1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院,山东 青岛 266100
2 青岛镭测创芯科技有限公司,山东 青岛 266101
3 崂山实验室,山东 青岛 266237
4 中国海洋大学海洋高等研究院,山东 青岛 266100
阐述了相干差分吸收激光雷达(CDIAL)探测大气二氧化碳(CO2)的原理,设计了1.57 μm波段微脉冲相干探测系统,并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO2体积分数的反演精度的影响。仿真结果显示:当波长漂移为0.5 pm、温度不确定度为1 K、压强不确定度为1 hPa、水汽体积分数测量不确定度为10%时,这些参数引起的总体误差为0.45%;在大气中CO2的体积分数为4×10-4时,微脉冲相干激光雷达探测CO2体积分数的测量误差约为1.8×10-6。
大气光学 二氧化碳体积分数 相干差分吸收 激光雷达 仿真与性能评估
1 温州大学生命与环境科学学院,浙江 温州 325035
2 浙江师范大学浙江省光信息检测与显示技术研究重点实验室,浙江 金华 321004
3 浙江金华广福肿瘤医院,浙江 金华 321000
4 温州大学化学与材料工程学院,浙江 温州 325035
5 温州大学电子与电气工程学院,浙江 温州 325035
针对呼出气一氧化氮(FeNO)体积分数的检测,使用了具有高灵敏度、高精度等特性的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。利用直接吸收光谱(DAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术对呼出二氧化碳(CO2)体积分数进行标定,并通过模拟两种气体信号来确定相关系数并完成FeNO体积分数反演。连续测量15 min气体体积分数,根据其变化实验和Allan方差曲线分析确定两种气体的参数,该系统中的CO2气体测量精度和探测极限分别为0.045%和5.4×10-3,一氧化氮(NO)气体测量精度和探测极限分别为1.1×10-9和3.4×10-9;通过反复置换CO2和NO的混合气体与氮气(N2)测量气体体积分数随时间变化情况来确定该系统响应时间为12 s;最后根据单次呼气周期曲线确定志愿者呼出气体中CO2和NO的体积分数。该研究为FeNO的在线检测提供实验依据。
生物技术 光谱学 二氧化碳 一氧化氮 临床应用 吸收光谱
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 安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽芜湖 241002
2 中国科学院合肥物质科学研究院,安徽合肥 230031
二氧化碳(carbon dioxide, CO2)浓度监测是实现碳达峰、碳中和的重要基础,非分散红外(non-dispersive infrared, NDIR)检测技术作为温室气体测量领域应用最为广泛的技术之一,如何有效抑制温度漂移、确保长期监测数据的稳定性和可靠性是研究重点。实验表明,光源光功率、气体吸收线强、滤光片中心波长等容易受到环境温度影响。文中提出一种红外气体检测的温度补偿方法,研制了用于大气二氧化碳浓度红外检测的分析仪。选取以 4.26.m为中心波长的 CO2气体吸收线;利用高低温试验箱,对分析仪进行温度补偿实验研究;配置标准 CO2气体浓度,对分析仪进行浓度标定实验研究。测量结果表明,红外 CO2气体分析仪浓度测量稳定,温度补偿显著,具有快速响应、应用范围广等优点。该红外 CO2气体分析仪为陆地生态系统碳收支监测等领域提供可靠数据支撑。
二氧化碳 非分散红外 温度补偿 浓度标定 carbon dioxide, non-dispersive infrared, temperatu
强激光与粒子束
2023, 35(11): 116001
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,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
3 中国科学院大学,北京 100049
针对快速、高分辨获取CO2排放量并有效识别CO2排放源分布的需求,集成了近红外差分吸收光谱遥测系统,研究了反演CO2浓度信息的近红外差分光学吸收光谱算法,并结合通量算法估算了典型排放源的排放通量。分别选取电厂和合肥市科学岛为观测点,开展了对典型点排放源和复杂背景下面排放源的CO2浓度分布研究,分析了参考光谱的选择对于结果反演的影响,选择背景光谱为参考谱,获取了CO2柱浓度信息,柱浓度反演误差可达到0.79%,并利用双三次插值算法得到了高空间分辨的CO2柱浓度二维浓度分布结果,结合浓度分布结果和观测参数计算了电厂CO2的排放通量为1925 kg,其中测量距离估算误差为主要误差源。初步开展了对合肥市边界层CO2浓度分布的研究,获得了合肥市大气边界层郊区、电厂区和城市区的CO2浓度分布特点,该研究对下一步开展城市温室气体排放的评估具有重要意义,为城市碳排放遥测提供了一种可靠的技术和方法。
