针对波长调制光谱技术中二次谐波背景信号漂移的问题，将背景信号历史数据中与实测二次谐波信号相似的信号作为背景信号，提出了一种气体体积分数反演方法。首先，选用中心波长在5.18 μm附近的激光器，搭建了NO体积分数测量系统，并将48 h内测量的纯N₂背景信号作为历史数据构建背景信号库。然后，在系统中通入NO，得到经过吸收的二次谐波信号并计算其与背景信号库中各背景信号的相关系数。最后，扣除最大相关系数下的背景信号后反演气体的体积分数。对体积分数为2.5×10^-6的NO进行了24 h的监测，结果表明，该方法可将平均相对误差从修正前的6.48%提高到3.84%。

可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)由于其高灵敏度、 高选择性等优势广泛用于痕量气体检测领域。 然而其测量结果容易受到目标气体压力波动的影响, 特别是在大气环境下尤为明显, 现有方法多为在现场安装压力传感器, 对测量结果进行校正。 提出了一种无需压力传感装置的气体浓度修正方法。 选取碰撞展宽占主导地位的气体吸收谱线, 分别建立谱线展宽与波长调制光谱一次谐波(WMS-1f)信号的峰谷值间距和二次谐波(WMS-2f)过零点间距的解析表达式, 通过测量一次谐波峰谷值间距或二次谐波过零点间距直接得到被测气体压强, 进而利用波长调制光谱一次谐波归一化的二次谐波(WMS-2f/1f)技术补偿测量环境中压力波动对气体浓度测量结果的影响。 实验以浓度为1 980 mg·m-3的CO2为目标气体, 选取其位于4 989.97 cm-1的吸收作为目标谱线, 在大气压附近进行不同调制深度的变压力测量实验, 通过实验分析了压强变化对二氧化碳吸收谱线谐波信号的影响, 利用一次谐波峰谷值间距和二次谐波过零点间距分别反演了气体压强, 并与气体压强传感器测得的压强数据进行对比, 压强偏差在1%以内, 验证了通过谐波间距解析表达式计算压强的正确性及通过测量谐波间距对浓度补偿的可行性。 最后利用WMS-2f/1f技术和通过谐波间距测得的压强数据对气体浓度进行压强补偿修正, 结果表明通过测量谐波间距修正后的浓度与通过高精度压力表补偿后浓度相比误差小于2%, 与通过谐波间距推导得出的压力不确定度(小于2%)一致, 验证了该方法的可行性和有效性, 进一步提高了TDLAS技术在压强波动较大环境下进行气体浓度检测的测量精度。 利用谐波间距对气体浓度补偿的方法无需额外的气体压力传感器, 简单易行, 特别适合于大气环境中气体成分的高灵敏高精度开放光路遥测, 也可用于气体浓度和压强的同时测量。

基于可调谐半导体吸收光谱的波长调制技术,建立了精确的吸收模型。通过两条已知吸收中心的吸收谱线,对标准具自由光谱范围进行标定,并利用更贴近激光器出光特性的描述模型,得到激光器频率-时间响应,结合实验室标定和HITEMP数据库的杂合吸收谱线参数,建立了可与实际吸收直接比较的精确模型,以诊断燃烧流场。本研究以H₂O为目标分子,选取吸收中心为7185.60 cm ^-1和6807.83 cm ^-1两条吸收线,利用扣除背景的归一化二次谐波信号峰值反演流场温度,并在管式高温炉上进行实验验证,最高测量温度为1500 K,相对误差小于3.1%。吸收模型的准确性决定了所测流场参数的准确性,该模型可应用到更为复杂的燃烧流场环境,实现流场参数的精确测量。

可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术, 具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度, 但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制, 使得激光输出频率和强度同时受到调制, 具有高信噪比和灵敏度的特点, 但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此, 通过吸收光谱理论和波长调制理论, 推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式, 并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系, 建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析, 发现调制幅度达到a=0.032 cm-1(调制系数m=2)时, 仿真结果与理论计算结果(a=0)相对误差不超过2%, 进一步验证了算法的可靠性与准确性。

