基于HITRAN光谱数据库的TDLAS直接吸收信号仿真研究.pdf

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1、第20351卷5年，第11期月光谱学与光谱分析Vo1．35，No．1，pp172—177SpectroscopyandSpectralAnalysisJanuary，2015基于HITRAN光谱数据库的TDLAS直接吸收信号仿真研究齐汝宾，赫树开，李新田，汪献忠1．河南省日立信股份有限公司，河南郑州4500012．郑州大学物理工程学院，河南郑州450001摘要对TDLAS直接吸收信号进行仿真研究，能够充分了解TDLAS直接吸收的过程以及各个物理参量的变化对吸收信号的影响。首先全面研究分析了TDLAS直接吸收方法的理

2、论基础及算法，给出了基于朗伯一比尔定率的气体吸收线强、吸收截面、浓度、线型函数以及气体总体配分函数等参量的表达式及计算步骤。基于HITRAN光谱数据库，利用MATLAB程序对TDLAS直接吸收过程进行了仿真，计算得到了一定温度、压力、浓度等条件下的吸收谱数据。以HzO为研究对象，仿真了其在各个线型下的吸收谱，并与商用软件Hitran-PC的结果进行比较，结果显示两者在Lorentz线型下的最大误差小于0．5，在Gauss线型下的最大误差小于2．5，在Voigt线型下的最大误差小于1，因此验证了仿真算法及结果的正确性

3、。还对不同压力和温度下+谱带H。0的吸收谱进行了仿真，研究了吸收谱随压力和温度变化规律。在低压范围，多普勒展宽占主导，线宽随压力变化很小，而幅度随压力增大而增大，在高压范围，碰撞展宽占主导，线宽随压力增大而增大，而幅度则随压力增大而趋于定值。最后还给出了大气环境温度范围内的温度修正曲线。该研究可以为TDLAS直接吸收方法的实际应用提供理论参考和指导。关键词可调谐二极管激光吸收光谱；直接吸收；HITRAN；仿真；吸收谱中图分类号：0433．1文献标识码：ADOI：10．3964／j．issn．1000—0593(20

4、15)01—0172—06的吸收信号信息，包括吸收谱的幅度、形状等，以及这些参引言量受气体浓度、温度、压力等的影响情况，进而为实际应用提供理论指导和参考。可调谐二极管激光吸收光谱(tunablediodelaserabsorp-现有光谱数据库以HITRAN数据库应用最为广泛，目tionspectroscopy，TDLAS)技术在发展过程中，出现了直接前最新的版本是HITAN一2012版。HITRAN数据库中提吸收和波长调制等技术。直接吸收光谱技术相比于调制技供的光谱数据不能直接用于分子的定量分析，需要经过一定术，能

5、够在检测气体吸收信号的同时，获得背景光强信息，的算法将它们转换为吸收截面数据。本文将基于HITRAN可以直接反演得到气体浓度。TDLAS直接吸收方法结构简谱库提供的光谱参数，利用MATLAB软件编程对一束调谐单，通过提高调谐频率并结合扫描积分的数据处理方法，同激光经过气体池后的吸收谱进行仿真，得到一定光程和浓度样可以在较短的时间内达到较高的检测灵敏度，满足工业现以及一定温度和压力下的TDLAS直接吸收光谱，为了验证场的应用要求。算法的准确性，部分仿真结果需与目前商业仿真软件Hit—TDLAS技术是对气体单个吸收谱线

6、进行探测，为保证rawPC的结果进行比较，因此，本工作中的数据仍然采用探测的灵敏度和分辨率，要尽可能的选择吸收较强的谱线，HITRAN-2008的数据，而在实际应用中将采用最新版本的同时要避免同种气体以及其他气体邻近谱线的交叉干扰。此HITRAN参数。外，不同的吸收线受温度和压力的影响各异，需要对这些影响进行修正从而提高测量的准确性。因此，实现TDLAS直1直接吸收光谱仿真的理论及算法接吸收光谱高准确度检测的基础是对气体的光谱吸收特性有一个全面的了解。利用计算机技术并结合现有光谱数据库对1．1朗伯比尔定律痕量气体的

7、吸收光谱进行仿真即可得到激光经过气体吸收后吸收光谱定量分析的基础是朗伯比尔(Lambert-Beer)定收稿日期：2013—12—06。修订日期：2014—03—25基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA040604)资助作者简介：齐汝宾，1984年生，河南省日立信股份有限公司博士研究生第1期光谱学与光谱分析173律，即指数前的项为中心处的峰值F(vo)o，式(5)的积分值为I(v)一10(v)expE-a(v)cL]一10(v)exp[-A(v)](1)1。Gaussian半宽可由下式给

8、出式中，为激光发射频率(em)；Io()和J()分别为人射光一3·581×10√6)强和透射光强；c为被测气体浓度(molecule·cm)；()为在高压条件下(一般如压力>0．5atm)，吸收线型为频率处的光谱吸收截面(cmz·molecule一)；L为吸收光径长度(era)；A(v)为吸光度或光学深度(opticaldepth)，比值Lorentz线型i