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
1 清华大学能源与动力工程系, 北京 100084
2 华北电力大学控制与计算机工程学院, 北京 102206
波长调制-直接吸收光谱（WM-DAS）结合了直接吸收光谱（DAS）可直接测量吸收率和波长调制光谱（WMS）高信噪比的优点, 可用于测量气体分子吸收谱线的光谱参数。 采用WM-DAS方法结合有效光程约为45 m的Herriott型长光程吸收池, 在CO浓度为24.151 μmol·L-1、 常温常压条件下, 测量了CO分子中心频率为4 300.700 cm-1谱线的吸收率, 用Voigt线型（VP）函数对测量的吸收率进行拟合, 结果表明对WM-DAS方法测量结果进行拟合所得的残差标准差比用传统DAS方法减小一半以上, 证明WM-DAS方法的抗干扰能力比DAS更强。 采用该方法与光程约为50 cm的吸收池结合, 对CO分子在4 278～4 304 cm-1波段的8条弱吸收谱线在不同压力下的吸收率进行测量, 实验采用浓度为0.411 μmol·L-1的CO标准气体。 分别采用VP、 Raution线型（RP）和quadratic-speed-dependent-Voigt线型（qSDVP）对测量所得吸收率进行拟合, 得到CO分子与空气分子的碰撞展宽系数γ0(T0)、 Dicke收敛系数β0(T0)和速度依赖的碰撞展宽系数γ2(T0), 并对测量结果进行不确定度分析。 其中由VP拟合所得各谱线的γ0(T0)与HITRAN数据库中参考值吻合较好, 其相对误差均小于1%; Dicke收敛系数β0(T0)和qSDVP中速度依赖的碰撞展宽系数γ2(T0)的高精度测量为进一步完善分子光谱数据库及气体参数高精度测量提供了数据基础。
波长调制-直接吸收光谱 吸收率 碰撞展宽系数 Dicke收敛系数 Wavelength modulation-direct absorption spectrosco Absorbance Collision broadening coefficient Dicke narrowing coefficient 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2246
南昌航空大学测试与光电工程学院，江西 南昌 330063
基于离轴积分腔输出光谱技术（OA-ICOS）设计并搭建一套近红外二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）传感系统，用于快速、实时和原位监测环境中的CH4和CO2。通过加入射频（RF）噪声源减少离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式，从而提高了基于OA-ICOS的CH4和CO2传感系统的信噪比、精度和测量灵敏度。结果表明：加入RF噪声源后OA-ICOS系统的测量精度相对于无噪声源的系统提高了2.74倍。由Allan方差结果可知，在加入RF噪声源的OA-ICOS系统中，CO2和CH4的Allan方差值始终优于无噪声源的OA-ICOS系统，在1000 s时CO2和CH4的探测极限分别为0.55×10-6和5.78×10-9，相对于无噪声源的OA-ICOS系统探测极限至少提高了3倍。在5 s的平均时间下，加入RF噪声源的系统中CH4和CO2的噪声等效灵敏度分别为1.70×10-9cm-1·Hz-1/2和1.07×10-9cm-1·Hz-1/2。此外，对大气中CH4和CO2浓度水平进行了为期4 d的连续监测，以验证所发展的CH4和CO2传感器系统的稳定性和可靠性。
大气光学 直接吸收光谱 离轴积分腔 射频噪声源 双气体探测 时分复用 光学学报
2023, 43(24): 2401013
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 光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
5 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
针对可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时，遇到的高精度、宽动态范围需求，采用时分复用的方法，将直接吸收光谱技术（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spec-troscopy, WMS)技术的优势相结合，完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号，用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算，通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点，实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下，通过实验分别对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度进行检测，确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm−1。系统对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5000×10−6和0~1000×10−6，其最小体积浓度检测限分别为2.27×10−4、0.21×10−6、1.68×10−6，且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明：该方法能够满足工业现场实际应用的需求，有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 直接吸收光谱 波长调制光谱 宽动态范围 tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) direct absorption spectroscopy (DAS) wavelength modulation spectroscopy (WMS) wide dynamic range 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220284
1 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640
2 广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东 广州 510640
3 广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心，广东 广州 510640
