近海大尺度区域二氧化碳的激光在线探测技术
发布时间：2021-08-02 04:50
陆地或海洋与大气之间的能量和物质交换的定量研究,特别是二氧化碳（CO2）交换通量的监测,对研究全球碳循环以及气候变化具有重要意义。基于直接吸收光谱技术和导数吸收光谱技术,采用收发一体式光学系统,研制了开放式CO2在线探测样机,测量区域可达到km量级。利用Allan方差分析了系统检测限,当积分时间达到100 s时,检测限为0.08×10-6。使用不同浓度的标准气体,验证了二阶导数光谱用于浓度反演方法的可行性,得到相关性为0.998。样机在深圳市生态环境监测站连续运行1个月,探测结果具有明显的日变化周期性。与安装于附近不同点位的Licor7550-CO2监测仪进行数据对比,数据变化趋势吻合,且样机稳定性更优。
【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
一个月连续监测CO2数据
图1为开放光路CO2探测样机示意图。它由角反射镜、离轴抛物面镜、激光器、驱动温控电路、电子硬件控制电路板、DAQ采集模块、光纤与计算机等组成。驱动温控电路驱动激光器发射激光,激光经准直器准直后出射,被角反射镜反射回来,通过离轴抛物面镜聚焦到InGaAs光电探测器上完成光电转换,经I-V转换后的电压信号分成两路,一路与DAQ采集模块(16bits-ADC)连接,进行采集处理转换成数字光谱,通过光谱拟合算法,得到CO2气体分子的吸光度,再进行反演计算,得到CO2气体的分压,结合大气压数据,得到CO2浓度;另一路电压信号经过二阶微分处理得到导数光谱信号,由微控制器ADC(12bits-ADC)采集计算峰值,最后将消除光强的结果通过串口发送给上位机保存。3.1 吸收谱线选取
选取吸收光谱时,主要考虑两点:谱线的相互干扰及谱线强度。谱线相互干扰主要包括相邻谱线的干扰以及不同气体分子在同一位置的谱线干扰;谱线强度决定了系统的检测灵敏度,强度越高,系统灵敏度越高。根据HITRAN2012数据库,选取了CO2分子在1.57 μm附近的吸收带,模拟了温度T=296 K,压力P=1.01×105 Pa,光程L=700 m,CO2=400×10-6,H2O=2%的吸收强度,其结果如图2所示。可以看出,在6 356 cm-1波数附近(即1 573.3 nm),CO2的吸收较强,且水汽的干扰较弱,因此选用该波数用于探测。
【参考文献】：
期刊论文
[1]种子呼吸CO2浓度检测系统[J]. 贾良权,祁亨年,胡文军,赵光武,阚瑞峰. 光学精密工程. 2019(06)
[2]中国邻近边缘海碳通量研究现状与展望[J]. 刘茜,郭香会,尹志强,周宽波,Elliott Gareth ROBERTS,戴民汉. 中国科学:地球科学. 2018(11)
[3]激光吸收光谱技术在工业生产过程及安全预警标识性气体监测中的应用[J]. 张志荣,孙鹏帅,庞涛,李哲,夏滑,崔小娟,吴边,徐启铭,董凤忠. 光学精密工程. 2018(08)
[4]可调谐二极管激光吸收光谱技术测量低温流场水汽露点温度[J]. 聂伟,许振宇,阚瑞峰,阮俊,姚路,王斌,张步强,何亚柏. 光学精密工程. 2018(08)
[5]基于二阶导数谱与特征吸收窗的红外光谱定量检测方法[J]. 刘茜阳,高楠,杜振辉,李金义,陈超,张宗华. 光谱学与光谱分析. 2017(06)
[6]基于TDLAS的长光程环境大气痕量CO监测方法研究[J]. 姚路,刘文清,刘建国,阚瑞峰,许振宇,阮俊,戴云海. 中国激光. 2015(02)
[7]基于量子级联激光器的温室气体测量方法研究[J]. 魏敏,刘建国,阚瑞峰,王薇,姚路,许振宇,袁松,戴云海,贾良权. 光学学报. 2014(12)
[8]可调谐二极管激光吸收光谱氧气测量中的导数光谱处理与浓度反演算法研究[J]. 何俊峰,阚瑞峰,许振宇,段连飞,王小中. 光学学报. 2014(04)
