1 太原科技大学 应用科学学院，山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心， 山西省光场调控与融合应用技术创新中心，山西太原030024
2 江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏徐州1116
为了实现煤热解过程中痕量乙烯（C2H4）标识气体的在线识别与检测，结合波长调制与长光程技术，搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1 620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源，有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池，利用SR830进行波长解调，通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器，利用高纯氮气稀释乙烯配比，制备得到10×10-6到90×10-6的标准乙烯样气，其线性拟合的相关系数R2为0.998 9；对浓度为20×10-6的乙烯进行连续4 000 s的Allan方差分析，实验结果表明，检测极限为121×10-9。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律，控制气体流速为150 mL/min，分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现，当温度小于500 ℃时，3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致，当温度在500~700 ℃时，氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体，但空气中乙烯释放的增速最快，最大释放量约为40×10-6，温度高于700 ℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 乙烯 Allan方差 波长调制 煤热解 tunable diode laser absorption spectroscopy ethylene allan variance wavelength modulation
1 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 河北农业大学海洋学院，河北 秦皇岛 066003
3 爱丁堡大学工程学院，英国 爱丁堡 EH93JL
4 河北省信息传输与信号处理重点实验室，河北 秦皇岛 066004
可调谐二极管激光吸收光谱层析成像（TDLAT）是一种重要的光学非侵入式燃烧检测技术。然而，TDLAT逆问题的欠定性本质使得现有迭代层析成像算法重建的燃烧场温度分布图像存在较大误差。针对该问题，笔者将图像处理领域的卡通-纹理模型引入TDLAT，提出了基于卡通-纹理模型的温度重建算法（TRACT）。该算法利用全变差约束下的Landweber算法重建气体吸收密度图像中的卡通成分，较好地恢复其中的平滑特征与边缘结构；构建改进的迭代收缩阈值算法深度展开网络，并用其重建气体吸收密度图像中的细节纹理成分；通过卡通成分重建与纹理成分重建的相互补充，提高气体吸收密度图像的整体重建质量，进而提高燃烧场温度分布图像的重建质量。利用火焰动力学模拟器生成的仿真数据与利用TDLAT实验系统实际测量数据进行的重建实验均表明，与现有的迭代层析成像算法相比，TRACT重建的燃烧场温度分布图像在客观评价指标与主观视觉质量方面均有较大提升。
光谱学 可调谐二极管激光吸收光谱 层析成像 温度重建 双线测温法 卡通-纹理模型
1 香港中文大学机械与自动化工程学系，香港 999077
2 复旦大学信息科学与工程学院，上海 200433
报道了一种基于柔性空芯光纤和量子级联激光器（QCL）的中红外吸收光谱技术，可同时检测NO和NO2气体。QCL在间歇连续波（iCW）模式下运行，结合柔性空芯光纤具有小型化传感器的潜力。分别选择1929.03 cm-1和1599.91 cm-1的吸收线用于NO和NO2检测，两束激光同时耦合到内径为530 μm的100 cm长的柔性空芯光纤中。直接吸收光谱首先用于展示双气体检测，QCL以iCW模式运行并结合时分复用技术，然后采用一次谐波归一化的波长调制光谱来消除非气体吸收带来的信号强度变化的影响，并研究了气体传感器的性能。对于体积分数为50×10-6的NO与15×10-6的NO2，检测精度分别评估为5.2%和4.1%。当积分时间为60 s时NO的检测限为39×10-9，当积分时间为50 s时NO2的检测限为9.2×10-9。
激光吸收光谱 柔性空芯光纤 间歇连续波 一氧化氮 二氧化氮 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0306003
