提出了一种适用于W波段行波管（TWT）的双注矩形环杆（DBRRB）慢波结构（SWS），该结构具有平面特性，适合于微细加工。在一对T形介质杆的支撑下，RRB SWS适用于双带状电子注工作。利用计算机仿真分析了其高频特性。设计并采用了渐变结构和阶梯波导的宽带输入输出结构。采用粒子（PIC）模拟研究了RRB SWS的热仿真性能，并用0.6 T的螺线管磁场，对电压和电流分别为11.2 kV和0.12 A的双带状注进行聚焦。仿真结果表明，在94 GHz时的饱和输出功率为56.7 W，对应的增益为27.4 dB。此外，还添加了一个衰减器来抑制振荡并实现了稳定工作。

离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法, 这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。 通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中, 以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声, 同时利用波长调制技术抑制了背景信号的影响, 进一步提高了基于离轴积分腔输出光谱技术的甲烷传感系统的信噪比。 首先, 详细研究了不同功率射频白噪声对空气中甲烷吸收光谱的影响, 并对吸收谱的线宽进行了分析, 计算出了不同功率噪声扰动下的吸收谱对应的最佳调制幅度。 随后, 研究了不同功率的射频白噪声对2f信号的影响。 结果表明, 随着扰动噪声功率的增加, 基线噪声水平和2f信号幅值同时减小。 对几组2f信号的信噪比进行分析, 确定了射频白噪声提高系统信噪比的最佳功率为-25 dBm。 最后, 研究了0.05~2.2×10-6浓度范围内, 甲烷浓度与2f信号之间的对应关系, 结果表明: 在甲烷浓度小于1.0×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间的线性度为0.999 6; 在甲烷浓度为0.1~2.2×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间呈曲线关系, 二阶多项式拟合的相关度为0.999 89。 此外, 对浓度为2.2×10-6的甲烷气体进行了长时间的测量, 并利用Allan方差对系统的稳定性进行了分析, 分析结果表明系统的最佳积分时间为1 250 s, 系统的可探测极限约为1.2×10-9。 最后, 使用建立的甲烷气体探测系统, 对大气环境中的甲烷气体浓度进行了长达两个昼夜的检测, 结果显示甲烷浓度的昼夜变化规律是昼降夜升, 浓度昼夜波动范围在2.02~2.3×10-6范围内, 平均浓度为2.14×10-6。 本研究为离轴积分腔输出光谱技术在痕量气体测量方面的应用提供了一定的参考, 对高精密的原位痕量气体测量仪器的研发具有重要的指导价值。

温度、压强作为影响光谱测量精度的主要因素,是研发高精度光谱测量仪器的研究重点。 针对该问题开发了一套用于光谱测量仪器的高精度温度压强控制系统。该系统从仪器结构、电路设计和控制算法等方面进行了 设计和优化,最终系统长时间温度控制精度可达0.003 °C, 压强控制精度达到5.34 Pa。在控压未控温条件下,该系统对 体积分数为300×10-6 的甲烷气体浓度测量结果波动为12.06×10-6, 标准差σ为 3.26×10-6; 而在温压控制下,浓度测量结果波动为4.03×10-6, 标准差σ为0.57×10-6。 结果表明该高精度温度压强控制系统可以提高光谱测量仪器的测量精度和稳定度,同时也验证了该系统的可靠性和可行性。 所提出的用于光谱测量仪器的温度压强控制系统达到了实验和生产标准,为研发同类高精度光谱测量仪器提供了借鉴和参考。

可燃冰是一种清洁无污染的新型能源。为了对可燃冰资源进行深海连续走航勘探,膜分离-离轴积分腔输出光谱联用技术(M-ICOS)被应用于海水溶解CH4和CO2气体的探测。M-ICOS系统由膜分离单元、腔内温度压力控制单元、光腔、光谱测量单元和工业计算机等组成。实验研究发现,该系统的温度和压力控制精度分别为0.0003733 ℃和0.6799 Pa,CH4检测极限为0.56×10 -9,CO2检测极限为0.62×10 -6。利用M-ICOS系统在南海神狐海域进行了实地测量实验,实验发现,在海面下500~700 m处,水中溶解的CH4和CO2浓度有剧烈的波动,这可能是由于此处海流携带了海底可燃冰富集区域释放的高浓度溶解气体。M-ICOS系统具有良好的灵敏度和稳定性,能够在深海恶劣条件下对海水溶解CH4和CO2进行探测,从而实现对可燃冰资源的连续走航勘探。

为了满足城市管网日常维护中对甲烷(CH4)泄漏检测的需求, 研制了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的吸入便携式CH4探测仪,其重量仅为1.4 kg, 体积为22 cm×10 cm×10 cm。仪器内部采用中心波长为1654 nm的分布反馈式激光器作为光源, 集成了物理基长8.5 cm、有效光程2.25 m的光学多通池。系统基于STM32F405单片机控制激光器产生稳定的调制 激光,配合信号采集处理单元实现对吸收信号的采集,并利用数字锁相放大器提取信号中的二次谐波分量,反演 得到待测气体浓度。对探测仪进行标定和稳定性实验,结果表明二次谐波信号幅值与气体浓度有良好的线性关系, 系统测量精 度为±3.05%, 仪器的最小可探测极限为0.88 ppm, 其精度与便携性满足实际检测需求。