基于激光吸收光谱的温度快速提取方法与设计方案

一种基于hitran数据库的吸收光谱快速获取方法
基于HITRAN（高分辨分子能级）数据库的吸收光谱快速获取方法是通过利用HITRAN数据库中存储的大量分子光谱线参数，结合光谱模拟和数据处理技术，实现对吸收光谱进行快速获取的方法。

下面将分为三个步骤进行具体介绍。

第二步：光谱模拟
第三步：数据处理和分析
通过实验测量得到的吸收光谱与模拟的理论光谱进行对比。

可以利用吸收光谱实验数据与模拟曲线的差异，进一步进行数据处理和分析。

常用的数据处理方法包括拟合、傅里叶变换、小波变换等。

可以通过数据处理得到吸收峰的位置、强度和宽度等参数。

同时，还可以进行吸收光谱的定量分析，如浓度测量、光谱分解等。

在实际应用中，为了提高吸收光谱的获取速度和减少数据处理的复杂度，可以采用以下方法进行优化：
1.优化吸收光谱的测量条件，如选择合适的光源和探测器，调整测量时间和信号积分时间等，以提高光谱的信噪比和测量精度。

2.利用线性回归等数学方法，对吸收光谱数据进行快速处理和分析，减少计算量和时间消耗。

3.利用并行计算和分布式计算等技术，将大规模数据处理任务分解成多个子任务进行并行处理，进一步提高计算速度。

综上所述，基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法通过选择合适的数据文件、光谱模拟和数据处理等步骤，可以实现对吸收光谱的快速
获取和分析。

这种方法可以广泛应用于光谱分析、环境监测、气体检测等领域，具有较高的实用价值和应用前景。

气体检测技术方案一、引言随着工业化进程的加快，气体泄露、污染等问题逐渐凸显，对于气体检测技术的需求也越来越迫切。

气体检测技术能够快速、准确地检测出各种有害气体的浓度和分布情况，为环境保护和人类健康提供重要支持。

本文将介绍几种常见的气体检测技术方案。

二、传感器检测技术1. 电化学传感器电化学传感器是最常用的气体传感器之一，通过电化学反应来检测气体浓度。

传感器中的电极与待测气体发生反应，产生电流或电势变化，从而实现气体浓度的测量。

电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，常用于检测有毒气体如一氧化碳、氮氧化物等。

2. 热导率传感器热导率传感器是一种基于气体导热性质的检测技术，适用于测量可燃气体浓度。

传感器中的加热元件和测温元件组成一个微小的热电偶，当气体通过传感器时，由于气体导热性质的不同，导致传感器温度变化，进而实现气体浓度的检测。

三、光学检测技术1. 红外吸收光谱法红外吸收光谱法是一种基于气体吸收红外辐射的检测技术，适用于检测多种气体。

该技术利用气体分子对特定波长的红外光吸收的特性，测量光线透过气体时的强度变化，从而推算气体浓度。

红外吸收光谱法具有高灵敏度、高选择性等优点，常用于检测甲烷、二氧化碳等气体。

2. 激光散射光谱法激光散射光谱法是一种基于气体分子散射激光光束的检测技术，适用于检测细颗粒物和大气污染物。

该技术利用激光束与待测气体作用后产生的散射光信号，通过测量散射光的强度和频率变化来推断气体浓度。

激光散射光谱法具有高灵敏度、高分辨率等优点，常用于大气环境监测。

四、电离检测技术电离检测技术是一种通过测量气体中电离粒子的数量来判断气体浓度的方法。

该技术利用气体分子在电场中发生电离产生的离子，通过测量离子的电流或电荷量来推测气体浓度。

电离检测技术具有高精度、高灵敏度等优点，常用于检测空气中的放射性物质和放电等现象。

五、总结气体检测技术方案多种多样，每种技术都有其适用的场景和优势。

在实际应用中，可以根据不同的需求选择合适的气体检测技术，以达到准确、高效地检测和监测气体浓度的目的。

总第190期2020年第6期山西化工SHANXI CHEMICAL INDUSTRYTotal190No.6,2020堂桩导测述用DOI：10.16525/l4-1109/tq.2020.06.07激光吸收光谱气体检测中谱线的自动筛选李梅秀1,邵欣八，王芳1,付作伟3(1.内蒙古阿拉善生态环境监测站，内蒙古阿拉善盟750306；2.天津中德应用技术大学智能制造学院，天津300350；3.中创精仪(天津)科技有限公司，天津300301)摘要：激光吸收光谱(LAS)技术进行气体检测具有高选择性、高灵敏度、快速响应、可多组分多参量同时非接触测量等优势，被广泛用于环境监测、污染排放检测、工业过程控制等领域。

