目前电子内窥镜仅能观察前方视场, 为了消除后方视野盲区给病人带来的误损伤, 设计了一个可以同时观察前方和后方视场的电子内窥镜。第一片透镜采用类“双胶合”透镜设计的方法, 并在透镜的前表面添加环形反射膜来满足前置物镜透射和反射的需求。系统采用球面设计, 以降低成本。运用Zemax软件对系统进行优化, 并配以1/10 in(1 in=2.54 cm)电荷耦合器件(CCD)接收成像。设计结果表明, 该系统的径向尺寸为5.5 mm, 满足内窥镜对小尺寸的要求, 轴上和轴外像面照度均匀, 各视场在100 lp/mm处的光学传递函数(MTF)值在0.75以上, 接近衍射极限, 满足分辨率的要求。

为实现奶牛场氨气减排, 改善生态环境, 需要在线监测氨挥发浓度并准确揭示氨排放特征。 采用开放式可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术设计了开放式氨气在线监测系统, 结合反演式气体扩散技术开展相关研究, 于2013年秋季和冬季在保定市某奶牛厂进行了氨排放浓度在线监测和排放特征分析工作。 监测结果表明, 秋季氨气浓度峰值为6.11×10-6%, 冬季氨气浓度峰值为6.56×10-6%, 氨浓度具有日变化趋势, 基本呈白天浓度低, 夜晚浓度高的特点。 由反演气体扩散模型得到秋冬季氨排放特征, 氨排放峰值均出现在中午, 秋季氨排放速率为1.48～130.6 kg/head/hr, 冬季氨排放速率为0.004 5～43.32 kg/head/hr, 秋季的排放速率高于冬季, 说明奶牛场尺度下的氨排放存在一定的季节性差异。 该方法可以有效获得大范围、 高灵敏、 免采样、 快速气体排放特征结果, 为奶牛厂的氨排放监测和科学养殖提供技术支持。

可调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术具有高选择性、高分辨率和速度快等优点,已经在环境检测、工业过程检测等方面得到广泛应用。主要分析洛伦兹线型拟合,研 究Levenberg-Marquardt算法的原理及实现步骤,基于Levenberg-Marquardt算法实现吸收谱线的洛伦兹线型拟合。对六组不同浓度的CO2 标准 气体进行浓度反演,反演浓度与实际浓度的相关系数达0.9928,表明洛伦兹线型拟合可以准确反演出气体的浓度,对TDLAS技术中浓度的反演具有实际的指导意义。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率和高灵敏度等特性,目前广泛应用于痕量气体检测,便携式和可在线调试是其发展的趋势。由于FPGA 具有速度快,体积小,结构简单,抗干扰能力强,可在线调试和并行等方面的明显优势,TDLAS 痕量气体检测系统结合FPGA 技术具有良好的应用前景。本文主要研究信号产生、采集的FPGA 实现。由开放光路的连续观测实验可知,信号产生精度高、频率可高达10 kHz 而不失真,信号采集精度高,可靠稳定,优化传统的TDLAS 痕量气体检测系统,表明信号产生、采集的FPGA 实现可行,为TDLAS痕量气体检测系统基于FPGA 的实现奠定基础。

CO2和H2O是大气中两种重要的温室气体，对生态系统中CO2和H2O的浓度进行在线监测可用于分析环境及气候变化。选择CO2和H2O的近红外吸收谱线，利用可调谐半导体激光吸收光谱技术结合自动增益调节技术设计了开放式CO2和H2O在线检测仪。在中国科学院禹城综合试验站进行了1238 m光程下，20 Hz时间分辨率的连续观测实验，结果表明自动增益调节解决了开放光路检测时探测信号幅度大幅变化问题。监测点的CO2浓度具有白天低，夜间高的日变化周期性。与同场地涡度相关系统的LI-7500对比测量，数据一致性较好。该检测技术灵敏度高、响应速度快、免采样，实现了大尺度区域生态系统中CO2和H2O浓度的稳定、连续、在线检测。

为了实现大尺度区域下大气中水汽浓度的高灵敏度、 高精确性、 快速响应检测, 与遥感反演的数据进行校正, 采用了TDLAS直接吸收技术结合开放式监测的方法。 选择水汽分子在1.27 μm附近的单根吸收谱线为目标谱线, 设计了大尺度区域水汽激光检测系统。 结合多次反射池验证了系统性能, 40 m光程下极限灵敏度为14.803 mmol·mol-1。 利用本系统在中国科学院禹城综合试验站完成了1 420 m光程下的连续外场实验, 系统工作稳定, 并与同场地涡度相关观测系统中的气体分析仪LI-7500的测量数据进行了对比, 数据一致性较好。 为在复杂野外非均匀下垫面的水汽浓度变化的监测提供新方法。

采用开放光程可调谐二极管激光吸收光谱技术和反向拉格朗日随机扩散模型, 通过田间试验, 开展基于高时间分辨率数据的农田氨挥发研究, 旨在为揭示农田氨挥发的动态变化规律提供新技术新方法。 结果表明, TDLAS-bLS法能有效监测农田氨挥发动态, 尤其是日内变化规律。 豫北平原潮土农田夏玉米追肥后日内氨挥发有两个挥发峰值, 分别在9:00和14:00左右, 第一个高峰是由于夜晚溶解在露水中的氨气随露水蒸发而再次挥发, 第二个高峰受地温和光照影响所致。 追肥后氨挥发速率迅速升高, 但挥发高峰期持续时间较短, 集中于前四天, 整个监测期内氨挥发损失约25.3%。 TDLAS-bLS法与通气法相比, 测定结果有一定差异。

氨气是大气中含量最为丰富的碱性痕量气体, 氨浓度检测是近年来环境和农业领域的一个重要研究方向。利用可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术, 结合波长高频扫描技术和多次反射池技术设计了氨气激光在线检测系统。通过激光中心波长锁定、背景基线拟合、吸收线型拟合、光强归一化和线性最小二乘拟合算法实现了氨浓度的精确反演。分析了系统性能, 在24.32m光程下系统检测限为0.157mg/m3。使用该浓度反演方法实现了氨气的高灵敏、高精确在线检测。

利用可调谐二极管吸收光谱技术结合开放式长光程技术对大气中痕量气体进行浓度监测的过程中,受到 昼夜光强变化和大气能见度变化等因素的影响,信号在采集时变化幅度比较大,放大后的信号幅值有 可能超出A/D转换的量程。设计了一种信号自动增益调节模块,应用在激光检测系统的信号放大处理过程 中,并在福建泉港石化园区内对大气开放环境中的氨气浓度进行了连续监测。园区监测结果表明园区氨 气浓度具有日变化周期:早晚浓度低,中午浓度高,主要来源于燃料燃烧和工业排放。解决了信号采集过 程中信号幅度大幅变化的问题,验证了增益自动调节模块的功能,实现了稳定连续的痕量气体检测。