摘要：可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种非侵入式光谱检测技术,具有高选择性、高响应性和高分辨率等特点。根据分子光谱吸收原理,被检测气体所处环境温度的改变会引起分子吸收谱线强度的变化,进而影响气体浓度反演的准确性。为提高气体在高温背景下浓度测量的准确性和真实性,选取工业过程常见的一氧化碳(CO)为目标气体,设计了基于波长调制技术多温度梯度(室温14~1100℃)的气体吸收光谱检测实验,与HITRAN数据库中光谱参数进行对比,并对结果进行校正和分析。同时,以探测信号有效扫描区域的线性度、标准差和残差平方和等参数为依据,分析了不同材质的窗片对高温实验的影响,通过升降温实验数据的分析,选择了降温梯度测量作为高温实验的最佳控温顺序。经过对标准浓度的CO进行高温实验,发现随着温度的升高,二次谐波(2f)幅值和吸收线强有相一致的下降趋势,符合理论公式的变化规律。经过分析校正后的2f幅值和温度呈现非相关性,实现了热背景下光谱检测的校正,验证了变温时2f幅值校正的准确性。该研究为光谱检测技术在高温背景下实际应用提供了一定的参考,尤其是对高精度工业炉内气体燃烧效率的动态评估具有极其重要的意义。

摘要：针对卫星上相机对高信噪比、抗辐照等特殊要求,提出一种基于长光辰芯公司的科学级CMOS探测器HR400的多光谱相机成像电子学系统设计,采用FPGA加SRAM缓存的系统架构,重点讨论了CMOS探测器的驱动设计和图像采集技术。首先,针对滤光片轮式多光谱相机曝光时间变化会导致成像偏振方位角差异的问题,提出一种能够根据曝光时间动态调整的延时成像方法,将通道通光中心作为成像的采集中心,保证不同曝光时间下采集的图像中心位置一致且处于最佳采样位置;然后,针对该延时成像方法的成像中心位置误差进行分析;最后,对相机成像性能和不同曝光时间的偏振方位角进行测试验证。测试结果表明:成像系统的时域暗噪声为71.6(等效电子数),当系统光强为饱和光强的80%时,信噪比为588.1,满足载荷成像要求;延时成像方法对由曝光时间导致的偏振方位角差异有明显改善。

摘要：针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH_(4)、CO和C_(2)H_(2)三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm^(-1)。系统对CH_(4)、CO和C_(2)H_(2)三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5 000×10^(-6)和0~1 000×10^(-6),其最小体积浓度检测限分别为2.27×10^(-4)、0.21×10^(-6)、1.68×10^(-6),且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明:该方法能够满足工业现场实际应用的需求,有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。

摘要：大气校正仪搭载于环境减灾二号A/B卫星,采用同时偏振探测技术,通过穿轨扫描的方式同步获取与16 m相机相同观测区域内的光谱、偏振信息,通过数据融合反演气溶胶光学厚度、水汽柱浓度等大气参数,进而实现16 m相机图像的高精度大气校正。文章介绍了大气校正仪探测原理及系统构成、性能测试及定标结果,并展示了在轨应用结果。测试结果表明:环境减灾二号A/B卫星大气校正仪信噪比分别优于57.2 dB和57.5 dB,辐射定标不确定分别优于4.32%和4.37%,经大气校正后的16 m相机图像质量提升明显,满足仪器设计指标要求。

摘要：对于恒星光斑成像,传统的梯度评价算法在重度离焦情况下梯度细节薄弱,难以识别正确的调焦方向。为了实现跟星系统对恒星的快速成像和可靠跟踪,建立了针对恒星成像特征进行评价的自动调焦系统,对系统的聚焦评价算法、自动调焦结构以及自动控制系统进行研究。通过跟星系统成像的灰度分布情况分析光斑图像梯度特征在正焦和离焦时的区别。根据恒星光斑成像灰度级差异变化的特点,将背景值纳入评价贡献,在传统的梯度评价函数中加入光斑信号灰度差异贡献。设计适用改进算法的调焦硬件结构和系统结构,利用步进电机和调焦底座组成调焦组件,通过计算控制单元驱动调焦组件实现自动调焦系统。利用搭载调焦系统的跟星装置进行实验和分析。实验结果表明:自动调焦装置能够在跟星系统中稳定地进行调焦工作,且改进算法相对于传统梯度算法有着更好的调焦方向性,在保持传统梯度算法67%灵敏度的同时,将局部极值点减小为0。改进算法不受梯度细节薄弱影响,能够在不同离焦程度下保持较好的调焦方向性和正焦灵敏性,跟星系统在搭载自动调焦装置后能够快速搜索合适焦距并进行大气光学特性测量。

摘要：二氧化碳(Carbon dioxide,CO_(2))是大气中最主要的温室气体,具有大气本底浓度高而年变化量小的特点。因此,对其浓度进行高精度的监测是实现“双碳”目标的重要环节。本文基于连续波光腔衰荡光谱技术,搭建了一套探测灵敏度低至ppb的CO_(2)气体传感装置。系统中选取了中心波长为6251.760 cm-1的CO_(2)吸收线、设计了超高精细度(>300000)的石英玻璃型法布里-珀罗谐振腔和高性能的温度、压力控制模块。腔内气体的温度和压力在24 h的变化量分别小于0.07℃和15 Pa。Allan方差的结果显示,系统在303 s的最佳积分时间下,可获得0.7×10-12 cm-1的检测限,对应的CO_(2)最低可检测浓度为1.6 ppb。在较大的CO_(2)浓度范围内,系统响应的线性相关系数为0.99994。最后,系统以10 s的响应时间,对大气中的CO_(2)浓度进行了2天的连续观测,其结果与商用仪器(Picarro,G2401)的监测数据高度一致,排除人体呼气干扰后的相对偏差优于6‰。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度极高的特点,在痕量气体监测领域将具有广阔的应用前景。

