单激光源谐波遥感探测甲烷研究

提出了一种利用单一可调谐外腔二极管激光 (ECDL)及谐波探测技术对甲烷进行现场、实时遥感探测方案。通过理论推导计算出该方案在甲烷 2ν3 吸收带的R6支吸收线上理论最小可探测路径 积分浓度为 87× 10 -9。根据该方案建立了实验系统 ,实验结果验证了该方案的可行性并估算出实验最小可探测甲烷的路径 积分浓度为 4 2 0× 10 -9。     

天然气管道泄漏激光遥感探测系统的研制及标定方法

基于地形后向散射和谐波探测原理,设计并建立了一套天然气管道泄漏激光遥感探测系统,并基于此平台实现了探测距离在120 m,对体积分数为0.308%的模拟天然气泄漏源进行远距离遥感探测,并对空气中痕量甲烷气体进行了测量,系统的最小探测灵敏度约为3×10-5m;同时研究了不同散射体的反射效率tρot对实验的影响,提出并实验验证了新的积分浓度标定方法的可行性,其实验结果能够满足实际探测需要。     

高灵敏度II类超晶格长波红外探测系统研究

以Ⅱ类超晶格320×256长波红外探测器为核心部件,开发了一套高灵敏度长波红外探测系统.介绍了Ⅱ类超晶格红外探测器的技术指标及系统的主要结构和工作方式.为充分发挥该红外探测器的灵敏度,设计了高灵敏度信息获取系统,并介绍了该信息获取系统的软硬件设计.该信息获取系统采用了自适应信号调理技术,以降低信息获取噪声,提升探测系统的灵敏度和动态范围.最后对整套长波红外探测系统开展了信息获取噪声测试、系统性能测试及外场成像实验.实验结果表明:长波红外探测系统的信息获取噪声低至0. 065 m V,系统的噪声等效温差(NETD)达到19. 6 m K,黑体探测率为7. 72×10~(10),外场成像质量良好,图像细节清晰,对比度高.该长波红外探测系统有利于推动Ⅱ类超晶格红外探测器在高灵敏度长波红外遥感探测中的应用.     

基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统研制

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...     

基于分布反馈激光器双波长调制的微量气体测量方法北大核心CSCD

在光声光谱测量中,常用光学斩波器对光源输出信号进行频率调制,但光学斩波器的使用会不可避免地增加系统噪声及系统成本。基于分布反馈激光器的可调谐特性,提出激光器双波长调制方法。利用光声光谱实验平台,结合光学斩波器调制激光系统进行检测甲烷气体灵敏度的实验。结果表明,光学斩波器对甲烷气体的检测灵敏度为52.3×10-6,而双波长调制激光系统的检测灵敏度可达40.2×10-6,该调制方法避免了光学斩波器的使用,减小了系统噪声,提高了系统灵敏度。     

基于空芯带隙型光子晶体光纤的单端置入式同源甲烷检测仪

为了提高复杂环境中甲烷气体探测的适用性,选择空芯带隙型光子晶体光纤(单端镀全反膜)作为光学气室,实现了置入式同源甲烷浓度的探测。采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,结合长度为0.5 m的空芯带隙型光子晶体光纤,实现了甲烷气体的在线测量,系统的检测下限可达到1.92×10^-5,稳定性波动小于±2.18%。单端全反射设计配合同源探测方式使复杂环境中的甲烷浓度的置入式探测成为可能,为单光源分布式探测提供了研究基础。     

基于分段电极的电场探测系统灵敏度研究

针对分段电极结构的集成光学电场传感器,分析了电场探测系统的灵敏度,得到了影响灵敏度的各个参数,并做了优化,经过优化的这种电场探测系统的极限灵敏度可达到19.4 dBμV/m.模型分析所得该传感器的探测灵敏度为87.3 dBμV/m,与实验得到的90.0 dBμV/m基本一致.     

