1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026 国科学院合肥物质科学研究院, 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
2 国科学院合肥物质科学研究院, 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
傅里叶变换红外光谱技术可同时测量多种温室气体组分的浓度。 仪器噪声和谱线重叠效应会对光谱数据的质量产生影响, 从而影响各组分反演浓度的结果。 针对上述问题, 使用不同数量的主成分对时序测量光谱矩阵进行重建, 并将重建光谱矩阵与原始光谱矩阵之间的欧式距离和余弦距离作为动态选择主成分数量的判据, 重建时序测量光谱, 从而提高时序光谱数据的质量。 采用该方法分别对数值仿真光谱、 标准气体测量光谱和外场实验测量光谱进行了处理。 结果表明, 叠加0.001 RMS噪声的数值仿真光谱经过光谱重建后, 光谱的结构特征未明显改变, 重建光谱与原始光谱之间的残差标准差为4.191×10-4, 有效降低了测量光谱中噪声的影响。 采用该方法对标准气体的平均测量光谱进行了重建, 并比较了重建光谱与平均光谱的反演浓度精度。 1 min平均测量光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.24 μmol·mol-1、 CH4: 5.24 nmol·mol-1、 N2O: 2.92 nmol·mol-1和CO: 4.72 nmol·mol-1; 5 min平均测量光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.18 μmol·mol-1、 CH4: 2.30 nmol·mol-1、 N2O: 1.03 nmol·mol-1和CO: 1.53 nmol·mol-1; 1 min重建光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.17 μmol·mol-1、 CH4: 2.97 nmol·mol-1、 N2O: 0.72 nmol·mol-1和CO: 1.40 μmol·mol-1; 5 min重建光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.15 μmol·mol-1、 CH4: 1.74 nmol·mol-1、 N2O: 0.29 nmol·mol-1和CO: 0.97 nmol·mol-1。 利用重建光谱进行反演能够显著提高气体反演浓度的精度, 5 min重建光谱反演浓度的精度结果能够达到WMO/GAW的扩展测量精度要求。 在外场实验中, 1 min重建光谱反演CO2得到的浓度与1 min平均光谱反演得到的CO2浓度的相关系数可达到89.40%。 综合分析可知, 对FTIR时序光谱数据进行主成分动态选择不仅降低了时序测量光谱中噪声的影响, 而且有效保留了时序测量光谱的特征变化信息。
傅里叶变换红外光谱 主成分分析 光谱降噪 温室气体 FTIR Principal component analysis Spectral noise reduction Greenhouse gas 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2313
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 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
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031
为了促进激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在土壤重金属元素检测中的应用，提高重金属元素检测灵敏度，研究向土壤样品中掺杂不同比例NaCl粉末对重金属Cd元素LIBS光谱增强效果，结果表明：向土壤样品中掺杂NaCl粉末可以显著提高Cd元素特征谱线强度。当NaCl掺杂质量分数为90%时，Cd元素2条特征谱线Cd 214.441 nm、Cd 228.802 nm的检测限分别从30.57 mg/kg降低至1.526 mg/kg、从28.12 mg/kg降低至2.501 mg/kg。计算等离子温度和电子密度，二者均随着NaCl掺杂质量分数的增加而逐渐升高，掺杂NaCl可以有效提高激光与土壤的耦合效率，增加土壤的烧蚀量，从而增强Cd元素光谱强度，该研究结果对LIBS在微量重金属检测中的应用具有重要的参考意义。
激光诱导击穿光谱 土壤Cd元素 NaCl掺杂 等离子体温度 电子数密度 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1730006
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究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
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601