在应用LAS技术进行气体检测时，首要工作就是选择合适的目标谱线。

目前对谱线的筛选都是基于人工观察完成，费时费力，效率低下。

设计了一款自动化谱线筛选软件，对于给定波段范围，基于LAS检测原理和谱线筛选原贝9,结合测量的环境条件对HITRAN光谱数据库中的相关谱线数据进行分析，根据吸光度和谱线的线宽等对灵敏度和谱线干扰进行判断，最终输出筛选的目标谱线或测温谱线对。

该方法大大提高了谱线的筛选效率，可用于LAS气体检测之前目标谱线的自动化筛选，对于气体的浓度检测和温度测量具有重要意义。

关键词：激光吸收光谱，HITRAN光谱数据库，谱线筛选，气体检测中图分类号.0657.38文献标识码:A文章编号:1004-7050(2020)06-0018-05引言环境问题是21世纪全球共同关注的重点问题之一，环境监测技术和环境保护工作愈发受到重视。

我国的污染现状不容小视，大量的环境监测站应运而生，旨在对大气环境等的实时监测，及时掌握事故及污染发生和发展实况，尽一切可能减轻污染带来的危害，这对污染控制、环境保护以及安全生产都有非常重要的意义。

激光吸收光谱(LAS)技术是一种先进的检测技术，其灵敏度高、实时性好(可达毫秒量级)，可以做到多组分、多参量的同时测量，并且在动态快速的同时兼具高选择性皿。

生物样本处理中的技术创新生物样本是指从人体或动物体内获取的各种生物组织、液体或细胞等。

生物样本处理是指对这些生物样本进行分离、提取、纯化等一系列步骤，以获得可用于分析和研究的样品。

在现代医学和生物学研究中，生物样本处理技术一直是重要的研究前提和基础，科学家们通过不断地技术创新，使得生物样本处理工作变得更加高效、精准和可靠。

一、样本分离技术创新在提取生物样本时，必须将样本中不同种类的组织、细胞、蛋白质等分离开来，以得到更精确的数据和结论。

这方面的技术创新主要包括：1.微流控技术微流控技术是指使用微型通道和微型阀门等微型器件，通过液体的微小操控，实现对样本的分离和分析。

这项技术在细胞排序和分离、分子筛选、蛋白质组学等领域有很大的应用潜力。

2.免疫磁珠技术免疫磁珠技术是利用特别制作的磁性微球，配合特定抗体对样本中的特定细胞、蛋白质等进行分离和富集。

该技术优点是简便高效，而且可以定量分析。

3.电泳技术电泳是一种将带电物质分离的技术。

随着电泳仪器的不断改进，其分离精度和速度都得到了极大提高，现已成为生物样本分离的重要手段之一。

二、样本提取技术创新提取生物样本中所需的目标物质，是生物样本处理的一个重要步骤。

技术创新主要包括：1.快速提取技术为了缩短样本提取时间，科学家们不断尝试新的方法。

例如，磁性吸附、离子交换、柱层析、超声波等方法都可以快速提取目标分子，并且可以一次性处理多种不同类型的样本。

2.自动提取技术传统的样本提取方法往往需要大量的人力物力，不仅费时费力，而且难以保证提取的准确性和一致性。

因此，自动化样本处理设备的开发具有重大的意义。

目前已经有不少厂商推出了用于生物样本提取的自动化设备，对于高通量、高精度的生物样本处理研究非常有帮助。

三、样本分析技术创新对于不同的研究目的，需要对生物样本中的各种成分进行定量、定性等不同形式的分析。

技术创新主要包括：1.质谱技术质谱技术是近年来发展最快的生物分析技术之一，它能够同时检测数千种蛋白质、代谢物等，对于疾病的早期诊断和治疗非常有帮助。

基于TDLAS的非均匀流场温度分布的测量作者：屈东胜洪延姬王广宇潘虎来源：《现代电子技术》2013年第12期摘要：基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）温度测量技术，使用多条谱线能够实现非均匀流场的气体温度分布的测量，主要有剖面拟合和温度离散两种方法。

