1 西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西西安70054
2 陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西西安710054
3 中石化安全工程研究院有限公司 化学品安全全国重点实验室，山东青岛266000
H2S，CH4多组分气体浓度测量技术的研究对石油石化行业的安全生产有重要意义。基于中红外TDLAS技术， 选用中心波长为8.309 μm的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)为检测光源，搭建30 m长距离的遥测实验系统，使用WMS波长调制法对H2S，CH4气体的吸收谱线进行连续调谐与扫描，并对高频正弦载波进行了最优深化调制，实现了H2S，CH4多组分气体的同时测量。实验将H2S与5%体积分数的高浓度水汽进行混合测量，分析并验证了该波段的水汽吸收难以对测量造成交叉干扰的优良特性，并利用Savitzky-Golay平滑滤波器提高了检测信号的信噪比。通过遥测实验，分析了15 m，30 m不同遥测距离对检测信号的影响，并利用增加积分时间与计算信噪比的方法，得到了128.75×10-9 m的遥测最低限。最后，Allan方差的计算结果表明，当积分时间为183 s，142 s时，系统对H2S，CH4气体的最低检测下限分别为0.593×10-9和1.160×10-9。本文的研究结果为中红外波段H2S，CH4多组分气体的高灵敏度、同时测量提供了一种有效途径，为多组分气体的遥测应用提供了参考。
中红外 硫化氢 量子级联激光器 多组分气体遥测 mid-infrared hydrogen sulfide Quantum Cascade Laser(QCL) multi-component gas sensing
1 浙江大学 光电科学与工程学院 极端光学技术与仪器全国重点实验室, 浙江 杭州310027
2 浙江省计量科学研究院, 浙江 杭州310018
3 浙江省能源与环境保护计量检测重点实验室, 浙江 杭州310018
针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点，结合波长调制技术，设计和研究了用于TDLAS激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit, HSPDC)。基于波长调制技术，确定了TDLAS信号噪声抑制方法；采用光电二极管理想模型，分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数；基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC进行测试。结果表明：所设计HSPDC的光功率检测下限为0.11 nW，信号衰减仅为0.79 dB(f=10 kHz)，截止频率较现有108 V/A跨阻放大电路高一个数量级，可用于高速调制微弱光信号的探测。搭建了气体激光遥测系统，当调制频率为3 kHz时，激光遥测系统获得了良好的检测性能，检测灵敏度达到88.66 mV/ppm，检测限优于0.565 ppm，线性拟合度R2为0.9996。研究表明，研制的HSPDC光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点，可集成化，能满足气体激光遥测应用需求。
光电探测 跨阻放大 TDLAS 开放光路 激光遥测 photoelectric detection transimpedance amplification TDLAS open light path laser telemetry
国民核生化灾害防护国家重点实验室, 北京 102205
光声光谱是一种新颖的气体探测技术, 光声光谱检测是一种间接的吸收光谱技术, 通过探测声波信号进行气体浓度反演, 具有结构简单、 响应速度快、 系统体积小等优点, 是目前正在发展一种可广泛使用的高灵敏度痕量气体传感手段之一, 在检测毒害气体、 爆炸物及化学毒剂模拟剂领域正在成为研究的热点之一。 重点介绍了光声光谱技术在化学毒剂模拟剂和有毒有害气体的快速检测方面的研究工作。 光声光谱法使用了不同的激光系统, 当激光发射的范围为中红外波段, 在这些波段范围内化学毒剂会有特征吸收峰, 因此也可适用于检测化学毒剂。 介绍了国外光声光谱法检测化学毒剂及模拟剂的相关方法, 介绍了方法中光路构成、 激光光源等方法信息, 以及新建气体吸收池的结构特点。 分析了不同化学毒剂及模拟剂光声光谱检测的特征吸收波长范围等内容。 除了传统的在气体吸收池中检测化学毒剂外, 近年来不断发展了在几厘米到几十米距离范围内的光声光谱开放光路遥测探测毒害气体的方法和系统。 对光声光谱技术在氨气、 硫化氢、 HF、 二氧化硫等有毒有害气体检测领域的方法进行了报道。 分析了相关的光源及方法、 声波换能元件、 化学毒剂模拟剂的特征光谱、 检测性能等方面的工作。 报道了国外短距离遥测光声光谱样机, 对光声光谱短距离谱遥测技术等潜在的发展进行了评述。
光声光谱 化学毒剂 模拟剂, 遥测探测 有毒有害气体 Photoacoustic spectroscopy Chemical warfare agents Simulant Stand-off detection Toxic gas 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3653
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 安徽建筑大学电子与信息工程学院，安徽 合肥 230601
2 安徽建筑大学机械与电子工程学院，安徽 合肥 230601
3 清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601
4 安徽泽众安全科技有限公司，安徽 合肥 230601
