1 长春理工大学电子信息工程学院,吉林 长春 130022
2 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室,吉林 长春 130022
在近红外区域,利用波长调制光谱技术进行气体浓度检测时,光学元件以及电子器件的噪声会影响二次谐波信号的信噪比。为了抑制噪声,提出一种基于经验模态分解、去趋势波动分析和小波自适应阈值的复合降噪算法。该算法针对传统经验模态分解降噪算法中存在的有用信号缺失的问题,利用去趋势波动分析优化对于信息主导本征模函数的筛选,将筛选出的信息主导本征模函数进行信号重构,再用小波自适应阈值算法提高降噪精度。将提出的算法与经典的降噪算法进行对比评估,提出的算法降噪后的二次谐波信号与原二次谐波信号的互相关系数为99.9018%,均方根误差为0.0087%。通过对实验中实际得到的二次谐波信号进行去噪,结果表明提出的算法去噪效果明显,能够保留有用的信息点。
光谱学 波长调制光谱技术 二次谐波 经验模态分解 去趋势波动分析 小波自适应阈值函数 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0730001
东南大学能源与环境学院, 江苏 南京 210096
固定点波长调制光谱技术虽然具有时间分辨率高的优点,但随着激光器出光中心的波数漂移,气体浓度的测量会出现较大误差。为消除波数漂移对浓度测量的不利影响,本文提出了一种基于固定点波长调制光谱技术的气体浓度测量方法。引入一条带有封闭气池的参考光路,通过谐波高度来推算激光器出光中心的波数偏移量,使用循环迭代算法实现待测气体浓度的有效反演。搭建了一套基于固定点波长调制光谱技术的测量系统,通过改变激光器的工作温度来模拟波数漂移现象。选择CH4分子在6046.955 cm -1附近的吸收谱线进行浓度测量实验,结果显示:浓度测量的最大相对误差由90.510%降低至5.204%;对于低于70.000%的误差,修正后均可控制在2.000%以内。这说明所提方法能准确计算波数偏移量,提高气体浓度的测量精度,为使用固定点调制光谱技术实现快速场反演提供了技术保障。
光谱学 固定点波长调制光谱技术 波数漂移 参考光路 浓度测量 光学学报
2021, 41(23): 2330001
School of automation, central south university ,Changsha40083, China
利用一种基于760.88 nm处近红外吸收光谱的氧气浓度探测方法,可以实现开放环境中西林瓶内氧气残留浓度在灯检机上的原位、非接触测量检测。该方法采用基于TDLAS的波长调制光谱技术(WMS),在开放光路环境下利用主成分提取法(PCA)对WMS的二次谐波进行主特性提取,在抑制噪声的同时可降低数据量,提高了后期数据处理速度,然后利用遗传算法(GA)优化的BP神经网络建立浓度反演模型。实验结果证明:该方法相对利用半峰值面积的最小二乘拟合方法其平均相对误差从8.32%减少到1.12%,决定系数提升了8.86%,相比单独PCA-BP神经模型的平均相对误差从3.80%减少到1.12%,决定系数提升了2.81%,该方法有效地抑制了开放光路环境所致测量仪器的信号随机扰动,提高了西林瓶内氧气残留浓度检测的准确度和稳定性。
可调谐二极管激光吸收光谱 波长调制光谱技术 主成分提取 神经网络 遗传算法 TDLAS WMS PCA BP neural network GA
1 南昌航空大学测试与光电工程学院, 江西 南昌 330063
2 法国滨海大学大气化学物理实验室, 法国 敦克尔克 59140
人体呼出气体中CO2和水汽的浓度变化与身体状况密切相关,因此对其浓度进行检测具有重要意义。提出一种基于2.73 μm分布反馈式激光器的呼出气体检测装置,选取3659.402 cm
-1和3659.934 cm
-1处的谱线,利用波长调制光谱技术分别对人体呼出气体中的CO2和水汽同时进行测量。结果表明:利用二次谐波信号对气体浓度进行定标,当CO2和水汽的体积分数分别小于35%和2.3%时,线性度分别达到0.99945和0.99679;对呼吸循环过程中CO2和水汽的浓度进行实时测量,积分时间为0.92 s时,探测灵敏度分别为4.33×10
-3和1.37×10
-4;在采集时间为56.8 s时,CO2的探测精度为0.12%,在最佳积分时间为17 min时,CO2的探测极限可达到1.49×10
-4。
光谱学 呼出气体分析 波长调制光谱技术 激光吸收光谱 CO2 水汽 光学学报
2018, 38(12): 1230001
1 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室, 江西 南昌 330063
2 南昌航空大学无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室, 江西 南昌 330063
介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392 μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60 cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87 cm
-1的CH4吸收谱线,对不同浓度的CH4气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203 s。实验选取100 s的测量时间,得出CH4气体的探测极限为8.7×10
-7,相应的最小的可探测吸收为2.2×10
-6 Hz
-1/2。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH4气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。
光谱学 激光吸收光谱 波长调制光谱技术 离轴积分腔输出光谱 二次谐波 二次谐波与一次谐波之比
华北电力大学控制与计算机工程学院,北京 102206
以可调谐激光二极管吸收光谱技术为基础,结合波长调制光谱技术,对不同体积浓度的二氧化碳气体进行检测。分别分析正弦波调制 信号的不同调制电压及调制频率对二次谐波信号波形及峰值的影响。结果显示当调制电压为0.25 V、调制频率为10 kHz时,得到 的二次谐波信号较好。在此基础上,利用实验室中搭建的单光路测量系统对不同浓度的CO2气体进行检测,得到气体浓度与二次谐波 峰值线性相关系数为0.998,系统的检测极限为450 ppm。研究为该类系统调制系数的选择提供了实验依据,为工业应用打下了基础。
可调谐二极管激光吸收光谱 波长调制光谱技术 调制系数 浓度测量 tunable diode laser absorption spectroscopy wavelength modulation spectroscopy technology modulation parameters concentration measurement 大气与环境光学学报
2017, 12(5): 356