鉴于常规的标识性气体监测方法在响应速度、测量精度、使用寿命、实时性、监测目标种类、测量范围和应用场合等方面相比激光吸收光谱技术存在不足, 本文以可调谐半导体激光吸收光谱技术为依托, 选取合适的无干扰激光吸收谱线, 阐述了工业管道抽取式、管道原位在线对射式、扩散探头式(全量程激光监测一体机形式与多点无源传感器探头形式)、无组织排放开放光路式等多种形式的监测方法。上述系统的测量结果显示: 抽取式可实现CO、CO2、O2等不同多组分气体的同时测量; 管道对射式实现了O2及10 μL/L以下CO的高精度在线测量; 探头式则以CH4测量为例实现了响应时间T90=15 s, 监测极限小于150 μL/L, 泄漏报警准确率达100%; 开放光路形式以天然气集气站场测量CH4、C2H2、C2H4三种气体为例实现了0误报的监测能力。上述分析结果表明, TDLAS技术应用于工矿安全生产及安全预警方面的标识性气体监测是完全实用、有效、准确、可靠的。

应用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术开放单光路短光程检测西林瓶内氧气浓度, 因玻璃瓶壁造成入射光多次反射和透射, 形成多光束干涉, 严重影响信号波形和检测精度。 本文提出了一种改变激光入射角度来抑制瓶壁光学干扰的方法, 理论分析了入射角度对透射光强分布的影响, 详细推导了使两相干光束叠加部分在接收端探测范围之外的入射角度计算公式, 并根据现场参数得到理论最佳入射角度。 对氧气浓度1%的样瓶进行多次测量, 将二次谐波信号峰值的平均值作为信号, 峰值的标准差作为噪声, 以信噪比(signal to noise radio, SNR)最大作为系统入射角角度的优化指标, 实验获得系统的实际最佳入射角度。 与决定系数较高的入射角度进行浓度预测对比, 交互验证后的最小二乘拟合结果显示: 相关系数分别为0995 9和0988 9, 前者相比后者提高了07%, 预测的均方根误差(root mean square errors of prediction, RMSEP)分别是0003 1和0005 3, 前者相比后者降低了415%, 说明本文方法所确定的最佳入射角, 能有效抑制玻璃瓶壁引起的多光束干涉影响, 改善系统检测精度。Spectroscopy

应用激光波长调制光谱(WMS)技术, 建立了一种开放光路短光程检测玻璃药瓶内氧气含量的方法。 选择氧气分子位于760.885(13 142.58 cm-1)的吸收谱线, 通过多次调试优化了系统相关参数, 给出了实时扣背景及实时谱线校正等数据处理的方法和步骤。 采集七种不同氧气含量的玻璃药瓶样本, 获取相应的二次谐波信号, 分别建立二次谐波峰值、 半高谱峰面积与浓度的线性回归方程进行定量预测。 实验结果表明, 其拟合系数分别为0.996 6和0.997 8, 后者相比前者的标定方法提高了0.12%。 采用完全交互验证的方法来评价两个模型的预测精度, 其预测的均方根误差(RMSEP)分别是0.003 1和0.002 0, 后者相比前者降低了37.69%。 对浓度是4%的气体样品, 比较不同时间的20次测量结果, 标准差分别为0.002 2和0.001 6, 后者相比前者降低了27.3%, 同时其测量灵敏度分别为0.198%和0.097%, 后者相比前者的灵敏度提高了约51%。 证明了该系统及数据处理方法对玻璃药瓶内氧气含量检测是可行的, 且利用半高谱峰面积更丰富的幅值信息来反演气体浓度可以降低波峰失真影响, 检测精度更高, 稳定性更好。

为了消除光学条纹对检测精度的影响, 基于光学条纹的映射特性, 提出了一种可有效补偿光路中平行介面造成的光学条纹的方法。在CO2检测系统中进行了理论分析和实验验证, 并展示了该方法的使用过程及补偿结果。结果表明, 即使在光学条纹漂移的情况下, 该方法仍可有效补偿光学条纹, 使测量信号与标准气体吸收信号的拟合相关度由0.8298提升至0.9934, 体积分数测量值标准差由1260×10-6降低至48.5×10-6。该方法极适合补偿检测器窗、气体池窗以及其它已集成于系统的光学元件造成的光学条纹, 在可调谐二极管激光器吸收光谱技术领域具有较大的应用价值。