土壤作为多环芳烃类有机污染物的主要环境归宿，使用传统色谱和荧光光谱分析方法对残留在其中的多环芳烃进行检测常存在局限性，难以满足动态快速监测土壤污染状况的实际需求。为了实现对土壤多环芳烃的快速检测，设计搭建255 nm紫外LED诱导荧光光谱检测系统，以?、荧蒽、菲和芘4种多环芳烃为研究对象，探讨了不同土壤类型中多环芳烃的LED诱导荧光特性，验证了LED诱导荧光快速检测方法应用于土壤多环芳烃污染物检测的可行性。实验结果表明，在一定的浓度范围内，标准黄土、高岭土中多环芳烃在特征荧光峰处的荧光强度与浓度均呈现出良好的线性相关性（R2>0.98）。在对受多环芳烃污染的实际土样进行检测时，通过建立定点波长浓度反演模型来实现对多环芳烃浓度的定量分析，测试集浓度预测的相对误差基本在理想范围内，对不同多环芳烃土样的平均相对误差最大不超过15.5%。
土壤 多环芳烃 诱导荧光光谱 紫外发光二极管 定量检测 光学学报
2023, 43(18): 1812003
强激光与粒子束
2023, 35(6): 062002
强激光与粒子束
2023, 35(6): 062001
1 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京 100083
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
3 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
4 中国电子科技集团公司第五十四研究所光通信研发中心，河北 石家庄 050081
基于微环谐振腔和光纤布拉格光栅，利用相位-强度调制，实现了三种滤波响应可切换微波光子滤波器。通过改变光纤布拉格光栅反射谱、微环谐振腔陷波和光载波三者之间的相对波长，微波光子滤波器的滤波响应可以在带通、平顶带通和高通之间切换。制备了欧拉微环并搭建了微波光子滤波器系统，实现了上述三种响应。三种响应的带宽均具有一定的调谐能力，其调谐范围分别为5.56~7.68 GHz、6.23~11.92 GHz和5.83~10.86 GHz。三种响应下微环的插入损耗均小于10 dB。可切换的滤波响应使该微波光子滤波器具有更高的灵活性，在频率测量、杂散抑制等场景中具有广阔的应用空间。
集成光学 微波光子滤波器 微环谐振腔 光纤布拉格光栅 响应可切换 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0913001
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
工业园区中边界污染气体的浓度不仅受工业园区无组织污染源的排放影响, 也受园区道路机动车尾气的扩散影响。 利用AG-FTIR-DA3000型开放光程傅里叶变换红外光谱（Open-FTIR）测量系统, 对厂区边界污染气体进行实时在线测量, 确定污染气体厂界实测浓度。 同时, 针对机动车尾气扩散影响厂区边界污染气体浓度的问题, 通过AG-FTIR-DX4000型便携式傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量系统, 确定不同排放标准下机动车尾气污染源浓度。 利用便携式FTIR测量结果、 风速风向、 大气稳定度、 车流量等变量因素建立参考坐标, 给出了高斯扩散的数理模型。 并结合Open-FTIR, 对Open-FTIR的测量路径进行积分计算并构建点线源扩散模型, 从而建立各种排放标准的烟团线源扩散表。 将Open-FTIR实测浓度与构建的点线源扩散模型模拟浓度相结合, 分析工业园区边界污染气体的来源。 结果表明: 厂区边界污染气体主要包括一氧化碳、 甲烷、 乙烯、 乙醛、 丙烯、 甲醇、 丙醛、 异丁烯、 甲醛、 二氧化硫, 其中一氧化碳、 甲烷、 乙烯浓度受机动车尾气的扩散影响。 早晚高峰期时, 机动车尾气的扩散对边界污染气体浓度影响较大; 非高峰期, 在1:00时与4:00—6:00时浓度骤升, 出现高浓度点, 不符合机动车尾气模型排放规则, 主要受园区排放影响。 其最高浓度与集中浓度分别为: 5.50与4.00 mg·m-3; 1.85与1.60 mg·m-3; 78.00与40.00 μg·m-3。 对比扩散表, 符合尾气扩散浓度分布结果。 其他测量结果组分的最高值和平均值依次为: 1.65与1.40 mg·m-3; 2.60与1.27 mg·m-3; 43.53与11.40 mg·m-3; 310.23与839.05 μg·m-3; 76.32与38.96 μg·m-3; 47.70与25.20 μg·m-3; 1.33与1.16 mg·m-3。 该研究不仅实现了工业园区边界多组分污染气体的实时在线测量, 同时结合外场环境及便携式FTIR测量结果实现了边界污染气体浓度的混合测定。 为今后对工业园区边界污染气体的来源判断提供了一种分析思路。
厂区边界 机动车尾气 扩散模型 Factory boundary VOCs VOCs FTIR FTIR Motor vehicle exhaust Diffusion model 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3762
中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