光谱学 近红外差分吸收光谱 光学遥测 二氧化碳浓度分布 排放通量 光学学报
2023, 43(24): 2430004
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部,上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室,上海 201800
路径积分差分吸收(IPDA)激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO2浓度,具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%,因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中,除了地面和海洋回波信号,还有很多云层回波信号。结合机载大气探测激光雷达(ACDL)信号采集特点,针对复杂的云层回波信号,提出一种基于中位数绝对偏差的离群值筛选法提取信号,可分离多层云回波信号及云层与地面回波信号同时存在的信号。分析云信号的探测能力,并利用云层回波信号积分值反演云上CO2柱浓度,结果与原位测量仪测量结果变化趋势一致,二者偏差为2.8 μL/L。
遥感 差分吸收激光雷达 二氧化碳柱浓度 云回波信号 差分吸收光学厚度 大气遥感 中国激光
2023, 50(23): 2310001
光子学报
2023, 52(10): 1052406
1 中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司天然气研究院, 四川 成都 610213
2 国家市场监管重点实验室(天然质量控制和能量计量), 四川 成都 610213
3 中国石油天然气集团公司天然质量控制和能量计量重点实验室, 四川 成都 610213
为了解决天然气净化厂缺乏原料气中的二氧化碳和硫化氢在线分析方法问题, 针对天然气原料气含水、 油污、 颗粒物杂质、 含硫和二氧化碳等强腐蚀性的特点, 研制了激光拉曼天然气原料气在线分析仪和配套预处理装置, 首次建立激光拉曼在线分析新方法, 在天然气净化厂开展现场应用测试, 考察了二氧化碳和硫化氢测量准确度和重复性, 验证了在线分析方法可靠性, 并开展了在线分析方法的校准技术研究。 方法性能测试试验结果表明, 硫化氢激光拉曼测定结果和标气示值的偏差小于1.0%, 两种方法的检测结果相符, 7次测量结果的相对标准偏差小于0.6%; 二氧化碳拉曼分析结果和标气示值的相对偏差小于1.0%, 7次测量结果的相对标准偏差小于0.76%。 应用测试试验结果表明拉曼光谱H2S在线测定和碘量法离线测定结果相对偏差范围为0.3%~7.5%(90%以上数据小于3%), 拉曼光谱CO2在线测定和气相色谱法离线测定结果相对偏差范围为0.6%~8.4%(80%以上数据小于3%), 激光拉曼在线分析方法的校准周期为3 d。 形成的激光拉曼在线分析仪现场运行平稳, 可实时反馈气质变化, 能够满足天然气净化厂掌握原料气中酸气成分含量的需求。
拉曼光谱 天然气 在线分析 硫化氢 二氧化碳 Raman spectroscopy Natural gas Online analysis Hydrogen sulfide Carbon dioxide 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3551
1 中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院, 油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249
2 北京建筑材料科学研究总院有限公司, 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室, 北京 100041
为了减缓建筑行业生产过程中CO2排放对全球气候变化的影响, 建筑行业提出了CO2矿化封存技术, 即利用CO2与水泥基材料中的水泥熟料以及水泥水化产物等反应生成以方解石为主的碳酸钙(CaCO3)沉淀和无定形高聚合度硅胶(SiO2·nH2O)。CO2矿化养护水泥基材料在实现永久封存利用CO2的同时, 因其矿化产物具有较好的稳定性、填充效应和成核效应, 矿化养护后的水泥基材料力学强度得以提升, 耐久性得到改善, 相比其他养护方法, 短时间内可以获得具有高性能的水泥基材料。本文总结了现阶段CO2矿化养护水泥基材料的最新研究进展, 从反应机理和影响因素两方面进行了介绍, 详细分析了预养护、相对湿度、水胶比、CO2浓度、养护压力和温度等养护条件对水泥基材料CO2矿化养护后性能、固碳率以及矿化程度的影响, 并对CO2矿化技术在水泥基材料中未来的发展和研究方向进行了展望。
二氧化碳封存与利用 矿化养护 水泥基材料 反应机理 影响因素 carbon dioxide storage and utilization mineral carbonation curing cement-based material reaction mechanism influencing factor