1 山西大学激光光谱研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
3 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
为了研究室内二氧化碳（CO2）体积分数变化以及其与人类活动之间的关系，设计了一种开放路径式可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）传感系统对室内CO2体积分数进行监测。采用中心波长为2004 nm的分布式反馈（DFB）激光器作为激励光源测量CO2的R（16）特征吸收线。使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法拟合测量光谱，实现体积分数测量免定标。与商用XENSIVTMPAS二氧化碳传感器进行对比测量，二者的相关度R2达到0.89。结果显示，室内CO2每日体积分数均值为4.63×10-4，略高于室外的CO2体积分数，并且一天内波动范围在3.86×10-4~5.66×10-4之间。室内CO2体积分数受通风情况和室内人员活动的影响，其每日体积分数变化趋势与人员工作时间高度相关。在人员密度为0.005 人/m3的情况下，测量得到CO2体积分数的增长速率为2.3×10-5 h-1。因此，人员拥挤的室内环境应及时通风，以防止体积分数过高的CO2引起不适。
可调谐二极管激光吸收光谱技术 痕量气体 免标定 室内二氧化碳检测 在线监测 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0530004
1 武汉理工大学 汽车工程学院，湖北武汉430070
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室， 吉林长春130033
针对视线效应（Line-Of-Sight，LOS）的双色激光吸收光谱（Laser Absorption Spectroscopy，LAS）火焰测温技术，研究了热化学参数的非均匀分布对碳烟火焰温度测量的影响。优先选出水汽（H2O）在1.3~3.0 μm内的6对典型吸收谱线，针对氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰，利用高保真光谱数值模拟仿真系统研究了非均匀温度和浓度分布对所选6对谱线的测温结果的影响，得到了氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰的非均匀性条件。对于氮气伴流碳烟火焰，仿真得到的谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1和5 553.86 cm-1/5 554.18 cm-1的最大相对温度偏差分别是4.72%（最小）和12.40%（最大）。空气伴流碳烟火焰的谱线对相对温度偏差有正有负，且其最大正负值均出现在δ/L=80%的非均匀条件下，谱线对5 553.86 cm-1/5 554.18 cm-1相对温差的最大正负值分别为14.43%和-2.51%；谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1相对温差的最大正负值分别为3.22%和-13.21%。最后，通过典型谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1的吸收光谱进行了实验验证。实验结果表明：在两种典型碳烟火焰中，谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1对热化学参数的非均匀性不敏感，可以最大程度上减弱热化学参数非均匀分布对其测温结果的影响。
激光吸收光谱技术 热化学参数非均匀分布 碳烟火焰 温度测量 laser absorption spectroscopy non-uniform distribution of thermochemical parameters sooting flame temperature measurement 光学 精密工程
2023, 31(19): 2799
1 太原理工大学电气与动力工程学院热能工程系， 山西 太原 030024
2 太原锅炉集团有限公司， 山西 太原 030024