[9]大尺度区域CO2和H2O的激光在线检测技术[J]. 何莹,张玉钧,王立明,尤坤,孙晓敏,刘振民. 中国激光. 2014(01)
[10]农田开放环境下CO2浓度的激光在线监测[J]. 何莹,张玉钧,刘建国,宋雪梅,王立明,朱安宁. 大气与环境光学学报. 2010(06)
本文编号：3316925
【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
一个月连续监测CO2数据
图1为开放光路CO2探测样机示意图。它由角反射镜、离轴抛物面镜、激光器、驱动温控电路、电子硬件控制电路板、DAQ采集模块、光纤与计算机等组成。驱动温控电路驱动激光器发射激光,激光经准直器准直后出射,被角反射镜反射回来,通过离轴抛物面镜聚焦到InGaAs光电探测器上完成光电转换,经I-V转换后的电压信号分成两路,一路与DAQ采集模块(16bits-ADC)连接,进行采集处理转换成数字光谱,通过光谱拟合算法,得到CO2气体分子的吸光度,再进行反演计算,得到CO2气体的分压,结合大气压数据,得到CO2浓度;另一路电压信号经过二阶微分处理得到导数光谱信号,由微控制器ADC(12bits-ADC)采集计算峰值,最后将消除光强的结果通过串口发送给上位机保存。3.1 吸收谱线选取
选取吸收光谱时,主要考虑两点:谱线的相互干扰及谱线强度。谱线相互干扰主要包括相邻谱线的干扰以及不同气体分子在同一位置的谱线干扰;谱线强度决定了系统的检测灵敏度,强度越高,系统灵敏度越高。根据HITRAN2012数据库,选取了CO2分子在1.57 μm附近的吸收带,模拟了温度T=296 K,压力P=1.01×105 Pa,光程L=700 m,CO2=400×10-6,H2O=2%的吸收强度,其结果如图2所示。可以看出,在6 356 cm-1波数附近(即1 573.3 nm),CO2的吸收较强,且水汽的干扰较弱,因此选用该波数用于探测。
【参考文献】：
期刊论文
[1]种子呼吸CO2浓度检测系统[J]. 贾良权,祁亨年,胡文军,赵光武,阚瑞峰. 光学精密工程. 2019(06)
[2]中国邻近边缘海碳通量研究现状与展望[J]. 刘茜,郭香会,尹志强,周宽波,Elliott Gareth ROBERTS,戴民汉. 中国科学:地球科学. 2018(11)
[3]激光吸收光谱技术在工业生产过程及安全预警标识性气体监测中的应用[J]. 张志荣,孙鹏帅,庞涛,李哲,夏滑,崔小娟,吴边,徐启铭,董凤忠. 光学精密工程. 2018(08)
[4]可调谐二极管激光吸收光谱技术测量低温流场水汽露点温度[J]. 聂伟,许振宇,阚瑞峰,阮俊,姚路,王斌,张步强,何亚柏. 光学精密工程. 2018(08)
[5]基于二阶导数谱与特征吸收窗的红外光谱定量检测方法[J]. 刘茜阳,高楠,杜振辉,李金义,陈超,张宗华. 光谱学与光谱分析. 2017(06)
[6]基于TDLAS的长光程环境大气痕量CO监测方法研究[J]. 姚路,刘文清,刘建国,阚瑞峰,许振宇,阮俊,戴云海. 中国激光. 2015(02)
[7]基于量子级联激光器的温室气体测量方法研究[J]. 魏敏,刘建国,阚瑞峰,王薇,姚路,许振宇,袁松,戴云海,贾良权. 光学学报. 2014(12)
[8]可调谐二极管激光吸收光谱氧气测量中的导数光谱处理与浓度反演算法研究[J]. 何俊峰,阚瑞峰,许振宇,段连飞,王小中. 光学学报. 2014(04)
[9]大尺度区域CO2和H2O的激光在线检测技术[J]. 何莹,张玉钧,王立明,尤坤,孙晓敏,刘振民. 中国激光. 2014(01)
[10]农田开放环境下CO2浓度的激光在线监测[J]. 何莹,张玉钧,刘建国,宋雪梅,王立明,朱安宁. 大气与环境光学学报. 2010(06)
本文编号：3316925
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