可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜技術(shù)作為一種先進(jìn)的光譜檢測手段,已廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域組分濃度、溫度、壓力等參數(shù)的高精度探測。技術(shù)分為直接吸收光譜技術(shù)和波長調(diào)制光譜技術(shù),通過選取不同的目標(biāo)函數(shù),驗(yàn)證擬合算法在吸收光譜技術(shù)中的可行性,兩種技術(shù)均可通過構(gòu)建合適的目標(biāo)函數(shù)結(jié)合擬合算法實(shí)現(xiàn)吸收信息的精確反演,依據(jù)物理過程建立吸收模型,分別將直接吸收技術(shù)的光強(qiáng)、吸光度及透過率和波長調(diào)制光譜技術(shù)的光強(qiáng)及諧波信號(hào)作為擬合對(duì)象,實(shí)現(xiàn)了擬合參數(shù)的精確計(jì)算,從理論上驗(yàn)證了處理方法的準(zhǔn)確性,擴(kuò)展了擬合算法在檢測儀器開發(fā)方面的應(yīng)用,為各領(lǐng)域的發(fā)展提供了技術(shù)保障。 

【文章來源】：遙測遙控. 2020,41(05)

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

TDLAS技術(shù)原理Fig.1ThediagramofTDLAStechnology()T（1）

1exp{()(())}cos()dπkHPLSTtk（7）其中，t，處理吸收信號(hào)用到的L-M擬合利用測量值與模擬值對(duì)應(yīng)點(diǎn)的差值平方和作為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)該值確定收斂條件，配合設(shè)定初值及計(jì)算的迭代方向和步長，以得到最優(yōu)擬合參數(shù)，待擬合參數(shù)為積分吸光度A、吸收中心0、高斯展寬D以及壓力展寬C。根據(jù)相關(guān)理論，直接吸收和波長調(diào)制均可通過擬合獲得某條吸收線的積分吸光度，用于反演測量環(huán)境參數(shù)。2模型建立及吸收信息傳遞TDLAS技術(shù)目標(biāo)分子吸收信息的傳遞過程，如圖2所示。根據(jù)分子吸收物理過程，模擬吸收信息首先反映到吸光度，再通過透過率反映到光強(qiáng)信號(hào)；對(duì)于波長調(diào)制技術(shù)，再將吸收信息轉(zhuǎn)移到高頻諧波信號(hào)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，光強(qiáng)的噪聲水平估計(jì)設(shè)為千分之五，以貼近實(shí)際吸收。由于高斯展寬707.163210DTM，其中，0表示吸收中心，T表示溫度，M表示分子摩爾質(zhì)量，對(duì)于選定的目標(biāo)分子，同一溫度下，掃描范圍跨度不大的情況可認(rèn)為高斯展寬為常數(shù)，擬合時(shí)不作為擬合參數(shù)，通過改變積分吸光度、吸收中心及壓力展寬，使擬合目標(biāo)函數(shù)無限接近模擬結(jié)果，使其收斂，得到擬合變量，用于流場參數(shù)反演。3擬合驗(yàn)證3.1直接吸收吸收模型選擇H2O作為目標(biāo)分子，選取HITRAN數(shù)據(jù)庫[9]中兩條常溫常壓環(huán)境較強(qiáng)的吸收線，譜線參數(shù)如表1所示。表1所選吸收譜線參數(shù)Table1Theparametersoftheselectedabsorptionline吸收中心（cm–1）線強(qiáng)（cm–2·atm–1）空氣展寬系數(shù)（cm–1/atm）自展寬系數(shù)（cm–1/atm）低態(tài)能級(jí)（cm–1）溫度依賴

態(tài)能級(jí)（cm–1）溫度依賴系數(shù)（forair0）壓力頻移系數(shù)（cm–1/atm）7183.0161.02E–020.1010.492134.90160.69–0.01117185.5971.97E–020.04210.1951045.0580.62–0.01346激光器掃描頻率為1kHz，掃描范圍為7182cm1~7187cm1，采樣率為10M/s，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，激光器噪聲水平設(shè)為掃描平均強(qiáng)度的1%，預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)分別為：壓強(qiáng)P=1atm，組分濃度3%，有效光程L=100cm，溫度T=296K，激光器出光強(qiáng)度和頻率隨時(shí)間的變化如圖3所示。在單個(gè)掃描周期內(nèi)，根據(jù)時(shí)序出光強(qiáng)度變大而頻率減小，重復(fù)掃描吸收譜線獲得完整吸收，根據(jù)所選掃描范圍，包含兩條水汽吸收譜線，當(dāng)以吸收后的光強(qiáng)直接作為擬合對(duì)象時(shí)，擬合結(jié)果如圖4所示，絕對(duì)殘差數(shù)量級(jí)為1016，滿足設(shè)置的收斂條件。直接吸收技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，難以實(shí)時(shí)獲取無吸收光強(qiáng)，以光強(qiáng)為目標(biāo)的擬合依賴于精確的光強(qiáng)-時(shí)間響應(yīng)。對(duì)吸收光強(qiáng)信號(hào)根據(jù)公式（1）處理得到吸光度，以吸光度為目標(biāo)函數(shù)擬合，其結(jié)果如圖5圖2吸收信息傳遞過程Fig.2Theschematicdiagramofabsorptioninformationtransmissionprocess圖3光強(qiáng)及頻率的時(shí)間響應(yīng)Fig.3Thetimeresponseoflightintensityandfrequency

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]二極管激光腔衰蕩光譜技術(shù)測量大氣NO2[J]. 胡仁志,王丹,謝品華,陳浩,凌六一.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2016(02)
[2]基于TDLAS的長光程環(huán)境大氣痕量CO監(jiān)測方法研究[J]. 姚路,劉文清,劉建國,闞瑞峰,許振宇,阮俊,戴云海.  中國激光. 2015(02)
[3]基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜的大氣水汽檢測方法研究[J]. 許振宇,劉文清,闞瑞峰,張玉鈞,張帥,束小文,何瑩,張亮,湯媛媛.  大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào). 2011(02)



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