基于线阵CCD的光谱信号高速数据采集系统设计

为了满足环境污染检测等工业实际应用的需要,便于系统的集成、降低成本,设计了一个基于FPGA和USB 2.0的线阵CCD光谱信号高速数据采集系统.以FPGA芯片EP2C20Q240作为采集系统的控制核心,USB 2.0芯片CY7C68013A作为数据传输通道与上位机实现通信,通过计算机软件进行光谱采集,并能实时控制CCD的积分时间和采集光谱的平均次数.实验表明:该系统高效、稳定,1 s采集250帧谱图,可广泛应用于CCD光谱的实时快速精确测量.     

3.66μm激光外差光谱仪设计与水汽柱浓度反演

激光外差光谱测量技术具有光谱分辨率高、探测灵敏度高、成本低等特点,近年来在温室气体探测、激光大气传输等领域得到了广泛的应用。以3.66 μm 分布反馈式带间级联激光器作为本振光源搭建了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,实现了水汽吸收光谱的实时测量,并利用最优估算法对整层大气中的水汽柱浓度进行了反演,得到合肥地区2019年5月22日和23日的水汽柱浓度。反演结果与同步进行观测的傅里叶变换光谱仪EM27/SUN测量结果变化趋势一致,相关性优于0.8,偏差小于15%。研究结果表明,搭建的激光外差测量装置能够实现大气中水汽吸收光谱的实时测量以及水汽柱浓度的精确反演,同时为后续的水汽浓度廓线测量与研究奠定了基础。     

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。     

基于线阵CCD的微型光谱仪的研制

为了满足环境污染检测等工业实际应用的需要,便于系统的集成、降低成本,研制了基于CCD芯片的微型光谱仪,重点介绍了仪器的光学和电子学设计。光学系统采用了非对称交叉式Czerny-Turner分光结构,使用线阵CCD为光探测元件;电子学设计部分结合单片机智能化控制的特点和复杂可编程逻辑器件时序准确、可编程的优点实现了高效、灵活的光谱数据采集。 CCD光谱仪的性能测试表明,该光谱仪光谱覆盖范围为350 nm - 780 nm,光谱分辨率达到了0.6 nm,信噪比近500。     

基于SOPC的CCD光谱数据采集系统设计

在数据采集系统中,往往采用单片机或者DSP进行控制,而在高精度线阵CCD的应用中,对像元输出信号进行快速采样、存储是很重要的一部分内容。针对这些问题,提出了基于SOPC的光谱数据采集系统的设计方案。该系统建立在Altera公司CycloneⅢ系列FPGA(EP3C10E144C8N)上,实现了CCD驱动电路和A/D采样控制电路,并选用USB接口芯片CY7C68013来共同完成数据的高速传输。实验结果表明,该系统集成度高、性价比高且能在短时间内实现,使用的新技术给光谱仪器设计领域带来新的亮点。     

用于CH_4碳同位素测量装置中温压系统的设计

为提高利用腔增强吸收光谱技术测量稳定同位素丰度的测量精度和稳定度,针对一套用于CH_4碳同位素测量装置进行了温压控制系统的设计,温压控制系统采用数据采集与集成处理等策略,实现了测量装置中温度与压强的稳定,通过实验与对比,系统温度控制30℃时,波动在0.02℃范围内,压强控制在7 k Pa下,波动在2 Pa以内,未加装温压控制系统条件下同位素丰度测量结果的标准偏差为31.406 6‰,温压控制条件下,其标准偏差仅为1.057 3‰,控制系统能有效提高其测量装置的精确度与稳定度,研究结果可为此类及同类测量装置提供借鉴参考。     

分子谱线参数测量新方法

介绍了一种利用F-P腔透射峰宽度测量分子谱线参数的新方法,论文从多光束干涉叠加原理出发,推导出有样品气体吸收的F-P腔的透过率函数,F-P腔的透过率是样品气体吸收线型的函数,随着样品吸收的增加,F-P腔透射条纹宽度增加.实验测量得到的谱线强度与HITRAN2004数据库数据、谱线宽度与理论计算结果很好地一致.     

基于数字频率锁定技术实时探测实际大气中甲烷浓度

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对气体进行长时间实时监测时,激光器波长的漂移会给测量精度造成较大的影响。为了消除这种影响,利用Lab-VIEW设计的数字比例积分微分(PID)算法和软件数字锁相,将激光频率锁定在待测气体的吸收峰上。采用1.653μm的分布式反馈(DFB)半导体激光器作为光源,结合100 m离散型Herriot吸收池,选择空气中的甲烷作为研究对象,对系统性能进行了测试和分析。结果表明,该系统可以将激光器稳定在±0.001 cm-1范围内,对激光器的漂移起到了很好的抑制作用。系统使用二次谐波测量时1 s积分时间内检测限约为1.8×10-8体积分数,可以满足环境空气中甲烷的长时间监测。该方法可以直接应用于其他痕量气体探测、燃烧诊断等领域。     

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。