1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 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
3 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
4 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院分公司，河北 廊坊 065000
实现乙烯气体（C2H4）实时在线精确检测对石油化工、煤矿等行业安全具有重要意义，但是C2H4在近红外波段的谱线强度信息不明确，具有谱带吸收特征，且与CH4有明显的混叠干扰，因此对其浓度进行精确检测是目前激光吸收光谱测量面临的共性技术难题。将波长调制光谱中的标定方法与直接吸收光谱相结合，提出了一种适用于C2H4气体检测的标定直接吸收光谱法（CDAS）。该方法不需要激光吸收光谱反演过程中的确切谱线强度信息，并克服了波长调制光谱在测量过程中出现的非线性效应。为了避免特定工况（如煤矿）中CH4的干扰，实验装置采用了高精度压强控制系统，并且在100 mbar（1 bar=105 Pa）稳定压强下实现了CH4和C2H4混叠光谱的分离。实验过程中对1626 nm附近的CH4和C2H4仿真和实测吸收光谱进行了分析，确定了C2H4的标定光谱范围，进而验证了该方法在体积分数低于100×10-6的范围内，对C2H4气体的检测误差不超过-1.47×10-6，并且测量体积分数与标准体积分数之间的线性拟合优度达到了0.999。对体积分数为10×10-6的C2H4直接吸收光谱进行分析，以1倍信噪比对应的浓度作为检测下限进行等效计算，得到检测下限为1.38×10-6。在Allan方差分析中，积分时间为77 s时检测精度达到了0.04×10-6。以上实验结果充分说明了标定直接吸收光谱法能够在近红外波段实现C2H4的精确检测，并为此类气体的检测提供了一种新思路。
光谱学 乙烯气体（C2H4） 近红外光谱 谱带吸收 标定直接吸收光谱 高精度压强控制
重庆科技学院数理与大数据学院, 重庆 401331
伴随高超音速飞行器、 无接触诊断等技术的快速发展, 更多分子谱带被激发, 对高温高压下的振转光谱数据需求急剧增加, 加之高灵敏、 高分辨激光光腔衰荡(CRDS)、 可调谐半导体激光吸收(TDLAS)等光谱技术的快速进步, 相应分子的振转光谱研究被进一步推进。 CO作为高温燃烧的重要产物, 对其研究首当其冲。 首先利用实验决定的(ν＜41) 12C16O基态 Dunham参数, 通过Rydberg-Klein-Rees(RKR)方法, 反演出分子平衡核间距附近的局域离散势能点; 接着将其拟合到十多个常见的解析势能函数(PEF), 发现SPF和Morse函数具有较好的拟合精度, 但在长程上依然不符合物理要求; 在此基础上结合实验获得的解离能对长程进行校正, 构建了一个全新的、 半经验、 全局、 解析势函数Revised-Morse, 并通过多参考组态相互作用理论(MRCI)确认了其合理性, 该函数既能精确再现低振动态能级, 也能合理预测未知高振动态能级, 且具有精确的解离极限。 接着通过multireference averaged coupled-pair functional(ACPF)理论方法结合差分技术, 得到了三种电场下12C16O基态(ν＜63)的偶极矩面(DMs)。 基于构建的Revised-Morse势函数和DMs, 通过求解一维薛定谔方程得到了直到解离极限的振转能级, 计算结果与文献值十分吻合, 表明Revised-Morse函数是十分可靠的。 基于此得到了常温下所有的跃迁谱线位置, ν＜63时的爱因斯坦系数、 谱线强度等光谱数据, 计算值与HITRAN数据库中的结果几乎完全一致, 同时振动跃迁偶极矩、 辐射寿命、 离心畸变等光谱常数也被一并获取。 该研究不仅完美再现了已知谱带, 还预期了几十万条新的跃迁谱线, 一些新的光谱参数也被报道, 可为光谱探测提供参考。 为建立基于12C16O的测温模型, 继续考察了温度直到9 000 K的配分函数, 模拟了不同温度下的振转光谱, 以20 000 cm-1(对数坐标)以下和ν0-1带(线性坐标)的线状谱图为示例说明了谱线随温度的变化情况, 并提出了几种可能的测温方案线索。 最后考察了压强对振转谱线的影响。
半经验全局解析势函数 偶极矩面 振转光谱 温度效应 压强效应 12C16O 12C16O RKR RKR Semi-empirical global analytical potential energy Dipole moment surface Ro-vibration spectrum Temperature effects Pressure effects 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3380
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
1 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101