摘要：基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。与其他光谱气体检测方法相比,光声气体检测技术主要具有结构简单、探测器不受波长限制、零背景噪声、成本低等优点。它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。作为光声光谱气体检测系统的核心部件,光声池的性能将直接影响系统的检测结果。因此,光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。当前,针对光声池的优化主要是基于系统静态条件,关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响,因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化,改善光声池腔内气体流场分布、动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。为此,以传统的圆柱形光声池为基础,基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型,计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律,结果表明,减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、辅助孔数量、辅助孔半径、辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参数为因素,以谐振腔轴线中点处动压值和气体浓度调节时间为考察指标,采用数值模拟和正交试验设计与熵权法相结合的方法,获得了光声池的相关参数对动压值影响的主次影响顺序为:辅助孔半径>辅助孔数>进气速度>过渡圆角>辅助孔中心圆半径;对调节时间影响的主次顺序依次为:进气速度>辅助孔半径>辅助孔数=辅助孔中心圆半径>过渡圆角,为平衡指标的影响,将多目标参数优化问题转化成单目标优化问题,客观地给出动压值和调节时间的权重分别为0.49、 0.51。在研究参数范围内,获得了其最佳参数组合为:缓冲腔与谐振腔过渡处圆角为3.0 mm、辅助孔数量为8个、辅助孔半径为3.5 mm、辅助孔中心圆半径为22.5 mm、进气速度为0.06 m·s-1,优化后的光声池谐振腔轴线中点处动压值为9.4×10^(-4)Pa,腔内气体浓度调节时间为141 s,相较于优化前的指标,动压值相对降低了88.1%,调节时间相对降低了17.5%,两项指标均得到优化提升,优化效果较为理想。研究方法与结论可为光声池的优化设计和拓展研究提供重要参考。

摘要：激光在大气传输过程中其相干特性受湍流影响而下降,进一步影响相干探测过程的效率和性能.本文定义大气相干时间描述激光经大气传输后接收光场的起伏速度,大气相干时间与相干过程持续时间的相对大小决定了相干探测过程的性能.本文基于多层动态相位屏技术仿真激光大气传输过程,并系统研究大气参数、收发参数、波长等对大气相干时间的影响规律.研究指出大气相干时间与波长、接收口径、大气相干长度呈正相关,与风速呈反比;通过改进光学设计、光束整形、激光选频等方法能够有效减少湍流扰动的影响,提高接收光场的稳定性,进而改善湍流对相干探测过程的不良影响.大气相干时间是衡量湍流对相干探测影响的重要参数,本研究可为评估大气对相干探测过程的影响提供有力参考.

摘要：光声池是发生“光-热-声”耦合的场所,光声池性能的优劣直接影响检测系统的精度与灵敏度。为了提高光声池的性能,在传统圆柱形光声池的基础上,提出了一种两级缓冲式光声池。利用COMSOL软件中热粘性声学物理场接口仿真分析了缓冲隔板高度及缓冲隔板数量对光声池内声场的影响规律。结果表明,光声池的共振频率随缓冲隔板数量和高度的增大而减小。当缓冲隔板的数量固定,缓冲隔板高度H大于11 mm时,光声池的共振频率随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。在光声池共振频率要求范围内,共振频率的减小有利于光声信号幅值的提高;当缓冲隔板的高度固定时,光声池的声压随缓冲隔板数量的增加而减小;当缓冲隔板高度在0~11 mm之间时,声压值保持相对稳定;当缓冲隔板高度大于11 mm时,声压值随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。流场方面,通过在缓冲腔内设置缓冲隔板可减小左侧缓冲腔内的速度梯度。一级缓冲方式虽可一定程度减小速度梯度,但在缓冲隔板处出现速度波动,而两级缓冲方式不仅减小了光声池内的速度梯度,而且使气体流速更加平稳。考虑到光声信号幅值、声压及光声池内速度梯度等指标,选用缓冲隔板高度为11 mm,缓冲隔板数量为2。基于所给最优参数的两级缓冲式光声池,仿真及实验结果表明:所设计的两级缓冲式光声池和同尺寸的圆柱形光声池相比,声压由3.34×10^(-5)降低为3.32×10^(-5),本底噪声由(2.83±0.11)μV降低为(1.26±0.03)μV,共振频率由1344 Hz降低为1299 Hz。虽声压减小了1.2%,但声噪比提高了2.22倍,且共振频率在满足要求的范围内降低了3.3%,使光声信号幅值得到一定程度提升。整体来说,两级缓冲式光声池稳定了气体流动噪声,减小了流动噪声的波动幅度,为光声池优化设计提供了一种新的思路。

摘要：为使空间振幅调制偏振光谱仪对系统误差具有最小的灵敏度,以测量矩阵条件数作为目标函数,采用遗传算法对仪器调制模块中双复合光楔晶轴方位角和偏振片方位角的优化组合进行仿真分析,并给出了相应的最优角度组合。以偏振度测量精度为评价函数,在给定的器件误差范围内,对多种不同角度组合设置进行仿真实验。仿真结果表明,当仪器角度参数组合的测量矩阵条件数为1.733时,偏振度测量精度优于0.01的概率为98%,比测量矩阵条件数为1.966和3.257的角度参数组合的概率分别提高了23%和64%。该研究为空间振幅调制偏振光谱仪元件参数设计与选取提供了理论依据。