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基于波长调制光谱技术的多组分气体遥测系统(特邀) 被引量:2
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作者 蒋源 郑睿健 +4 位作者 续新科 任隆样 赵刚 赵延霆 马维光 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期188-197,共10页
为实现对危化品气体泄漏的实时、远距离、非接触性监测,提高监测效率和精度,研制了一种多组分气体激光遥测系统。基于波长调制光谱技术,利用STM32芯片结合自主设计的驱动电路对激光器进行控制,采用不同的调制频率分别提取甲烷、氨气、... 为实现对危化品气体泄漏的实时、远距离、非接触性监测,提高监测效率和精度,研制了一种多组分气体激光遥测系统。基于波长调制光谱技术,利用STM32芯片结合自主设计的驱动电路对激光器进行控制,采用不同的调制频率分别提取甲烷、氨气、乙炔的二次谐波信号,实现混合气体的同步、实时、远距离遥测。采用光强调制幅度归一化的波长调制光谱技术使遥测结果免受回波激光对信号强度的影响。实验测量表明本系统对甲烷、氨气、乙炔的探测下限分别可以达到87 ppm·m、212 ppm·m、12 ppm·m,测量误差小于10%。测量不同距离下的遥测信号,遥测距离至少可达40 m。本系统为激光痕量气体检测研究与应用提供了一种多气体、实时、同步、高灵敏度、远距离、性能稳定的遥测解决方案,能够广泛应用于矿山灾害气体监测预警,危化品场站和运输管网等场合的气体泄漏监测预警。 展开更多
关键词 光谱 痕量气体检测 多组分气体 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制光谱技术 气体遥测
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基于波长调制光谱技术的二氧化碳浓度测量 被引量:7
2
作者 王雪梅 刘石 《大气与环境光学学报》 CAS CSCD 2017年第5期356-361,共6页
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 kH... 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CO_2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。 展开更多
关键词 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
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基于固定点波长调制光谱技术的气体浓度测量方法 被引量:4
3
作者 庄欠瑶 周宾 +3 位作者 王一红 赵荣 汪步斌 段拼搏 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第23期246-252,共7页
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... 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CH_(4)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。 展开更多
关键词 光谱 固定点波长调制光谱技术 波数漂移 参考光路 浓度测量
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基于VisuShrink小波阈值变换的甲烷检测降噪技术
4
作者 姜建国 胡钧凯 王秀芳 《化工自动化及仪表》 CAS 2024年第3期410-416,共7页
在利用可调谐半导体激光吸收光谱技术探测甲烷气体泄漏时,复杂的环境光干扰会降低浓度检测信号的信噪比使波形失真。为了抑制噪声,增强电信号与浓度值的线性相关度,提出一种以VisuShrink方法改善小波阈值函数的小波阈值去噪算法。该算... 在利用可调谐半导体激光吸收光谱技术探测甲烷气体泄漏时,复杂的环境光干扰会降低浓度检测信号的信噪比使波形失真。为了抑制噪声,增强电信号与浓度值的线性相关度,提出一种以VisuShrink方法改善小波阈值函数的小波阈值去噪算法。该算法针对小波阈值去噪算法的软硬度不能平衡信号,存在失真的问题,利用统计方法对阈值进行计算,弱化间断点阈值跳变影响。通过仿真计算对比未加噪声前的信号与滤波后的信号,提出算法的信噪比为28.405 30,优于四阶巴特沃斯滤波器。VisuShrink方法在SNR和NCC参数上性能远优于巴特沃斯滤波器,与软阈值函数相近,在MSE均方误差分析上远小于软阈值精度,与巴特沃斯相近,具有较好的平滑特性。实际搭建检测平台对多个浓度样本采样进行多次采样,采用VisuShrink方法设计的滤波器将系统误差精度从4.14%提升至2.472%,算法可有效用于甲烷检测系统提高光谱数据的平滑性和准确性。 展开更多
关键词 可调谐半导体激光吸收光谱 气体浓度测量 波长调制光谱技术 小波阈值去噪 甲烷泄漏
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基于波长调制的离轴积分腔输出光谱技术 被引量:8
5
作者 吴涛 徐冬 +2 位作者 何兴道 赖荣 程涛 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第8期382-391,共10页
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1.392μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87cm^(-1)的CH_4吸收谱线,对不同浓度的C... 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1.392μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87cm^(-1)的CH_4吸收谱线,对不同浓度的CH_4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203s。实验选取100s的测量时间,得出CH_4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CH_4气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。 展开更多
关键词 光谱 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
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基于近红外吸收光谱的西林瓶内氧气残留浓度反演研究 被引量:3
6