多环芳烃(PAHs)是一类在自然环境中常见且广泛存在的有毒有害有机物。 其主要来源有自然界的各种微生物以及植物的生物合成, 富含植被区域的天然火灾, 火山的喷发物, 化石燃料以及人为工业碳氢化合物的不完全燃烧和运输过程中的石油泄漏等。 多环芳烃的毒性较为强烈, 具有生物致癌性, 遗产毒性和致突变性。 它对于人体呼吸系统, 循环系统, 神经系统有着多方面的危害, 是一种重要的有机污染物, 因此有必要对多环芳烃的现场监测和分析方法进行研究。 目前对于多环芳烃的分析方法主要有化学分析法和光谱分析法。 化学分析法包含有前处理的化学滴定法, 液相色谱法(LC), 高效液相色谱法(HPLC), 气相色谱质谱法(GC-MS); 光谱学分析法涉及紫外吸收光谱, 荧光光谱和三维荧光光谱等。 三维荧光光谱同时获得激发波长和发射波长的信息, 因而包含的光学信息十分丰富, 灵敏度高, 光谱特征显著, 在实际水体的现场检测和水体样本混合组分的快速研究有明显的优势。 常见的三维荧光光谱解析方法有平行因子分析法(PARAFAC), 多维偏最小二乘法(N-PLS)等。 平行因子分析是分析多环芳烃重叠三维荧光光谱的一种有效方法。 但有时由于多种组分的荧光较弱, 它对三维荧光光谱的欠定分析并不能得到令人满意的结果。 为了从两个样品中提取更多的成分, 提出一种基于奇异值分解(SVD)和PARAFAC的方法。 首先对每个观测样本进行奇异值分解, 根据累积贡献率选取合适的奇异值, 构造新的伪样本来突出微弱的荧光信号。 然后, 将两个观测样品及其对应的伪样品输入PARAFAC, 恢复组分光谱。 为验证所提方法的有效性, 对三组不同荧光强度的多环芳烃重叠三维荧光光谱进行了分析。 结果表明, 从两个混合样品中提取并识别出6个多环芳烃的纯组分光谱, 其分辨发射和激发光谱与标准光谱的相似性均在0.80以上。
欠定分析 弱荧光信号 平行因子分析 奇异值分解 多环芳烃 Underdetermined analysis Weak fluorescence signal Parallel factor analysis Singular value decomposition Polycyclic aromatic hydrocarbons 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3494
中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
被动傅里叶变换红外(FTIR)扫描遥测成像系统采集的红外高光谱图像具有空间、 光谱等维度信息, 可被用于大气环境中有毒有害气体的识别、 定量及可视化。 该系统具有光谱分辨率高、 非接触式及远距离探测等优点, 然而其单帧图像的像元数量少且部分存在气体吸收或发射特征, 无法直接用于红外高光谱图像的目标检测。 提出了基于多帧背景的泄漏气体自适应匹配滤波(AMF)检测方法, 以短时间内、 同一区域的多帧红外高光谱图像为基础, 筛选出无目标气体特征的背景光谱并计算探测区域的背景最大似然估计, 应用于后续帧的目标气体泄漏检测。 红外高光谱图像来自于SF6气体的遥测实验, 共扫描四帧(120像元/帧), 去除前三帧内含有目标气体特征的像元光谱, 剩余背景光谱被用于计算背景的最大似然估计, 第四帧红外高光谱图像逐像元对SF6气体进行的AMF检测, 并与非线性最小二乘法反演的SF6柱浓度图像比对, 结果表明AMF检测高值与柱浓度高值有较强的相关性。 为验证多帧背景在不同空间检测方法下的性能, 分别对该帧数据进行了基于正交子空间的自适应子空间检测(ASD)、 基于混合空间的自适应余弦检测(ACE)及基于斜子空间的最大似然比检测(OGLRT), 并分别与SF6柱浓度图像比对, 结果表明多帧背景适用于不同空间的检测方法。 此外, 为验证存在目标气体吸收特征的非背景光谱对背景空间的影响, 向背景空间中加入多条含有SF6气体吸收特征的光谱, 通过ROC曲线检验, 结果表明背景空间中混入目标气体特征会降低AMF方法的检测性能。 AMF检测值的假彩色图像也能应用于被动FTIR扫描遥测成像系统, 相较于柱浓度假彩色图像, 泄漏源及扩散趋势更为明显。 基于红外高光谱图像的检测方法依赖于整体背景的统计特性, 相较于单像元光谱波段的反演算法, 极大地降低了背景的依赖性。 多帧背景下的AMF泄漏气体检测方法能很好地应用于被动FTIR扫描遥测成像系统上并满足在线监测要求。
傅里叶变换红外光谱技术 扫描遥测 气体泄漏 自适应检测 FTIR Scanning remote sensing Gas leakage Adaptive detection 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3307
1 中国科学院半导体研究所 光电子研究发展中心, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
针对光载无线通信(RoF)系统对高增益、小型化光接收模块(ROSA)的需求, 基于混合集成技术, 设计并制作了一种高增益的四通道ROSA器件, 尺寸为20.0mm×14.0mm×5.9mm。模块内集成了低噪声放大器(LNA)芯片以提高射频信号增益, 建立了射频信号传输电路, 并对器件特性进行了仿真分析。经测试, 器件的射频信号增益达14dB, -3dB带宽为23GHz, 在1550nm波长的入射光下, 器件的响应度为0.81A/W, 相邻信道之间的射频信号串扰小于-40dB。该模块对于减小RoF系统的体积和功耗具有重要意义。
光接收模块 光电探测器 低噪声放大器 增益 低串扰 receiver optical subassembly photodetector low noise amplifier gain low crosstalk