可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、 灵敏度高、 精确度高、 非侵入式测量等优点, 被广泛应用于大气环境监测、 燃烧流场诊断、 工业过程控制、 人体呼吸探测等领域。 直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段, 其中直接吸收技术测量系统结构简单、 信号处理相对容易、 成本较低、 避免提前标定, 在测量气体为常量组分时广泛使用。 直接吸收技术测量气体浓度时, 首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号, 这一过程被称为基线拟合。 基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差, 这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。 针对上述问题, 基于梯度下降法, 将基线、 气体浓度、 吸收线型等作为未知量, 通过建立激光吸收光谱信号的数学模型, 对透射信号直接拟合, 最终得到气体的浓度信息。 这种方法同步拟合了线型和基线, 相比传统的积分面积法, 增强了拟合的整体一致性。 在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上, 利用中心波长在1 580 nm处的分布反馈式激光器, 通过该方法对实际浓度为10%, 12%, 14%, 16%, 18%和20%的CO2进行了测量, 并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。 研究结果显示, 六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10-4, 测量浓度的最小相对误差仅为0.90%, 最大相对误差为4.40%, 此时迭代时间在4 s以内, 计算检测限为0.39%; 直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%, 直接拟合法优于积分面积法。 实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性, 为直接吸收技术提供了一个新的思路。
可调谐二极管激光吸收光谱 直接吸收 梯度下降法 光谱吸收信号拟合 Tunable diode laser absorption spectroscopy Direct absorption Gradient descent method Spectral absorption signal fitting 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3256
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 中国空间技术研究院空间激光信息感知技术核心专业实验室，北京 100094
本文分析了固定波长激光掩星差分吸收技术的优点和不足，介绍了可调谐激光直接吸收光谱技术测量原理。分析了最优波长透过率与信噪比的关系以及测量误差与背景光干扰的关系。根据高灵敏度探测器的工作波长范围，选择了6310.915 cm−1、6310.893 cm−1、6310.890 cm−1、6310.8834 cm−1作为吸收的工作波长，同时选择6310.15 cm−1作为参考波长，并对各波长的探测能力进行了仿真分析。通过仿真结果可知，在1 km垂直分辨率下，在5~35 km内CO2浓度探测误差优于0.9%，7~42 km范围内的探测误差优于0.4%。该技术降低了系统成本和复杂度，有利于星载产品的设计和实现。
激光掩星 二氧化碳 直接吸收光谱 laser occultation carbon dioxide direct absorption spectrum
1 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640
2 广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心，广东 广州 510640
3 广东红海湾发电有限公司，广东 汕尾 516626
可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术利用了半导体激光器可调谐和窄线宽的特性，具有高选择性和高灵敏度，可以在气体成分复杂、高温等恶劣环境下准确测量CO2。基于TDLAS的扫描波长直接吸收（SDAS）技术是常用的气体浓度反演方法，针对该方法反演气体浓度时采用的吸光度积分法需要准确获得频域信息，从而导致系统结构复杂的问题，本文提出了基于直接吸收峰峰值标定的气体浓度反演方法。首先利用HITRAN2016光谱数据库建立CO2数值仿真模型，并参考电厂尾部烟道内高温和高浓度的CO2环境，分析了吸收峰峰值随浓度（10%~20%）和温度（298~338 K）的理论变化规律，然后将理论规律作为建立实际吸收峰峰值浓度标定模型和温度修正曲线的参考依据。通过搭建基于TDLAS的CO2检测实验系统，验证了所提方法应用于浓度测量的可行性。研究结果显示，采用峰值标定法反演得到的CO2浓度的相对误差均方值为1.08%，验证了利用吸收峰峰值标定的气体浓度反演方法在高浓度CO2准确测量方面的可行性。
光谱学 可调谐半导体激光吸收光谱 直接吸收 吸收峰峰值 浓度反演 温度修正 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330002
1 河北地质大学 信息工程学院，河北 石家庄 050000
2 河北省光电信息与地球探测技术重点实验室，河北 050031
可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）作为一种新型气体浓度测量技术被广泛应用于NH3浓度测量领域。利用Matlab可视化建模仿真软件Simulink分别实现了以中远红外量子级联激光器（quantum cascade laser，QCL）和近红外分布反馈式激光器（distributed feedback laser，DFB）做为光源的NH3浓度TDLAS直接吸收测量仿真，并且分别在常温常压和烟气脱硝出口环境参数下理论分析了NH3浓度测量灵敏度、检测限和分辨率。仿真结果表明：与传统近红外DFB光源相比，QCL-TDLAS系统理论灵敏度高约50倍，检测限与分辨率可达ppb量级，痕量NH3浓度测量能力得到大幅度提升。仿真过程和结果为QCL-TDLAS技术在NH3浓度测量方面的研究提供了理论依据。
QCL-TDLAS NH3浓度测量 直接吸收法 数值分析 QCL-TDLAS NH3 concentration measurement direct absorption method numerical analysis 