基于可调谐激光吸收光谱的二维温度和浓度分布重建对于燃烧诊断具有重要意义， 而数值迭代算法在温度和组分浓度的重建中起着重要作用。 通过对比发现自适应迭代算法和最小二乘QR分解算法对于重建二维温度和气体浓度分布具有很好的优势。 研究表明， 波长7 154.35， 7 153.75， 7 185.60和7 444.36 cm-1四条H2O的吸收谱线， 非常适合测量高温预混火焰中的温度和水蒸气浓度分布。 与7 444.36, 7 185.60, 7 154.35和7 153.75 cm-1处的吸收谱线相比， CO2和CH4的光谱吸光非常微弱， 在该波段O2和CO基本没有吸收， 因此燃烧环境中CO2， CH4， O2和CO等气体对于H2O吸收谱线基本没有影响。 通过比较不同算法的最优松弛因子、 计算时间和重建误差等， 发现与最小二乘QR分解算法相比， 自适应迭代算法具有更好的重建质量和更短的计算时间。 在自适应迭代算法的基础上进一步比较了不同吸收线对(7 444.36和7 185.60， 7 154.35和7 153.75 cm-1)在射线束为16， 32， 48和64时的二维重建结果。 结果表明， 采用吸收谱线7 153.75和7 154.35 cm-1得到的重建结果优于吸收谱线7 185.60和7 444.36 cm-1的重建结果。 随着激光束的增加， 重建结果越来越接近模型假定的温度和浓度分布。 考虑到有限的测量空间和重建精度， 分析认为32束的光路布置更适合实际火焰的二维温度和浓度重建。 为了分析自适应迭代算法对不同温度和浓度分布的重建能力， 进一步模拟了双峰温度和浓度分布。 结果表明， 随着射线束的增加， 温度的重建误差总是大于浓度的重建误差， 表明射线数对温度的影响更为明显。 在双峰分布中， 投影射线束为16时的重建误差最大， 但此时的重建结果也能反映温度和浓度的分布趋势。
可调谐激光吸收光谱 重建算法 温度分布 浓度分布 Tunable diode laser absorption spectroscopy Reconstruction algorithm Temperature distribution Concentration distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1367
太原理工大学 电气与动力工程学院热能工程系, 山西 太原 030024
燃煤锅炉发电会产生大量的污染气体, 本文基于可调谐激光吸收光谱技术, 结合层析成像技术, 对预混火焰的温度和浓度进行重建, 通过这些参数来调节锅炉运行的工况, 以此来减少污染气体的排放和提高能源利用率。经过谱线分析, 文章选择在7148.8~7151cm-1附近选取2条适合高温重建H2O的吸收谱线(7149.058cm-1和7150.4716cm-1), 通过采取自适应迭代算法、BP-神经网络算法和卷积神经网络算法, 对不同的温度场和浓度场进行模拟重建。研究发现, 卷积神经网络算法在重建精度和稳定性方面都优于其他两种算法。为了探究误差对于重建结果的影响, 通过添加随机误差发现, 误差对于卷积神经网络算法影响较小, 温度和浓度重建精度高。为了验证卷积神经网络算法的可行性, 文章选取了不同的燃烧工况进行了重建对比。研究表明, 卷积神经网络算法重建图像趋于平缓, 与实际燃烧情况更加符合, 该研究也证明了卷积神经网络算法在燃烧场重建方面的优势和可行性。
激光吸收光谱 算法比较 重建算法 温度和浓度重建 Laser absorption spectroscopy Comparison of algorithms Reconstruction algorithms Temperature and concentration reconstruction
光子学报
2023, 52(10): 1052406
1 河北工业大学 机械工程学院，天津 300130
2 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072
3 天津工业大学 天津市电工电能新技术重点实验室，天津 300387
调谐激光吸收光谱（TLAS）技术具有非接触、抗干扰、高灵敏度等优势，可对气体进行浓度、温度、压强的测量。目前已有的压强检测模型中多以谱线的有限特征点进行提取与计算，存在易受干扰、测量误差较大的问题，因而有必要建立新的抗干扰、稳定性强的压强检测模型。针对此问题，文中根据吸收线宽的气体压力测量方法，提出了低压与高压范围内压强与谱线线型拟合函数的数学模型。结合谱线展宽原理，对不同压强下的二次谐波吸收线进行仿真研究。通过改变Gauss线型函数和Lorentz线型函数的半高宽比例关系模拟压强变化，分析信号拟合度的变化趋势，仿真结果表明，在理想情况以及激光器线宽、白噪声、背景干扰影响下，Gauss/Lorentz线型拟合度之比与压强之间存在三阶拟合关系，拟合度均保持在0.998 0以上，且与传统模型相比在动态噪声和背景干扰下具有更好的稳定性。最后对CO2气体1 580 nm位置的实测信号进行处理，实验结果表明，实际检测谱线Gauss/Lorentz线型拟合度之比与压强之间的三阶拟合度为0.986 3，略低于仿真的拟合度0.998 7，符合仿真分析结果。文中提出的方法可以根据吸收谱线的拟合比曲线反演气体压强，为气体压强检测提供了解决方案。
调谐激光吸收光谱 谱线展宽 曲线拟合 压强检测 tunable laser absorption spectroscopy spectral line broadening curve fitting pressure detection 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230428
