸收谱线; (b) CO2吸收线型的HITRAN数据库仿真结果(仿真条件:x=5.02%, p=101.325 kPa, l=20 cm, T=296 K)及Lorenz线型函数拟合;(c)拟合残差

Fig. 2. Spectral simulation results. (a) CO2 spectroscopic absorption line near 4958.9674 cm-1; (b) CO2 absorption profile simulated using HITRAN database (conditions: x=5.02%, p=101.325 kPa, l=20 cm, T=296 K) with Lorenz-function fitting; (c) fitting residuals (difference between corresponding data points)

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图 3. 各组分气体在2016.55 nm波长附近的光谱吸收率仿真结果(l=20 cm)

Fig. 3. Simulation of spectral absorbance of gas species near wavelength of 2016.55 nm (l=20 cm)

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图 4. 固定点波长调制CO2测量系统

Fig. 4. Experimental setup of fixed-point wavelength modulation spectroscopy system for measuring CO2 concentration

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图 5. 标准具信号与拟合结果。(a)原始信号;(b)激光器频率响应离散点与拟合曲线;(c)拟合残差

Fig. 5. Etalon signal andfitting results. (a) Raw signal; (b) discrete points and fitting curve of laser frequency response; (c) fitting residuals

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图 6. 调制系数随时间的变化。(a)调制深度;(b)调制相位

Fig. 6. Variation of modulation coefficient with time. (a) Modulation depth; (b) modulation phase

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图 7. 实验信号与光谱吸收率。(a)原始光强信号;(b)去噪前后的光谱吸收率

Fig. 7. Experimental signals and spectral absorbance. (a) Original laser intensity signals; (b) spectral absorbance before and after denoising

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图 8. 测量结果随时间的变化。(a)出光中心波数;(b)二次谐波幅值

Fig. 8. Variation of measurement result with time. (a) Wavenumber of output laser center; (b) amplitude of second harmonic

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图 9. 浓度的测量结果。(a)采用波数漂移修正算法前后计算得到的CO2气体的摩尔分数;(b)测量相对误差

Fig. 9. Concentration measurement results. (a) Calculation results of mole fraction of CO2 before and after wavelength drift-correction algorithm; (b) relative error of measurement

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表 1所选CO2吸收谱线参数(HIRTAN2016)

Table1. Parameters of selected CO2 spectroscopic absorption lines (HITRAN2016)

v0 /cm-1S(296 K) /(cm·molecule-1)E″ /cm-1γself /(cm-1· atm-1)γair /(cm-1 ·atm-1)
4958.94933.051×10-23695.54950.1120.0844
4958.96741.075×10-21197.41660.0980.0717

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表 2矿井中各气体组分及其浓度

Table2. Species and concentrations of gas in mine

SpecieCO2H2ONH3SO2CONO2O2CH4H2S
x /%0.510.0040.00050.00240.000252010.00066

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祝仰坤, 周宾, 王一红, 连久翔, 王汗青, 陈慈伟. 基于波数漂移修正算法的免标定固定点波长调制技术[J]. 光学学报, 2019, 39(8): 0830001. Yangkun Zhu, Bin Zhou, Yihong Wang, Jiuxiang Lian, Hanqing Wang, Ciwei Chen. Research on Calibration-Free Fixed-Point Wavelength Modulation Spectroscopy Based on Wavenumber Drift-Correction Algorithm[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(8): 0830001.

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