基于离轴腔增强吸收光谱双组分CH4/H2O高灵敏度探测研究

• 作者: 刘锟 曹渊 王贵师 王静静 田兴 谈图 陈家金 高晓明
• 来源期刊: 光谱学与光谱分析
• 学科: 物理学
• 关键词: 离轴腔增强吸收光谱 高灵敏度 最小可探测浓度极限 Kalman滤波
• 年，卷（期）: 2019,（10）
• 页码范围: 3078-3083
• 页数: 6页
• 分类号: O433
• 字数: 2226字
• 语种: 中文
• DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2019)10-3078-06

摘要

H2 O和CH4 在气候变化过程中起着关键作用,实时在线测量 H2 O和CH4 浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一.利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源,结合反射率为99.997 6% 的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置,开展了H2 O和CH4 的高灵敏度测量研究.离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定,吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证,确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程.结果表明,基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m .当谐振腔内压力为5. 06 kPa时,利用7组不同浓度的CH4 标准气体(0. 2～1.4 μmol·mol－1 )对系统进行了线性响应标定测试,得到了CH4 吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线.系统的稳定性、可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析,结果表明系统对探测CH4 的最佳平均时间为100 s ,最小可探测浓度极限为7. 5 nmol·mol－1 ;系统对探测H2 O的最佳平均时间为200 s ,最小可探测浓度极限为55 μmol·mol－1 .对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究,结果表明相比于多次平均方法,Kalman滤波能显著的提高测量精度,而且缩短了系统的响应时间.最后,利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH4 和 H2 O浓度进行了连续两天的测量, CH4 每天平均的浓度分别为2.1和2. 08 μmol·mol－1 ,H2 O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol－1 ,由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH4 和 H2 O的测量,另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH4 和 H2 O监测.