针对甲烷气体泄漏高精度、非接触和远距离探测的需求，提出一种基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统。该系统采用高级精简指令集机器（ARM）和现场可编程门阵列（FPGA）双核架构，FPGA实现数字锁相解调提取一次谐波（1f）和二次谐波（2f）信号，ARM通过串行外设接口（SPI）实时接收FPGA解调的1f、2f信号并传送至Labview进行谐波信号分析和甲烷浓度在线解调。通过2f/1f信号处理技术消除光强与靶标反射系数的变化对系统测量结果的影响。研究同等实验条件下0~90 m范围内谐波信号与探测距离的关系，结果表明，2f/1f信号处理技术对噪声抑制效果显著。测量不同积分浓度的谐波信号，采用最小二乘法对2f/1f和气体积分浓度数据进行线性拟合，获得系统标定线性度，为0.9966。对系统误差进行实验测量和分析，在0~2000×10-6 m范围内，系统测量最大相对误差为-3.66%，最小为-0.23%。利用1500×10-6 m甲烷浓度的二次谐波信号评估系统的检测下限为70.5×10-6 m。结果表明，设计和研制的甲烷泄漏遥测系统可广泛应用于城市燃气场站和天然气管网等场合的燃气突发泄漏监测预警。
遥感 甲烷气体遥测 TDLAS 波长调制光谱 FPGA 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0628006
1 安徽泽众安全科技有限公司，安徽 合肥 230601
2 清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601
激光气体遥测作为本征安全气体探测方法，可进行实时在线、非接触、远距离探测，具有独特的优势。基于非合作目标设计和开发一款具有完全自主知识产权的便携、轻巧、可实用化的手持式激光甲烷气体遥测仪，其温控芯片采用WTC3243，控温精度可达0.01 ℃，收发一体光学遥测组件采用平行光轴设计。通过标准气体比对测试，结果表明测量相对误差在±5%范围之内，测量综合偏差为293×10-6 m，遥测仪测量值与标准积分浓度值之间的拟合优度达0.999。经过不同遥测距离测试，结果表明遥测距离可达20 m，且系统具有不同遥测距离测量的一致性。通过甲烷泄漏气团实际环境模拟测试，结果表明设计与开发的该手持式激光甲烷气体遥测仪完全可用于实际燃气管道等场所甲烷气体泄漏的实时在线、非接触、远距离遥测，且满足测量要求。
非合作目标 激光气体遥测 甲烷 微控制单元 non-cooperative targets laser gas telemetry methane MCU STM32 STM32
红外与激光工程
2022, 51(12): 20220275
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
被动傅里叶变换红外(FTIR)扫描遥测成像系统采集的红外高光谱图像具有空间、 光谱等维度信息, 可被用于大气环境中有毒有害气体的识别、 定量及可视化。 该系统具有光谱分辨率高、 非接触式及远距离探测等优点, 然而其单帧图像的像元数量少且部分存在气体吸收或发射特征, 无法直接用于红外高光谱图像的目标检测。 提出了基于多帧背景的泄漏气体自适应匹配滤波(AMF)检测方法, 以短时间内、 同一区域的多帧红外高光谱图像为基础, 筛选出无目标气体特征的背景光谱并计算探测区域的背景最大似然估计, 应用于后续帧的目标气体泄漏检测。 红外高光谱图像来自于SF6气体的遥测实验, 共扫描四帧(120像元/帧), 去除前三帧内含有目标气体特征的像元光谱, 剩余背景光谱被用于计算背景的最大似然估计, 第四帧红外高光谱图像逐像元对SF6气体进行的AMF检测, 并与非线性最小二乘法反演的SF6柱浓度图像比对, 结果表明AMF检测高值与柱浓度高值有较强的相关性。 为验证多帧背景在不同空间检测方法下的性能, 分别对该帧数据进行了基于正交子空间的自适应子空间检测(ASD)、 基于混合空间的自适应余弦检测(ACE)及基于斜子空间的最大似然比检测(OGLRT), 并分别与SF6柱浓度图像比对, 结果表明多帧背景适用于不同空间的检测方法。 此外, 为验证存在目标气体吸收特征的非背景光谱对背景空间的影响, 向背景空间中加入多条含有SF6气体吸收特征的光谱, 通过ROC曲线检验, 结果表明背景空间中混入目标气体特征会降低AMF方法的检测性能。 AMF检测值的假彩色图像也能应用于被动FTIR扫描遥测成像系统, 相较于柱浓度假彩色图像, 泄漏源及扩散趋势更为明显。 基于红外高光谱图像的检测方法依赖于整体背景的统计特性, 相较于单像元光谱波段的反演算法, 极大地降低了背景的依赖性。 多帧背景下的AMF泄漏气体检测方法能很好地应用于被动FTIR扫描遥测成像系统上并满足在线监测要求。
傅里叶变换红外光谱技术 扫描遥测 气体泄漏 自适应检测 FTIR Scanning remote sensing Gas leakage Adaptive detection 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3307
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
拉曼光谱遥测技术主要用于在安全距离之下对一些危险品、违禁品、变质食品等进行现场快 速检测。早期拉曼光谱遥测技术大多采用可见光或近红外激光拉曼光谱技术，为了避免环境光影响， 常在实验室或夜间进行。近年来，因日盲紫外激光的拉曼光谱检测具有共振效应强、不受环境光干 扰、人眼相对安全等诸多特性逐渐开始被广泛应用。本文在分析自然环境下远程拉曼光谱遥测技术 基础原理上，归纳了国内外可见光或近红外激光拉曼光谱遥测技术和国内外紫外激光拉曼光谱遥测 技术的研究进展和现状，分析了远程紫外激光拉曼光谱应用在反恐、禁毒和食品安全等领域的优势， 最后总结了自然环境下拉曼光谱遥测技术的研究难点和发展趋势。
日盲紫外 拉曼光谱 遥测技术 自然环境 solar-blind ultraviolet, Raman spectroscopy, remot