3 中国科学院大学, 北京 100049
在卫星遥感研究中, 云检测是基础环节, 其结果影响大气、地表各种参数的定量遥感, 同时也影响云微物理特性的反演。本研究针对多角度偏振卫星载荷 (高分五号 DPC 传感器), 建立了一种改进的光谱特征云检测算法。该算法综合利用云像元和非云像元在可见光反射率光谱、氧 A 波段吸收、蓝光偏振反射率以及偏振虹等特性上的差异, 分别提出了陆地、海洋上空的云检测方案, 并进一步建立了多角度云检测融合策略以标记云、晴空和未定像元。在陆地检测中, 通过增加表观压强检测和偏振虹检测分别改进了高层薄云和低层薄云的识别; 在海洋检测中, 利用表观压强与云层的退偏特性改进了耀光区云像元的识别。全球云检测结果示例显示该算法整体检测效果较好, 同时典型区域的检测结果与 MODIS 云产品也具有较好的一致性。该研究可为高分五号 02 星上的多角度偏振传感器云检测提供方法基础。
高分五号 多角度偏振成像仪 云检测 表观压强 线偏振度 耀光 Gaofen-5 directional polarimetric camera cloud detection apparent pressure degree of linear polarization sun-glint 大气与环境光学学报
2022, 17(6): 598
1 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院, 江苏 南京 211103
2 东南大学 电气工程学院, 江苏 南京 210018
配网电缆接头冷缩管的界面压力是电缆接头绝缘强度和密闭性能的重要保障。目前研究中很少分析在界面压力测量中因薄膜传感器本身形变造成的误差。因此, 该文首先优化压电薄膜传感器结构, 减小压电材料形变产生的影响, 然后根据实际形变量对弯曲力进行补偿, 分别给出了结构优化与受力补偿的量化公式, 并试制电缆接头界面压力测量装置。实验结果表明, 在有补偿情况下测量的界面压强值与无补偿测量值相差11.5%, 且误差随曲率半径的减小而增大, 验证了压电薄膜传感器形变弯曲力补偿的必要性。
电缆接头 压电薄膜传感器 界面压强 弯曲力补偿 cable connector piezoelectric thin film sensor interface pressure bending force compensation
1 广东电网有限责任公司电力科学研究院, 广东 广州 510080
3 河南省日立信股份有限公司, 河南 郑州 450001
六氟化硫气体在电力领域的广泛应用带来日益严峻的环保压力, 寻求可替代的新型环保绝缘气体已成为化学及电气学科领域研究的热点。 反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯[HFO-1336mzz(E)]气体因其优良的环保特性及高介电强度受到国内外的广泛关注。 开展光谱吸收特性及检测技术的研究对深化电气性能的研究意义重大。 采用自组装压强、 温度可调控多次反射长光程池, 组合傅里叶变换红外分光光度计(FTIR)及真空泵等搭建实验测试系统, 通过FTIR实验及仿真模拟首先研究了HFO-1336mzz(E)气体在常温常压、 1 100~1 350 cm-1波段的红外吸收特性; 并对测试背景中可能存在的CO2和H2O进行谱线交叉干扰分析; 重点研究了压强、 温度对HFO-1336mzz(E)气体在1 100~1 350 cm-1波段红外光谱吸收特性的影响; 同时基于非分散红外(NDIR)技术对HFO-1336mzz(E)气体低浓度泄漏及高浓度混合比传感器进行了仿真测试。 结果表明: HFO-1336mzz(E)的三个强吸收峰的中心波数分别为1 152, 1 267及1 333 cm-1, 模拟仿真红外光谱与气体实测结果吻合较好; 1 333 cm-1处干燥空气背景中CO2吸收强度数量级低至10-6, 在150 nm滤波带宽内水分子峰面积积分影响因子约为1.44×10-3, 谱线交叉干扰均可忽略不计, 而痕量泄漏检测时需要湿度补偿; 选择HFO-1336mzz(E)气体在1 333及1 267 cm-1位置分别作为NDIR技术实现低浓度泄漏及高浓度混合比检测的吸收谱线切实可行; 光谱吸收系数及谱线展宽随着压强升高而增大, 1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随压强的变化率分别为0.273和0.118 cm-1·kPa-1; 随温度的升高峰值吸收系数减小, 谱线展宽变窄, 但不同位置吸收系数变化差异较大, 1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随温度的变化率分别为-0.105 6和-0.035 cm-1·K-1。 传感器仿真测试结果显示1 333 cm-1处5 cm光程可实现0~1 800 μL·L-1低浓度痕量泄漏测试, 1 267 cm-1位置2 mm光程可实现0~10%高浓度混合比测试。 该研究为基于红外光谱吸收原理的光学气体传感器的研制提供实验与理论依据。
