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环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司石油石化污染物控制与处理国家重点实验室, 北京 102206
随着页岩气的开发, 传统的手持式甲烷测量仪无法继续应对复杂的开采工况。 针对页岩气开发过程中温室气体甲烷的浓度及排放速率难以实时在线监测的问题, 利用自主设计并搭建的开放光程傅里叶变换红外光谱(FTIR)测量系统, 对页岩气开采过程中各种工况下返排液进行实时在线测量。 其中FTIR分辨率为1 cm-1, 光程为50 m, 红外光源通过返排液正上方被光谱仪接收。 对测量所得的红外光谱进行多次平均, 提高光谱质量并进行反演计算。 从HITRAN数据库中提取甲烷特征吸收截面, 考虑环境与仪器等影响, 对测量温度进行修正, 选取合适的吸收波段, 与水汽的吸收截面进行吸收峰叠加, 合成标准光谱。 使用最小二乘法对实测光谱与标准光谱进行拟合, 从而反演出甲烷浓度。 并根据返排液排放速率, 结合光路通过返排池的距离及红外光谱反演浓度, 对页岩气开采过程中甲烷排放速率进行计算。 结果表明: 不同开采工况下, 光谱反演浓度呈明显起伏变化。 更换三项分离器时, 甲烷浓度有明显上升; 在点燃火炬时, 甲烷浓度持续低值; 其红外光谱反演浓度符合页岩气开采过程中甲烷排放情况。 改变测量光谱平均次数, 对返排液甲烷进行单位小时和连续80小时测量并分析。 在单位小时内, 甲烷浓度在100~800 μmol·mol-1范围内呈现明显起伏变化; 甲烷的排放速率在50~300 m3·h-1内波动。 对返排液进行80小时连续测量, 甲烷浓度最大值为936.4 μmol·mol-1, 其最大排放速率达到535.1 m3·h-1; 最低值为36.82 μmol·mol-1最小排放速率为18.63 m3·h-1。 反演数据结果说明: 在页岩气开发过程中, 其返排液为一个无组织甲烷排放源, 且排放速率在短时间内变化十分明显。 红外光谱反演浓度和传统手持式甲烷测量仪测量结果具有较好一致性, 相关系数为0.743 6。 相对于传统手持式甲烷测量仪器, 红外光谱反演法具有响应速度更快, 非接触远距离, 实时在线测量等优势。
页岩气 甲烷 红外反演 浓度 排放速率 Shale gas CH4 Spectral inversion Concentration Emission rate 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3717
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环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对红外掩日通量法准直系统中光路聚焦点位置对光谱质量及气体质量浓度反演精度的影响,建立了参考坐标,推导了干涉腔内的光路,并提出了一种红外光谱修正算法。利用ZEMAX软件仿真分析了干涉腔内光路的离轴情况,结果表明,聚焦点位置的变化会导致碲镉汞探测器上光斑的大小、位置及强度发生变化。外场实验结果表明,光束离轴角的变化会引起光束干涉强度及信噪比的变化。静态测量情况下,传统算法和本算法的SF6波数平均漂移量分别为0.2602 cm -1和0.1146 cm -1;动态测量情况下,传统算法和本算法的SF6波数平均漂移量分别为0.2355 cm -1和0.0860 cm -1,且本算法反演的待测气体质量浓度精度更高。
几何光学 掩日通量法 波数漂移 波数校正 红外光谱反演 光学学报
2021, 41(10): 1008001
为了高速采集并反演光谱数据, 采用 FPGA设计了一种高速光谱反演系统。由 FPGA控制 CCD驱动模块, 使 CCD高速采集干涉条纹数据并传输给 FPGA处理模块。设计了高速数据采集与处理的 FPGA硬件结构, 通过仿真数据分析了采集模块与处理模块的时序逻辑关系。为了同时满足系统光谱反演精度与速度的要求, 对比了 8 bit、10 bit和 12 bit数据位深条件下的频谱分布, 实验结果显示, 位深越小速度越快, 但其会降低光谱反演的对比度; 而位深越大光谱反演的对比度越好, 但处理速度越慢, 综合考虑本系统采用 10 bit位深结构。实验针对中心波长为 975 nm的激光进行光谱反演, 并与 MATLAB反演数据进行对比分析。结果显示本系统检测精度符合要求, 且速度更快。