水气含量对基于QEPAS甲烷气体探测性能的影响

由于气体的湿度对分子振动弛豫有着较大的影响,利用石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)技术作为甲烷气体传感,在实际应用中,空气的水气浓度变化将会使光声测量气体浓度的信号强度发生变化。实验中采用鼓泡法结合湿度计来改变探测气体中的湿度,测量了常压下1.653μm波长处甲烷的二次谐波信号,系统地研究了探测气体中水气浓度的变化对石英音叉Q值、共振频率f0等参数的影响。实验结果表明,水气对基于QEPAS技术甲烷气体传感器的实际应用有着很大的影响,主要表现在甲烷分子振动弛豫和探测系统性能两个方面。当实际大气中绝对湿度为2.34%时,获得的系统最小可探测质量浓度为0.57mg/m3。     

基于离轴积分腔的海水溶解气体实时检测技术研究北大核心CSCD

海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体,采用离轴积分腔输出光谱技术(ICOS)对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海走航观测的精密光谱分析仪器,并进行了理论分析和实验验证,实验得到CH_(4)的浓度(体积比)探测范围为1.073×10^(−8)∼1×10^(−3),CO_(2)的浓度(体积比)探测范围为3.39×10^(−6)∼1×10^(−2),CH_(4)同位素丰度的测量精度为1.2‰,CO_(2)同位素丰度的测量精度为1.74‰。实验结果表明,系统具有良好的灵敏度和稳定性,可以实现深海连续走航观测。     

地面点源中波红外探测建模与验证研究

红外系统在大范围内对异常热源点目标的探测需要平衡像元分辨率与温度灵敏度之间的关系。在探测器规模一定时，现有星载红外载荷存在幅宽大时灵敏度不够、空间分辨率高时幅宽小的问题。针对上述问题，本文提出利用时间延时积分（time delay intergration,TDI）算法处理图像的大视场异常点热源探测初步方案，在一定条件下，达到探测所需的温度灵敏度要求时，能做到217 km×122 km的理论幅宽。同时搭建了一套高灵敏度红外成像实验系统，开展了测试与模拟探测实验，结果表明本方案在实现202 km×114 km幅宽情况下，灵敏度性能约37 m K，满足大范围异常点热源探测的要求。考虑到目标和背景的太阳光反射率等问题，实际应用时取200 m像元分辨率，对应幅宽128 km×102 km。     

甲烷检测中电压噪声的二次量化抑制及其实验研究

为了分析并抑制中红外甲烷检测中模数转换器(ADC)参考电压噪声对检测性能的影响,本文理论推导了待测浓度和电压波动的关系式,计算了电压波动对ADC实际分辨率的影响。一方面,为了降低噪声水平,设计了一种三级稳压电源,使参考电压的平均波动由原来的2mV降至0.6mV;另一方面,考虑到噪声无法避免,不同待测电压对应的数字量彼此交叠,致使无法精确测量各性能参数,本文提出了一种新型二次量化抑制方法,以有效消除电压噪声的不利影响。在不同的ADC参考电压噪声水平下,利用提出的二次量化抑制方法,实验测试了系统稳定性、精度、灵敏度和检测下限等性能。结果表明,当ADC参考电压的平均波动由2mV降至0.6mV时,测量精度可由12.9%降至5.0%以下,检测下限可由约26×10-6降至20×10-6。最小检测下限处的检测灵敏度可由约30×10-6降至20×10-6。这些证实,本文给出的基于二次量化思想的噪声抑制方法是可行的,并且该方法也可用于其它具有类似机理的气体检测。     

光纤CH_4气体传感器的实验研究

根据CH4气体近红外的光谱吸收特性,讨论并制作了一种易于实现的光纤CH4气体传感器。传感器基于Lambert-beer定律,采用1653nm的分布反馈式激光器(DFB-LD)光源,具有很高的测量精度。通过分析实验测得的CH4吸收曲线,得出系统的灵敏度为6.252×10-4μW/ppm,分辨率为64ppm,可探测最低浓度为100ppm。     

CH_4监测的反射式光纤传感方法研究

根据CH4的光谱吸收特性,研究了一种基于比尔-朗伯定律的光纤CH4气体传感方法。采用1665nm的分布反馈式激光器(DFB-LD)光源,设计了一种带有环形器的反射式气室结构,实现了传感器小型化。实验结果表明,该方法可探测的最小CH4浓度约为10ppm,系统灵敏度较高且稳定性好。     

A near-infrared methane detection system using a 1.654 µm wavelength-modulated diode laser