对剖面拟合方法进行理论分析和仿真，并且假设电炉上方0.5 cm处的温度分布为二次函数ax2+bx+c，采用剖面拟合方法进行测量，与热电偶测量的温度进行对比，温度最大波动为49 K。

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱；温度测量；剖面拟合；温度离散；非均匀流场中图分类号： TN911⁃34； O433.1 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）12⁃0021⁃04随着我国航空航天、石油化工、生产制药等行业的迅速发展，温度的实时在线测量对其生产和研究过程的优化控制尤为重要。

对于温度测量，目前常用的是热电偶等测量设备，虽然成本较低，但只能实现单点测量，且存在反应时间慢，对温度场有一定影响等缺点，因此，快速、灵敏有效的非接触式温度检测手段的需求非常迫切。

可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技术主要是利用半导体激光器的波长调谐特性，获得被测气体特征光谱范围内的吸收光谱，实现对被测气体的定性或定量分析[1⁃2]。

基于TDLAS的温度测量技术是一种新型的非接触式测量技术，与热电偶等接触式测温方法相比，具有响应快、可靠性高、不会对被测环境造成扰动等突出优点，在工业过程监测控制、发动机流场诊断、燃烧过程分析、爆炸检测等领域得到了广泛的应用[3⁃7]。

使用传统的TDLAS方法测量温度时，通常假设流场近似均匀，但在实际的流场区域内，由于流场边界层效应、流动混合及化学反应等，可能会存在温度或浓度梯度，非均匀流场区域的温度分布测量需要使用多条谱线进行测量，国内外很多研究者进行过相关研究[8⁃11]。

基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究近年来，气体检测技术在环境监测、工业生产、安全保障等领域得到了广泛应用。

其中，基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统由于其高精度、高灵敏度和快速响应等特点而受到了研究者的关注。

红外激光吸收光谱技术是基于分子物质对红外辐射产生吸收和发射的原理进行气体检测的一种方法。

红外激光可以通过调整其波长，选择适合被检测气体的特征吸收线，从而实现气体的精确检测。

对于大气环境中常见的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害气体，红外激光吸收光谱技术能够提供高精度的定量测量结果。

此外，红外激光吸收光谱技术还具有实时性强、非接触式探测等优点，在被检测物质浓度变化较快的情况下表现出较好的适应性。

在构建基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统时，一般包括光源、光学系统、探测器和信号处理等组成部分。

光源是红外激光的产生装置，常用的有半导体激光器、红外激光二极管等。

光学系统的作用是将光源发出的激光通过聚焦、分束等方式将其引导到检测区域。

探测器是光信号的接收器，将光强信号转化为电信号。

信号处理部分则对接收到的电信号进行分析和处理，得到气体浓度信息。

在实际应用中，基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统可以用于工业安全监测、环境保护等方面。

例如，工业生产过程中常常会释放出一些有害气体，如苯、甲醛等。

通过布置红外激光吸收光谱传感器，可以及时监测这些有害气体的浓度，当浓度超过一定阈值时，及时发出报警信号，保障工作人员的生产安全。

同时，红外激光吸收光谱技术还可以用于环境监测。

城市中的汽车尾气、工业排放等会导致空气中有害气体浓度的变化。

通过在定点或移动设备上部署气体检测系统，可以实时监测环境中有害气体的浓度，及时采取措施改善环境质量。

虽然基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统已经取得了很大的应用进展，但仍然存在一些挑战和需要解决的问题。

首先，红外激光吸收光谱系统成本高、体积大，限制了其在实际中的应用范围。

基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究本论文课题来源于中国国家自然科学基金项目“新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究”、美国xx部项目“xxx”。

研究了基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统,采用了可调谐二极管激光吸收光谱技术和腔增强吸收光谱技术研制了四套气体检测系统,检测了甲烷、乙炔、水汽、甲醛等气体。

