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科学岛团队在激光吸收光谱气体测量谱线解析方面取得新进展

1132    2022-11-18    发布者:中国测试杂志社    来源:中国科学院合肥物质科学研究院

近日,中科院合肥研究院安光所张志荣研究员团队在激光吸收光谱技术(TDLAS)气体检测谱线混叠干扰与分离研究方面取得新进展,相关研究成果分别以《CO and CH4混叠吸收光谱解调方法研究》和《基于激光吸收光谱技术的多组分气体测量混叠光谱解调方法研究》为题发表在国际知名期刊Sensors and Actuators B: Chemical和Optics Express上。博士生赵晓虎、王前进分别为文章的第一作者。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是最常用的气体检测方法,具有结构简单、响应速度快、操作容易等优点,已经被广泛应用于环境监测、医学诊断、工业过程监测等领域。但是,工业、煤矿、油气等特殊场景中,不仅包含非常复杂的气体组分,而且气体组分含量差别巨大,以至于激光吸收光谱技术检测时会遭遇气体谱线之间的混叠,产生交叉干扰的“共性”技术瓶颈,为TDLAS技术的应用增加了难度,限制了该技术在某些行业的应用发展。

张志荣团队孙鹏帅副研究员、赵晓虎、王前进两位博士研究生,对煤矿中甲烷(CH4)和微量一氧化碳(CO)气体进行分析,分别利用偏最小二乘和非负最小二乘方法,解决了含量为百分量级的CH4和百万分量级的CO气体的混叠光谱干扰的解调问题。从吸收光谱机理上提出了“光谱分离度”的概念,并进行了详实的仿真模拟和复杂的实验验证。经过实验分析,两种方法均表现出了良好的解调效果,能够在两种气体浓度相差3-4个数量级(光谱特征严重混叠干扰)的特殊情况下仍然能够准确解调其中的微量气体成分,极大的提高了系统的选择性和可靠性。因此,该方法能够在不增加压力控制等硬件设备的基础之上,利用软件算法解调混叠光谱,为利用单支DFB激光器完成两种或多种混合气体浓度的准确测量提供了方向,拓宽了激光吸收光谱气体传感系统的环境适用性和应用前景。

该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、中科院合肥研究院“火花”基金、中科蚌埠技术转移中心重点专项等项目支持。 

论文1链接:https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-24-43464&id=520199 

DOI:10.1364/OE.474833

论文2链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400522009340?via%3Dihub

DOI:10.1016/j.snb.2022.132292

CO和CH4分别测量和混合气测量的二次谐波信号情况

不同浓度的CH4气体对CO测量结果的影响处理



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