By adopting a distributed feedback laser (DFBL) centered at 1.654 µm, a near-infrared (NIR) methane (CH4) detection system based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is experimentally demonstrated. A laser temperature control as well as wavelength modulation module is developed to control the laser’s operation temperature. The laser’s temperature fluctuation can be limited within the range of ?0.02—0.02 °C, and the laser’s emitting wavelength varies linearly with the temperature and injection current. An open reflective gas sensing probe is realized to double the absorption optical path length from 0.2 m to 0.4 m. Within the detection range of 0—0.01, gas detection experiments were conducted to derive the relation between harmonic amplitude and gas concentration. Based on the Allan deviation at an integral time of 1 s, the limit of detection (LoD) is decided to be 2.952×10-5 with a path length of 0.4 m, indicating a minimum detectable column density of ~1.2×10-5 m. Compared with our previously reported NIR CH4 detection system, this system exhibits some improvement in both optical and electrical structures, including the analogue temperature controller with less software consumption, simple and reliable open reflective sensing probe.     

Sensitive properties of In-based compound semiconductor oxide to C12 gas

Aiming at detecting C12 gas, this study was made on how to make In-based compound semiconductor oxide gas sensor. The micro-property and sensitivity of In-based gas sensing material were analyzed and its gas sensitive mechanism was also discussed. Adopting constant temperature chemical coprecipitation, the compound oxides such as In-Nb, In-Cd and In-Mg were synthesized, respectively. The products were sintered at 600 ℃ and characterized by the Scanning Electron Microscope (SEM), showing the grain size almost about 50-60 nm. The test results show that the sensitivities of In-Nb, In-Cd and In-Mg materials under the concentration of 50 x 10-6 in C12 gas are above 100 times, 4 times and 10 times, respectively. The response time of In-Nb, In-Cd and In-Mg materials is about 30, 60 and 30 s, and the recovery time less than 2, 10 and 2 min, respectively. Among them, the In-Nb material was found to have a relatively high conductivity and ideal sensitivity to C12 gas, which showed rather good selectivity and stability, and could detect the minimum concentration of 0.5 x 10-6 with the sensitivity of 2.2, and the upper limit concentration of 500 ×10-6. The power loss of the device is around 220 mW under the heating voltage of 3 V.     

基于光纤激光器的有源腔气体吸收测量网络

有源内腔法气体吸收测量技术具有极高的灵敏度,通过对基于掺铒光纤激光器的有源气体测量系统的分析和静态测量结果表明,在激光器阈值附近系统的灵敏度最大。为了有效地抑制噪声,提高测量精度,在环行腔光纤激光器的基础上又提出了采用波长调制/二次谐波检测的测量方法,并采用1×N的波分复用(WDM)器件构建了有源传感网络。实验中采用了一个1×4的波分复用器,其通道对应于乙炔气体的吸收波长,系统的解调通过扫描可调谐光滤波器的波长来实现。通过对8.31mol/m3的乙炔气体的实验表明系统最小可探测气体浓度为0.044mol/m3。     

基于免校准波长调制的多光程吸收光谱

为了研究免校准波长调制光谱技术对激光光强变化及外界干扰的免疫能力, 采用基于免校准波长调制技术的多光程吸收光谱, 以乙炔为测量目标, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 不同激光功率下得到的波长调制二次谐波信号幅值发生明显变化, 但通过免校准的方法得到的信号变化较小, 且受气流影响、部分遮光、系统振动等外界干扰影响较小; 采用免校准方法实验得到的体积分数在5×10-6 ~9×10-5范围内的光谱信号拥有较好的线性度, 相关系数达0.9997;采用Allan方差分析得到该实验系统的最小探测极限可达1.2×10-8。免校准波长调制光谱技术能较好地避免光强抖动、气流干扰、系统振动等干扰, 从而提高系统稳定性和探测灵敏度。     

基于光离子化技术的气体检测系统设计与实现

针对航空领域大型作业场所需要连续检测低浓度气体浓度的任务,设计了一种基于光离子化技术的气体检测系统。该系统以FPGA为控制芯片,采用光离子化技术,实现连续检测低浓度气体浓度的功能,同时因其响应速度快,使用更加方便。该系统对1×10^-6~200×10^-6浓度的异丁烯和乙烯、丙烯和二甲醚气体进行测试,结果表明,基于光离子化技术的气体检测系统能够在3 s内检测低浓度气体的浓度,分辨率为2×10^-6,同时自身具备防护能力,能够适应电磁干扰、强冲击等恶劣环境。