详细介绍了各检测系统的结构和原理,测试了系统的灵敏度、响应时间和稳定性等参数。

第一章引言部分介绍了甲烷、乙炔、甲醛等气体的应用和危害,监测这些气体的浓度对于安全生产和环境保护具有重要的意义。

介绍比较了几种常见的气体检测方法:电化学法,催化燃烧法,气相色谱法和红外吸收光谱法。

如红外吸收光谱法的优缺点:灵敏度高、响应速度快、寿命长、可以非接触式测量等,可以广泛应用于工农业生产、环境监测、医学诊疗和军事等领域。

介绍了红外气体检测技术的种类、国内外发展现状和趋势。

包括直接吸收光谱技术、光声光谱技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术和波长调制光谱技术等。

第二章是红外激光吸收光谱技术的理论部分:分子光谱理论和朗伯-比尔定律。

气体分子红外吸收光谱产生的原因是分子内部振动能级和转动能级的跃迁,不同种类的气体分子具有不同的吸收谱线位置和强度,气体分子的光谱特征确保了红外气体检测技术的选择性。

根据朗伯-比尔定律,待测气体分子对特定波长光强的吸收量与气体浓度有关。

第三章主要介绍了基于近红外分布反馈半导体激光器(DFB激光器)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的乙炔检测系统,详细介绍了系统结构及检测性能。

设计的电路部分包括高精度、高稳定性的DFB激光器驱动器,数字正交锁相放大器以及光电探测电路。

驱动器的温控模块采用积分分离式数字比例积分微分算法,温控过程快速平稳,长期工作波动为±0.01oC,长期稳定性高;设计的数字正交锁相放大器以数字处理器芯片为核心,硬件电路简单、体积小、便于集成。

比较了减法预处理电路和除法预处理电路两种信号处理方式,通过实验发现,采用除法预处理电路时,系统具有较低的检测下限。

基于可调谐激光吸收光谱的痕量co定量检测技术随着工业化进程的不断发展，大量的CO二氧化碳和CO一氧化碳等有害气体被排放到大气中，对环境造成了严重污染，加剧了全球气候变化的速度。

因此，对CO等有害气体的监测和控制变得越来越重要。

可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS）是一种高精度、高灵敏度的痕量气体检测技术，已经成为CO等有害气体定量分析的主要方法之一。

一、TDLAS技术原理TDLAS技术是一种基于光谱学原理的气体分析技术，利用激光的高单色性和可调谐性，对气体的吸收光谱进行精确测量，从而实现对气体成分的定量分析。

TDLAS技术主要基于以下几个原理：1. 激光吸收光谱原理：激光的频率与分子的振动、转动等运动之间存在相互作用，当激光的频率与分子的振动或转动频率相等时，分子会吸收激光的能量，从而产生吸收光谱线。

2. Lambert-Beer定律：在分子吸收光谱的过程中，吸收强度与气体浓度成正比。

Lambert-Beer定律描述了光线通过物质时的吸收规律，即吸收强度与光线强度、物质浓度和光程长度有关。

3. 激光的可调谐性：TDLAS技术利用激光的可调谐性，即激光的频率可以通过调整激光器的电流、温度等参数进行调节，从而实现对气体的吸收光谱进行扫描。

二、TDLAS技术在CO定量检测中的应用CO一氧化碳是一种无色、无味、有毒的气体，是一种常见的有害气体。

CO的主要来源是燃烧过程中的不完全燃烧，如汽车尾气、燃煤、燃油等。

CO的浓度越高，对人体的危害就越大。

因此，对CO 的定量检测变得越来越重要。

TDLAS技术在CO定量检测中的应用已经被广泛研究。

TDLAS技术的主要优点是其高精度、高灵敏度、快速响应和无需样品前处理等特点。

TDLAS技术可以实现对CO浓度的实时监测，可以在不同环境条件下进行测量，如高温、高湿度等。

TDLAS技术的CO浓度检测主要分为两种模式：单光束模式和双光束模式。

单光束模式是将激光束分为两条路径，一条路径通过样品，另一条路径不经过样品，通过比较两条路径的光强度差异来确定吸收光谱的强度。

基于HITEMP数据库的分子吸收光谱高精度快速建模方法钱宝健，蔡静*，常海涛，高一凡（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）摘要：为解决高温环境下分子吸收光谱精确计算的时间复杂性，满足宽光谱测量领域对理论吸收光谱计算的需求，本研究利用Python语言以逐线计算为基础，结合线型函数的简化、线翼截止准则和谱线数据库的优化，建立了基于高温分子吸收参数数据库（High⁃Temperature molecular spectroscopic absorption parameters data⁃base，HITEMP）的分子吸收光谱精确快速计算模型。

