作者：田兴; 曹渊; 王静静; 陈家金; 刘锟; 谈图...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
摘要：H2O和CH4在气候变化过程中起着关键作用,实时在线测量H2O和CH4浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。利用1.653μm可调谐半导体激光器作光源,结合反射率为99.9976%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置,开展了H2O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21cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8626.3m。当谐振腔内压力为5.06kPa时,利用7组不同浓度的CH4标准气体(0.2~1.4μmol·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100s,最小可探测浓度极限为7.5nmol·mol^-1;系统对探测H2O的最佳平均时间为200s,最小可探测浓度极限为55μmol·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H2O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2.08μmol·mol^-1,H2O每天平均的浓度分别为11515.6和11628.6μmol·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H2O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H2O监测。
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