作者 申帅 贺建军 罗旗舞 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期311-317,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 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
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一种适于直升机平台的天然气管道泄漏监测技术 被引量:5
7
作者 潘明忠 亓洪兴 +3 位作者 李正文 杨俊 杨一德 舒嵘 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2010年第6期410-414,共5页
针对我国日益凸显的天然气管道泄漏监测的实际需求,提出了一种适于直升机平台的基于近红外波长调制吸收光谱的天然气管道泄漏监测技术,阐述了该技术的基本原理,论证了该技术对直升机平台的工程适用性,研制了一套室外试验研究平台,利用... 针对我国日益凸显的天然气管道泄漏监测的实际需求,提出了一种适于直升机平台的基于近红外波长调制吸收光谱的天然气管道泄漏监测技术,阐述了该技术的基本原理,论证了该技术对直升机平台的工程适用性,研制了一套室外试验研究平台,利用试验数据证明了该技术的工程可行性. 展开更多
关键词 天然气管道泄漏 机载监测 波长调制吸收光谱技术 谐波探测
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免标定波长调制吸收光谱技术用于乙炔探测的研究 被引量:8
8
作者 陈家金 王贵师 +2 位作者 刘锟 谈图 高晓明 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第9期362-367,共6页
利用近红外可调谐半导体激光器结合自主设计的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术实现了乙炔气体的痕量探测;实验中,使用中心波长为1.53μm的分布式反馈二极管激光器和有效光程为10.5m的柱面镜光学多通池,采用免标定波长... 利用近红外可调谐半导体激光器结合自主设计的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术实现了乙炔气体的痕量探测;实验中,使用中心波长为1.53μm的分布式反馈二极管激光器和有效光程为10.5m的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术对乙炔气体进行探测,并利用Allan方差对系统性能进行分析;对免标定波长调制吸收光谱技术与传统波长调制吸收光谱技术进行对比分析。结果表明:相比于传统的波长调制技术,免标定波长调制吸收光谱技术具有系统结构简单、灵敏度高以及浓度和光功率免标定等特点,可以提高系统的探测灵敏度和测量精度;使用免标定波长调制吸收光谱技术时,系统的测量误差小于5%,测量精度是传统波长调制技术的3.5倍,平均时间为1s时的系统探测灵敏度为0.127×10^(-6),平均时间为118s时的系统探测灵敏度可达0.031×10^(-6)。 展开更多
关键词 探测 可调谐激光 乙炔 免标定 波长调制吸收光谱技术
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基于波长调制技术对强水蒸气干扰下痕量氨气的测量研究 被引量:3
9
作者 王浩 周宾 +6 位作者 任红伟 肖睿 汪步斌 熊涌泉 王一红 康信文 程禾尧 《工程热物理学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期911-921,共11页
本文采用免标定波长调制光谱技术结合修正算法实现了电厂脱硝过程中高浓度水蒸气干扰下的痕量逃逸氨浓度测量。分析和讨论了背景对实验测量信号的影响,选择信背比较高的四次谐波用于NH_3浓度的反演,并进行了实验验证。对于烟气中高浓度... 本文采用免标定波长调制光谱技术结合修正算法实现了电厂脱硝过程中高浓度水蒸气干扰下的痕量逃逸氨浓度测量。分析和讨论了背景对实验测量信号的影响,选择信背比较高的四次谐波用于NH_3浓度的反演,并进行了实验验证。对于烟气中高浓度水蒸气的干扰,利用了H_2O强吸收峰位置标定绝对波数及NH_3吸收峰位置,此外本文提出的修正算法结合免标定波长调制算法可以同时实现H_2O和NH3浓度的准确反演,并通过实验验证了算法的正确性。最后将该修正方法应用于电厂逃逸氨浓度测量并获得了较为可靠的结果. 展开更多
关键词 免标定波长调制光谱技术 强水蒸气干扰 逃逸氨测量
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WMS温度测量中谐波信号锁相放大器的设计 被引量:1
10
作者 闫佳伟 张丕状 +1 位作者 倪沛东 石浩男 《测试技术学报》 2023年第3期214-220,共7页
在波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)温度测量中,传统的锁相放大器测量谐波信号的振幅必须对被测信号及参考信号的相位单独进行调整。针对这一问题,设计了一种基于高精度平衡调制器AD630进行同步相敏检测的谐... 在波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)温度测量中,传统的锁相放大器测量谐波信号的振幅必须对被测信号及参考信号的相位单独进行调整。针对这一问题,设计了一种基于高精度平衡调制器AD630进行同步相敏检测的谐波信号的双锁相放大器。与传统的锁相放大器相比,所提双锁相放大器利用正交双通道的平方和检测,可以避免被测信号与参考信号进行严格的相位匹配问题。利用Multisim软件构建仿真模型,包括前置高通滤波器、正交双通道的相敏检波器、低通滤波器等部分。理论计算和仿真结果表明,所提方法能够准确检测微弱一次、二次、四次谐波信号的幅度,检测误差小于5%,具有电路简单、运行速度快、线性度高等优点,能够满足WMS温度测量工程应用。 展开更多
关键词 波长调制光谱技术(WMS) AD630 锁相放大 相敏检测
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基于波长调制技术的温度实时测量方法研究 被引量:10
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作者 孙鹏帅 张志荣 +6 位作者 夏滑 庞涛 吴边 崔小娟 沈凤娇 王煜 董凤忠 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第2期326-333,共8页
可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)以其响应速度快、灵敏度高、非接触等优点已被广泛应用于气体浓度、温度的原位在线测量。基于波长调制吸收光谱技术,理论分析和推导了二次谐波温度反演公式。并采用分时锯齿波扫描形式使两个激光器... 可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)以其响应速度快、灵敏度高、非接触等优点已被广泛应用于气体浓度、温度的原位在线测量。基于波长调制吸收光谱技术,理论分析和推导了二次谐波温度反演公式。并采用分时锯齿波扫描形式使两个激光器分别产生覆盖中心波长为760.21 nm和760.88 nm的两条氧气吸收谱线的激光,经2×1光纤耦合器耦合为一束光束,通过测量管式炉内同一区域的二次谐波信号来反演有氧环境中的平均温度值。为了修正谱线线型和光强对实验所得的二次谐波信号峰值比值的影响,采用室温下标定温度反演公式中所需参数的方法,有效地简化了实验过程,提高了测量精度。温度在300 K^900 K范围内变化的测量结果与管式炉的平均温度值具有较高的一致性,误差在±20 K以内。 展开更多
