近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所張志榮研究員團(tuán)隊(duì)在寬譜吸收氣體基線重建技術(shù)研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《基于激光吸收光譜的烷烴混合氣體寬譜吸收特性基線重建研究》為題，發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《分析化學(xué)》(Analytical Chemistry)上。

直接吸收光譜技術(shù)是激光吸收光譜中最常用的氣體定量方法，但其測(cè)量精度嚴(yán)重依賴于對(duì)入射光強(qiáng)度基線(即無(wú)氣體吸收時(shí)的光強(qiáng)信號(hào))的準(zhǔn)確獲取。然而，對(duì)于烷烴類(如丙烷、丁烷)具有寬譜帶吸收特性的氣體，其吸收譜線密集且連續(xù)，往往不存在明顯的無(wú)吸收區(qū)域。這一特性使得傳統(tǒng)基線校正方法，如無(wú)吸收環(huán)境預(yù)測(cè)量法或多項(xiàng)式擬合法，在實(shí)際工業(yè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中面臨時(shí)效性差或完全失效的挑戰(zhàn)，成為制約該技術(shù)高精度應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

針對(duì)油氣儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)等工業(yè)安全領(lǐng)域?qū)ν闊N標(biāo)志性氣體高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的迫切需求，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于物理原理的雙波長(zhǎng)基線重建策略。該方法的核心理念在于利用光路中的物理關(guān)聯(lián)，而非依賴復(fù)雜的算法假設(shè)或大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在多次反射吸收池中，由溫度變化、光學(xué)元件抖動(dòng)等因素引起的光強(qiáng)波動(dòng)，在不同波長(zhǎng)之間具有強(qiáng)相關(guān)性。

基于這一物理機(jī)制，團(tuán)隊(duì)成功建立了一個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)(1686 nm，主要用于監(jiān)測(cè)丙烷和丁烷)與一個(gè)參考波長(zhǎng)(1653 nm，主要用于監(jiān)測(cè)甲烷)之間的穩(wěn)健線性模型。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參考波長(zhǎng)通道中可精確測(cè)量的基線變化，該模型能夠同步、準(zhǔn)確地重建出目標(biāo)波長(zhǎng)寬吸收帶處的未知基線，從而解決了寬譜氣體無(wú)“錨點(diǎn)”區(qū)域可供基線校正的難題。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在-10°C至30°C的動(dòng)態(tài)溫度循環(huán)變化條件下，該基線重建方法的相對(duì)均方根誤差低于1.63%。將重建后的基線應(yīng)用于丙烷、丁烷及其混合氣體的吸光度計(jì)算，所引入的最大相對(duì)誤差僅為1.7%。這項(xiàng)工作將直接吸收光譜技術(shù)中的一個(gè)核心測(cè)量難題，轉(zhuǎn)化為基于可測(cè)量物理關(guān)聯(lián)的技術(shù)方案，為石油化工安全生產(chǎn)等復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中寬譜吸收氣體的高精度、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提供了新的解決方案。

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