1 浙江大学 光电科学与工程学院 极端光学技术与仪器全国重点实验室, 浙江 杭州310027
2 浙江省计量科学研究院, 浙江 杭州310018
3 浙江省能源与环境保护计量检测重点实验室, 浙江 杭州310018
针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点，结合波长调制技术，设计和研究了用于TDLAS激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit, HSPDC)。基于波长调制技术，确定了TDLAS信号噪声抑制方法；采用光电二极管理想模型，分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数；基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC进行测试。结果表明：所设计HSPDC的光功率检测下限为0.11 nW，信号衰减仅为0.79 dB(f=10 kHz)，截止频率较现有108 V/A跨阻放大电路高一个数量级，可用于高速调制微弱光信号的探测。搭建了气体激光遥测系统，当调制频率为3 kHz时，激光遥测系统获得了良好的检测性能，检测灵敏度达到88.66 mV/ppm，检测限优于0.565 ppm，线性拟合度R2为0.9996。研究表明，研制的HSPDC光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点，可集成化，能满足气体激光遥测应用需求。
光电探测 跨阻放大 TDLAS 开放光路 激光遥测 photoelectric detection transimpedance amplification TDLAS open light path laser telemetry
1 华南理工大学电力学院, 广东 广州 510641
2 华南理工大学电力学院, 广东 广州 510641 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
针对高温条件下光谱高精度反演的需求, 对比分析了7种不同的光谱线型模型在光谱反演中的精度和稳定性, 并发展了适用于高温诊断的光谱线型选择策略。 首先测量了1 100~1 600 K温度范围的两条H2O吸收光谱, 采用七种不同的光谱线型模型分别进行分析, 获取了各测量光谱的积分吸光度, 速度依赖线宽和多普勒半高宽, 并根据双线比值法计算气体温度值。 对比分析表明, 在高温常压条件下, Gaussian线型拟合精度最差, 但通过Gaussian线型反演的气体温度精度最高; 光谱拟合过程中, 通过设置线型模型中的多普勒半高宽参数为已知量, 能有效提高光谱线参数的反演稳定性和精度, 也能有效提高各光谱线型温度反演精度。 与高阶非Voigt线型(Speed-dependent Voigt线型, Rautian线型, Speed-dependent Rautian线型和Hartman-Tran线型)对比, Voigt线型获取的积分吸光度和速度依赖线宽偏小, 计算的温度结果相对误差偏大。 最后, 对比了7种线型模型拟合程序的运行时间, 在保证精度的条件下, Speed-dependent Voigt线型拟合速度最快。 因此, 通过Gaussian线型获取气体温度, 然后根据温度计算多普勒半高宽参数并将其固定为已知量, 采用Speed-dependent Voigt线型拟合能有效提高高温光谱的反演精度, 速度和稳定性。
光谱线型 积分吸光度 速度平均线宽 多普勒半高半宽 温度 Spectral line-shape profile TDLAS TDLAS Integral absorbance Speed-averaged line-width Doppler HWHM (Half-width-at-half-maximum) Temperature 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2715
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中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 航天系统部驻绵阳地区军事代表室，四川 绵阳 621000
针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO2浓度低的特点，结合波长调制TDLAS技术，设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器，实现锁相放大和数据采集功能一体化，并将其成功应用于低浓度CO2检测中。为解决低浓度CO2吸收微弱、噪声强等问题，设计了高精度ADC模块，电压分辨率可达0.3 mV；基于DDS原理内部产生正余弦参考信号，保证谐波信号单一性，且实现参考信号频率可调节，覆盖范围1~40 kHz；改进了CIC滤波器，并通过降采样级联FIR滤波器的方式，以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波，积分时间200 μs~20 ms可调；基于CORDIC算法实现平方和开根运算，相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化，基于Qt实现上位机并结合串口通信，使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下，测量了CO2在2 μm波段的吸收光谱，获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6，相较于直接吸收信噪比8.8，提高约11.7倍；设计并开展低浓度CO2标定实验，获取二次谐波信号幅值和CO2浓度之间的线性关系，相关度为0.996；在纯氮气条件下，利用Allan方差评估了系统性能，平均时间为2 s时，系统检测下限1.30 ppm (1 ppm=10−6)，平均时间为180 s时，系统检测下限0.19 ppm；分析了系统响应时间，可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明，设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点，可满足传输内通道中低浓度CO2的检测需求。