关键词 光谱 温度测量 波长调制吸收光谱技术 分时锯齿 二次谐波信号
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红外气体传感教研系统的信息度量方法 被引量:2
12
作者 郑传涛 马琰铭 +2 位作者 刘大勇 刘洋 宋芳 《吉林大学学报(信息科学版)》 CAS 2022年第5期773-780,共8页
为有效评估红外气体传感系统的信息传递特性,同时服务于“信息论”课程中对信息熵等基本概念的教学需求,促进教学与科研的充分融合,将红外气体传感系统视为信道,实际浓度视为输入信源,测量浓度视为输出信源,建立了红外气体传感系统的信... 为有效评估红外气体传感系统的信息传递特性,同时服务于“信息论”课程中对信息熵等基本概念的教学需求,促进教学与科研的充分融合,将红外气体传感系统视为信道,实际浓度视为输入信源,测量浓度视为输出信源,建立了红外气体传感系统的信息论模型,给出了红外气体传感信息传递效率的分析方法。首先,针对波长调制光谱技术,开展了激光调制、气体吸收、光电转换、谐波提取等环节的功能仿真。根据香农信息论的相关原理,给出了转移矩阵、信源熵和互信息等数学表达式,分析了传感系统的信息传递效率、最小可分辨浓度间隔等特性。利用传感器长时间稳定性的实际测量结果,研究了传感系统的信息传递效率、最小可分辨浓度间隔随系统积分时间的变化特性。该传感信息度量方法,既融合了信息论的基本知识,又拓展了基于波长调制光谱技术的红外气体传感系统的科研应用案例。实际应用表明,红外气体传感系统信息度量方法满足信息论的实验教学需求以及波长调制光谱技术的科研需要,取得了较好的教学与科研应用效果。 展开更多
关键词 教研系统 信息论 噪声熵 波长调制光谱技术 可调谐二极管激光吸收光谱
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The intensity calculation of the gas absorption line by multi-line Voigt fitting
13
作者 周孟然 李振璧 +1 位作者 钟鸣宇 何刚 《Journal of Coal Science & Engineering(China)》 2008年第4期534-537,共4页
Adopted the distribution feedback type (DFB) laser to measure the coal mine gas methane, according to the methane located 1.6 μm nearby 2v3 with a R9 direct absorption spectrum, attraction wire intensity of each li... Adopted the distribution feedback type (DFB) laser to measure the coal mine gas methane, according to the methane located 1.6 μm nearby 2v3 with a R9 direct absorption spectrum, attraction wire intensity of each line was calculated through the multi-line Voigt fitting. The experimental result indicates that in the obtained four attraction recover of wire, the maximum deviation is 2.7%, and the minimum deviation is 0.02%, other results are all in experimental error scope. This research method may apply in the spectrum survey methane gas density, it has characteristics including high precision, strong selectivity, fast response and so on. 展开更多
关键词 coal mine gas absorption line intensity multi-line Voigt fitting spectrum survey
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二次谐波信号降噪方法的研究
14
作者 赵安生 杨絮 +1 位作者 张贺 张志龙 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2023年第7期367-373,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 光谱 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
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基于2.73μm分布反馈式激光器同时在线测量呼出气体中的CO_2和水汽 被引量:4
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作者 吴涛 张怀林 +3 位作者 孔维平 何兴道 陈忠平 陈卫东 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第12期402-409,共8页
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2.73μm分布反馈式激光器的呼出气体检测装置,选取3659.402cm-1和3659.934cm-1处的谱线,利用波长调制光谱技术分别对人体呼出气... 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2.73μm分布反馈式激光器的呼出气体检测装置,选取3659.402cm-1和3659.934cm-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0.92s时,探测灵敏度分别为4.33×10-3和1.37×10-4;在采集时间为56.8s时,CO2的探测精度为0.12%,在最佳积分时间为17min时,CO2的探测极限可达到1.49×10-4。 展开更多
关键词 光谱 呼出气体分析 波长调制光谱技术 激光吸收光谱 CO2 水汽
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