以Hartmann⁃Tran线型函数作为吸收光谱标准线型编写部分相关二次速度依赖硬碰撞函数（partially⁃Correlated quadratic⁃Speed⁃Dependent Hard⁃Collision Profile，pCqSDHC），结合复概率函数（Complex Probability Function，CPF）简化模型实现了线型函数的精确快速计算，相较于理论计算模型计算速度提高了20倍。

按照光谱计算残差在10-5量级确定了固定波数截断结合谱线半宽等倍数截断的线翼截止准则。

以阈值线强度10-25 cm-1/(mol∙cm-2)为标准筛选了每100 K温度梯度时的光谱数据，整合得到优化数据库。

在6 500 ~ 8 000 cm-1范围内对水分子的吸收光谱进行计算，并与“”分子气体集成光谱建模网站仿真结果对比，逐线模型的计算误差在10-7量级，优化模型的计算误差在10-5量级，计算速度平均提升25倍。

该模型满足吸收光谱测量中对于理论吸收光谱的高效准确计算，为复杂环境中基于宽调谐、超连续激光吸收光谱的测量研究提供了理论模型基础。

关键词：吸收光谱；HITEMP数据库；线型函数；线翼截止中图分类号：TB9；O433 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）05-0039-10Modeling molecular absorption spectra based on the HITEMP databaseQIAN Baojian, CAI Jing*, CHANG Haitao, GAO Yifan(Changcheng Institute of Metrology & Measurement, Beijing 100095, China)Abstract: To address the computational complexity of accurately calculating molecular absorption spectra in high⁃temperature environments and meet the demand for theoretical absorption spectrum calculations in broad⁃spectrum mea⁃surement fields, this study developed a precise and fast calculation model for molecular absorption spectra based on the High⁃Temperature molecular spectroscopic absorption parameters database (HITEMP). The model was implemented us⁃ing Python language, employing a line⁃by⁃line calculation approach combined with simplification of line shape functions, line wing truncation criteria, and optimization of spectral line databases. The Hartmann⁃Tran line shape function was used as the standard absorption spectrum line shape, and partially⁃Correlated quadratic⁃Speed⁃Dependent Hard⁃Collision Pro⁃file (pCqSDHC) was developed for relevant second⁃order velocity⁃dependent hard⁃collision functions. By incorporating the doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2023.05.06收稿日期：2023-09-26；修回日期：2023-10-08基金项目：国家“十三五”计量技术基础科研项目（JSJL2020205A003）引用格式：钱宝健，蔡静，常海涛，等.基于HITEMP数据库的分子吸收光谱高精度快速建模方法［J］.计测技术，2023，43（5）：39-48.Citation：QIAN B J，CAI J，CHANG H T，et al.Modeling molecular absorption spectra based on the HITEMP database［J］.Metrology & Measurement Technology，2023，43（5）：39-48.Complex Probability Function (CPF) and simplifying the model, the line shape functions were calculated accurately and rapidly, resulting in a 20⁃fold increase in computational speed compared to theoretical models. The line wing truncation criteria were determined based on the spectral calculation residual at the level of 10-5 and involved the truncation of fixed wavenumbers combined with equal multiple truncations of spectral line half widths. Spectral data for each temperature gradient of 100 K were selected using a threshold line intensity of 10-25 cm-1/(mol∙cm-2) and integrated to create an opti⁃mized database. The absorption spectra of water molecules were calculated within the range of 6 500 ~ 8 000 cm-1 and compared with the simulation results from "", a molecular gas integrated spectral modeling website. The calculation error of the line⁃by⁃line model was at the level of 10-7, while the optimized model achieved a calculation error at the level of 10-5, with an average speed improvement of 25 times. This model enables efficient and accurate calculation of theoretical absorption spectra for absorption spectral measurements and provides a theoretical foundation for measuring studies based on wide⁃tunable and supercontinuum laser absorption spectra in complex environments.Key words: absorption spectrum; HITEMP database; line shape functions; line wing cutoff0　引言分子吸收光谱是一种描述物质分子对特定波长光的吸收能力的图谱，通过测量物质对不同波长光的吸收程度，可以推断物质的组成、浓度、结构和化学性质等重要信息，从而在燃烧诊断［1-2］、温度测量［3-4］、污染物监测［5］等领域中进行定性和定量分析。