数字锁相放大器 激光传输 FPGA TDLAS 数字滤波器 CORDIC算法 digital lock-in amplifier laser transmission FPGA TDLAS digital filter CORDIC algorithm 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230023
1 吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130026
2 吉林建筑科技学院 电气信息工程学院，吉林 长春 130114
3 北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200
4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
5 吉林工程技术师范学院 量子信息技术交叉学科研究院，吉林 长春 130052
为了准确测量地震断裂带溢出的痕量CO2气体浓度，文中采用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，选取波数4978.202 cm−1作为CO2检测系统的吸收谱线，采用有效光程为40 m的多通池，以STM32作为主控和数据处理核心器件，研制了高精度CO2检测系统。针对系统中的探测器噪声与光学干涉条纹噪声，利用卡尔曼-小波分析算法滤波提升系统性能。实验表明，与滤波前相比，系统在50 ppmv CO2浓度下的二次谐波信噪比提升了2.06倍。在不同CO2浓度下(50、300、1 000、4 000、8 000 ppmv)，系统误差为2.57%~2.66%。系统测量4 000 ppmv浓度下的CO2时检测精密度达到20.9 ppmv。利用Allan方差分析得出，积分时间在约61 s时对应的最低探测下限(MDL)为5.2 ppmv，实现了对CO2气体的高精度测量。结果表明，所设计的高精度CO2系统可以在气体检测领域为预测地震前兆提供良好前景。
痕量CO2 高精度 TDLAS技术 卡尔曼-小波分析 二次谐波 trace amounts of CO2 high precision TDLAS technology Kalman-wavelet analysis second harmonic 红外与激光工程
2023, 52(3): 20210828
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, 光子器件与材料安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
4 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
5 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种非侵入式光谱检测技术, 具有高选择性、 高响应性和高分辨率等特点。 根据分子光谱吸收原理, 被检测气体所处环境温度的改变会引起分子吸收谱线强度的变化, 进而影响气体浓度反演的准确性。 为提高气体在高温背景下浓度测量的准确性和真实性, 选取工业过程常见的一氧化碳(CO)为目标气体, 设计了基于波长调制技术多温度梯度(室温14～1 100 ℃)的气体吸收光谱检测实验, 与HITRAN数据库中光谱参数进行对比, 并对结果进行校正和分析。 同时, 以探测信号有效扫描区域的线性度、 标准差和残差平方和等参数为依据, 分析了不同材质的窗片对高温实验的影响, 通过升降温实验数据的分析, 选择了降温梯度测量作为高温实验的最佳控温顺序。 经过对标准浓度的CO进行高温实验, 发现随着温度的升高, 二次谐波(2f)幅值和吸收线强有相一致的下降趋势, 符合理论公式的变化规律。 经过分析校正后的2f幅值和温度呈现非相关性, 实现了热背景下光谱检测的校正, 验证了变温时2f幅值校正的准确性。 该研究为光谱检测技术在高温背景下实际应用提供了一定的参考, 尤其是对高精度工业炉内气体燃烧效率的动态评估具有极其重要的意义。
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS) 一氧化碳 窗片材质 二次谐波 温度校正 Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS Carbon monoxide Material of the window piece Second harmonic Temperature correction
安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
密封药瓶内的药物在储存过程中, 时常会因为保存方式不当, 产品质量不合格等问题导致其气密闭性变差, 极易与空气中的各种气体发生化学反应引起药品变质, 影响其正常使用。 因此, 可以通过药瓶内部各种气体浓度的测量及时反映出药品的储存状态。 其中水汽(H2O)是空气中的常见气体且极易与药品产生反应, 药瓶中H2O浓度的测量是判断瓶内药物是否变质的重要依据之一。 实际检测药瓶内水汽浓度的传统方法或通常需要直接接触到样品才能做出判断, 很难做到无损检测, 样品处理过程较为繁琐, 耗时耗力, 难以实现对大量药瓶的实时无损测量, 所以需要一个实时快速非接触式检测容器密封性的方法。 为了高效检测并实时监控密封药品存储容器(药瓶)内的水汽浓度, 提出了一种可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的数字正交锁相解调算法, 并对该算法的可行性及有效性进行了实验验证。 药瓶采用长12 cm宽9 cm高64 cm的可透光聚乙烯(PE)材质; 中心波长为1 391 nm的分布式反馈(DFB)激光器作为光源, 搭建了基于数字正交锁相解调算法的TDLAS药品检漏测量系统, 以数字锁相解调代替了传统的锁相解调并且研究了不同的调制深度、 采样率对解调出的二次谐波信号(WMS-2f)幅值的影响。 在系统各项参数最优的情况下考察了不同光功率下WMS-2f信号稳定性, 并通过拟合结果推演出其他未知水汽浓度的WMS-2f信号。 研究结果表明: 与常规锁相放大器解调算法相比, 数字锁相解调可编译性强, 系统结构更为紧凑, 成本更为低廉。 Allan方差分析显示在160 s内的状态下, 水汽检出限为18 ppm, 验证了该方法的稳定性与可靠性。