反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯 红外吸收特性 温度特性 压强特性 非分散红外技术 仿真测试 Trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene Infrared absorption characteristics Temperature characteristic Pressure characteristic NDIR technology Simulation test 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3099
1 河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454000
2 徐州工程学院 机电工程学院，江苏 徐州 221000
3 徐州工程学院 物理与新能源学院，江苏 徐州 221000
4 深圳大学 材料学院，广东 深圳 518000
本文采用脉冲激光沉积（PLD）法在单晶硅（111）和石英玻璃衬底上制备了Ga掺杂ZnO（GZO）纳米薄膜，研究了氧压强对薄膜质量和光电性质的影响。采用XRD和SEM对薄膜的晶体结构和表面形貌进行了表征，结果表明纳米薄膜的平均粒径尺寸可以通过调整氧压强来控制，当氧压强为0.01 Pa时，薄膜的结晶质量最好。PL谱分析结果表明，反应气氛中适量的氧气可以有效降低缺陷密度，实现对GZO薄膜发光性质的调控。透射光谱分析结果显示，GZO薄膜在400~800 nm的平均光学透过率超过85%，具有良好的透光性能。霍尔测试结果表明氧压强为0.01 Pa时，GZO薄膜的电阻率最低为2.77×10-4 Ω·cm，随着氧压强继续增加，薄膜的电阻率增加，载流子浓度和霍尔迁移率均降低。
氧气压强 Ga掺杂 ZnO薄膜 光电性质 Oxygen pressure Ga doping ZnO thin films photoelectric properties
1 蚌埠学院 数理学院 材料物理系, 安徽 蚌埠 233030
2 南京航空航天大学 材料科学与技术学院 材料科学系, 南京 210016
采用射频磁控溅射的方法, 用96at% SnO2/4at% Sb2O3陶瓷靶在玻璃表面制备了锑掺杂氧化锡(ATO)薄膜。研究了溅射功率、压强和后退火对薄膜近红外阻隔性能的影响, 并采用Uv-Vis-NIR透射光谱、霍尔效应测试仪、XRD和SEM等设备对薄膜的性能和结构进行了测试和分析。结果表明, 室温沉积的ATO薄膜近红外透光率较高, 但在氮气中退火后, 不同溅射压强和溅射功率下沉积的ATO薄膜的近红外透光率均显著降低。在氧含量为10%、压强为1.4Pa、溅射功率为200W时, 室温下沉积的ATO薄膜在氮气中500℃下退火1h后, 550nm处透光率由80.9%升高至85.8%, 2000nm处透光率由84.6%下降至23.0%。
磁控溅射 近红外阻隔 氮气退火 溅射功率 压强 magnetron sputtering ATO ATO film NIR blocking annealing in nitrogen sputtering power pressure
1 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 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, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 上海卫星工程研究所, 上海 201109
5 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
云顶压强可用于估计云高, 对气象观测和云特性研究等具有重要的作用。基于高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪 (DPC) 在氧气 A 吸收带设置的 763 nm 和 765 nm 两个波段进行了云顶压强反演方法的研究。首先, 通过辐射传输模拟和多项式拟合得到了大气压强的计算公式, 并对拟合公式进行了误差分析和校正。然后, 分析了气溶胶、大气廓线等因素对云顶压强反演结果的影响, 并进一步利用晴空地表对反演方法进行了稳定性测试和原理性验证。测试结果表明氧气 A 带方法稳定性较好, 可以适用于不同天气状况和观测角度; 验证结果表明 DPC 反演压强与 DEM 估算压强有很好的一致性, 地表压强的平均偏差约为 47.6 hPa。最后, 将 DPC 反演的云顶压强与 MODIS 云顶压强产品 (MYD06) 进行了对比, 结果表明两颗卫星的云顶压强观测结果具有较好的空间一致性。
云顶压强 差分吸收光谱技术 氧气 A 吸收带 反演 cloud top pressure differential optical absorption spectroscopy oxygen A-band retrieval 大气与环境光学学报
2021, 16(3): 256