高速光谱反演 干涉条纹 位深设置 high-speed spectral inversion, interference fringe FPGA
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
光学观测是空间目标识别的重要手段, 由于探测距离远, 视场中的空间目标多呈现为非分辨的点目标。 相比于传统的定轨测量和光度测量, 光谱探测提供了波长维的可分辨信息, 极大的提升了目标表面材质判别能力, 并为目标状态反演提供了更可靠的依据, 极具应用潜力。 介绍了近年来国内外学者在空间点目标光谱探测及特征识别方面的典型研究进展, 依据主要研究方法, 分为多通道测光探测、 高光谱探测、 实验室光谱特性测量、 目标特性建模仿真四个方向。 其中, 多通道测光获得了低光谱分辨率的测量数据, 是常用的广域空间目标分类判别手段; 高光谱探测研究反射能量在波长维的精细分布, 有助于反演重点目标的材质组成; 实验室光谱特性测量可在受控条件下模拟目标探测的物理过程, 提供材质光谱特性数据库; 目标特性建模仿真则对物理属性抽象特征化, 研究目标光谱变化过程。 通过分析国内外研究成果, 总结当前研究的能力与不足, 提出几点研究思路, 为后续研究开展提供参考。
空间目标 光谱测量 建模仿真 光谱反演 特征识别 Space object Spectral measurement Modeling and simulation Spectral inversion Characteristic recognition
1 北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室， 北京 100081
2 北京理工大学深圳研究院， 广东 深圳 518057
零级漂移存在于时空联合调制型紫外傅里叶变换成像光谱仪干涉图中。对干涉结构中分束体光路的计算表明，分束体中的光学胶和棱镜在紫外波长范围内的折射率变化会导致零级漂移。但是棱镜装配错位会使零级漂移更为严重，导致有效干涉信息丢失及反演光谱曲线失真。数值仿真结果表明，提高分束体装配精度，可避免有效干涉信息的丢失。实际测量结果表明，含固有零级漂移的时空联合调制型干涉成像光谱仪的反演光谱曲线与高分辨率光谱仪测量数据一致。当分束体装配精度较高时，零级漂移不会影响成像光谱仪测量的准确性。
成像系统 零级漂移 光谱反演 分束体 紫外
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于一种固体马赫曾德尔(Mach-Zehnder)成像光谱仪，从理论上严格推导了其光谱反演模型，通过该光谱反演模型着重分析了反射面平移误差对系统光谱反演带来的影响。运用Zemax软件建立了成像光谱仪的仿真模型，并运用该仿真模型对固体马赫曾德尔成像光谱系统光谱反演及平移误差推导结果进行了仿真验算。理论推导及仿真结果表明，固体马赫曾德尔成像光谱仪中反射面的平移误差将对系统的光谱反演结果带来影响，并且光谱的反演误差与两路剪切分光光路中反射面平移误差的总和相关。因此，在固体马赫曾德尔成像光谱仪的研制过程中，需要严格控制两路平移误差的总和，或通过适当的补偿遏制其对测量结果的影响，提高系统的光谱测量精度。
光谱学 干涉成像光谱技术 光谱反演模型 平移误差 傅里叶变换 Zemax验证 马赫曾德尔成像光谱仪
北京邮电大学电子工程学院光通信与光波技术教育部重点实验室, 北京 100876
实验验证了应用中点谱反转技术实现155 Mb/s～10 Gb/s频移键控/幅度调制(FSK/IM)正交信号的100 km传输。其中,FSK/IM正交信号的频谱反转由基于半导体光放大器(SOA)的四波混频效应实现,此技术有效克服了FSK/IM正交信号在传输中色散带来的影响。实验采用DFB激光器作光源,康宁公司生产的标准单模光纤作传输链路,采用长为1.5 mm,光限制因子为0.15的半导体光放大器实现频谱反转。实验中固定FSK/IM的中心波长,测试了接收端FSK与IM信号的眼图,结果发现,标记FSK与数据包IM的性能良好。
光通信 光标记交换 中间跨度谱反转 频移键控 色散 半导体光放大器
Department of Electronics Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China
Chinese Journal of Lasers B
2002, 11(3): 215