数字锁相解调 水汽浓度检测 药瓶检漏 Digital phase-locked demodulation TDLAS TDLAS Water vapor concentration detection Medicine bottle leak detection
1 安徽建筑大学电子与信息工程学院，安徽 合肥 230601
2 安徽建筑大学机械与电子工程学院，安徽 合肥 230601
3 清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601
4 安徽泽众安全科技有限公司，安徽 合肥 230601
针对甲烷气体泄漏高精度、非接触和远距离探测的需求，提出一种基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统。该系统采用高级精简指令集机器（ARM）和现场可编程门阵列（FPGA）双核架构，FPGA实现数字锁相解调提取一次谐波（1f）和二次谐波（2f）信号，ARM通过串行外设接口（SPI）实时接收FPGA解调的1f、2f信号并传送至Labview进行谐波信号分析和甲烷浓度在线解调。通过2f/1f信号处理技术消除光强与靶标反射系数的变化对系统测量结果的影响。研究同等实验条件下0~90 m范围内谐波信号与探测距离的关系，结果表明，2f/1f信号处理技术对噪声抑制效果显著。测量不同积分浓度的谐波信号，采用最小二乘法对2f/1f和气体积分浓度数据进行线性拟合，获得系统标定线性度，为0.9966。对系统误差进行实验测量和分析，在0~2000×10-6 m范围内，系统测量最大相对误差为-3.66%，最小为-0.23%。利用1500×10-6 m甲烷浓度的二次谐波信号评估系统的检测下限为70.5×10-6 m。结果表明，设计和研制的甲烷泄漏遥测系统可广泛应用于城市燃气场站和天然气管网等场合的燃气突发泄漏监测预警。
遥感 甲烷气体遥测 TDLAS 波长调制光谱 FPGA 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0628006
1 南宁学院机电与质量技术工程学院, 广西 南宁 530200
2 桂林理工大学信息科学与工程学院, 广西 桂林 541006
为进一步提高甲烷浓度检测精度, 搭建了基于 TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术的甲烷浓度检测实验系统, 利用甲烷在波长 1653.72 nm处吸收强度很高且可以最大限度消除其他气体干扰的特性, 通过提取二次谐波信号实现甲烷浓度检测。然后分别采用 heursure硬阈值算法、heursure软阈值算法和 sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法, 通过分析未去噪及小波变换去噪处理后得到的甲烷吸收信号谱图、甲烷二次谐波信号谱图、甲烷吸收信号的信噪比和均方根误差, 优选 sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法。不同浓度的甲烷标气线性拟合实验及特定浓度的甲烷标气重复性实验结果表明: 通过小波变换(采用 sqtwolog固定阈值算法)能有效降低噪声干扰, 去噪处理后提取的二次谐波信号与甲烷真实浓度拟合优度 R2为 0.984, 拟合效果更佳。采用 TDLAS技术结合小波变换去噪算法, 实现甲烷浓度检测的同时也能提高甲烷浓度检测精度。
甲烷浓度检测 TDLAS技术 二次谐波信号 小波变换阈值算法 去噪处理 detection of methane concentration, TDLAS technolo
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 光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
5 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
针对可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时，遇到的高精度、宽动态范围需求，采用时分复用的方法，将直接吸收光谱技术（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spec-troscopy, WMS)技术的优势相结合，完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号，用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算，通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点，实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下，通过实验分别对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度进行检测，确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm−1。系统对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5000×10−6和0~1000×10−6，其最小体积浓度检测限分别为2.27×10−4、0.21×10−6、1.68×10−6，且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明：该方法能够满足工业现场实际应用的需求，有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 直接吸收光谱 波长调制光谱 宽动态范围 tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) direct absorption spectroscopy (DAS) wavelength modulation spectroscopy (WMS) wide dynamic range 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220284
