气体浓度论文：气体浓度 Sagnac效应 腔衰荡技术 数学形态学滤波 衰荡时间

基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量1. 引言1.1 研究背景传统的甲烷浓度测量方法存在着测量范围狭窄、准确性不高等问题，而基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量方法则具有高灵敏度、高分辨率和快速响应的优势。

腔衰荡光谱技术的原理是利用光腔共振效应增强光吸收信号，从而实现对目标物质浓度的高精度测量。

基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量具有重要的研究意义和应用价值。

通过对大气中甲烷浓度的准确监测，可以为全球变暖和气候变化问题的研究提供有力支持，为环境保护和可持续发展贡献力量。

1.2 研究意义大气甲烷是一种重要的温室气体，对地球的气候变化有着重要的影响。

随着工业化的快速发展和人类活动的增加，大气中甲烷浓度不断上升，加剧了全球变暖的趋势。

准确监测和测量大气中的甲烷浓度是非常必要的。

传统的大气甲烷监测方法存在着准确性不高、采样周期长、操作复杂等缺点，而基于腔衰荡光谱技术的测量方法具有非常高的准确性和灵敏度，可以实现实时监测、高分辨率的甲烷浓度测量。

这种技术的应用可以帮助我们更好地理解大气中甲烷的分布和变化规律，为全球气候变化研究提供重要的数据支持。

基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量具有重要的研究意义，不仅可以帮助我们更好地了解气候变化的影响机制，也可以为环境监测和气候预测提供重要的科学依据。

通过深入研究和应用这项技术，可以为保护地球环境、应对气候变化提供有力支持。

2. 正文2.1 腔衰荡光谱技术原理腔衰荡光谱技术是一种基于光学腔体和光学谐振的测量技术，它利用光学腔的谐振模式来检测样品中的分子浓度。

在腔衰荡光谱技术中，样品中的分子吸收特性会引起腔内光场的衰减和频率变化，通过测量这些变化可以推导出样品中分子的浓度。

腔衰荡光谱技术的原理基于腔内光场的强度与波长的关系。

当激光光源发射的光进入腔体时，只有满足腔内驻波条件的特定波长的光才能在腔内形成稳定的驻波模式。

而样品中吸收特性会导致腔内光场的强度发生变化，从而改变腔内驻波的频率。

科学研究创基于CW-CRDS的大气甲烷浓度直接测量方法研究王金舵1徐文斌1貊泽强2何建国2刘洋2（1.光学辐射重点实验室北京100854；2.中国科学院空天信息创新研究院北京100094）摘要：腔衰荡光谱技术（CRDS）具有高灵敏度、高精度、高光谱分辨率，适合痕量气体检测。

但是，其在被用于测量大气甲烷浓度时，需要对大气样本进行预处理，否则会受到其他气体吸收特性和气溶胶消光特性干扰，影响测量精度。

本文针对这个问题，提出了一种基于CW-CRDS的直接测量大气甲烷浓度的方法，利用可调谐激光器进行光谱扫描，在同时测量大气中水汽、二氧化碳吸收系数和多种粒径气溶胶颗粒消光系数的基础上，结合波长校正法，提高了在环境大气中无预处理条件下的大气甲烷测量准确性。

关键词：腔衰荡光谱技术大气甲烷多组分气体吸收气溶胶消光中图分类号：TU996;O433文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)07(a)-0023-06 Study on Direct Measurement Method of Atmospheric MethaneConcentration Based on CW-CRDSWANG Jinduo1XU Wenbin1MO Zeqiang2HE Jianguo2LIU Yang2(1.Key Laboratory of Optical Radiation,Beijing,100854China;2.Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100094China)Abstract:The Cavity Ring Down Spectroscopy(CRDS)is a direct absorption spectroscopy technology with high sensitivity,high precision and high spectral resolution,which is suitable for the trace gas detection.However,there is a problem that atmospheric samples need to be pretreated when it is used to measure the atmospheric methane concentration.Otherwise,it will be interfered by other gas absorption characteristics and aerosol extinction characteristics,which will affect the measurement accuracy.Aiming at this problem,this paper proposes a method of directly measuring atmospheric methane concentration based on CW-CRDS,which uses a tunable laser for spectral scanning.On the basis of simultaneously measuring the absorption coefficients of water vapor and carbon dioxide and the extinction coefficients of aerosol particles with various particle sizes in the atmosphere,combined with the wavelength correction method,the accuracy of atmospheric methane measurement without pretreatment in the ambient atmosphere is improved.Key Words:Cavity ring down spectroscopy;Atmospheric methane;Multicomponent gas absorption;Aerosol extinction腔衰荡光谱技术（Cavity Ring Down Spectroscopy，CRDS）是一种具有高测量灵敏度、高测量精度和高光谱分辨率的直接吸收光谱技术，结合窄线宽连续激光器，形成了具有高信噪比的连续波腔衰荡光谱技术（CW-CRDS），非常适合痕量气体检测［1-2］。

2020年11期技术创新科技创新与应用Technology Innovation andApplication图1CRDS 装置示意图基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量焦建瑛，张涛，王嵩梅，何少平（北京市燃气集团有限责任公司，北京100035）引言甲烷（CH 4）是一种温室气体，并在大气化学方面担负着重要作用[1]。

在海洋中，甲烷水化物在受到温度或压力变化时，会释放甲烷气体[2]。

另外，海洋中一些微生物新陈代谢过程也会产生或消耗甲烷[3]。

所以，甲烷浓度测量对于温室效应监控、天然气水合物勘探、海洋生态环境研究具有重要意义。

不论是大气中还是海洋里，甲烷均属于痕量气体。

在痕量气体浓度测量方面，腔衰荡光谱技术（CRDS ）作为一种具有高灵敏度和高光谱分辨率的直接吸收光谱测量技术被人们所关注[4]。

由于其谐振腔结构的使用，使待测气体在有限空间内的吸收光程长达km 量级。

从原理角度分析，CRDS 还具有对光源光强起伏不敏感，可自标定等特点。

自1988年，Anthony O'Keefe 和David A.G.Deacon 使用脉冲激光器进行了首次气体吸收光谱测量，提出了腔衰荡光谱技术（CRDS ）[5]。

到1997年，D.Romanini 等人通过声光开关（AOM ）及压电陶瓷位移控制器（PZT ）解决了连续光源（CW ）在CRDS 中的实现问题[6]，并将激光二极管（LD ）引入CRDS 中[7]；之后于1999年，发表了关于使用分布反馈式激光二极管（DFB-LD ）实现CRDS 测量痕量气体的文章[8]。

目前，采用激光二极管CRDS 对大气中痕量气体进行测量已成为一种较为普遍的手段[9-11]。

本文将采用腔衰荡光谱技术，对大气中甲烷浓度进行测量，并分析实验中出现的现象。

1原理及实验腔衰荡光谱技术测痕量气体浓度是基于气体分子对光的吸收作用。

在一个稳定谐振腔中，均匀得分布着待测气体，经过模式匹配的激光在谐振腔中形成稳定振荡，腔内光强衰减主要因为待测气体的吸收损耗和腔镜的透射损耗。

气体仪器波长扫描光腔衰荡光谱技术气体仪器波长扫描光腔衰荡光谱技术是一种高灵敏度、高分辨率和高速度的气体分析技术。

它利用光腔衰荡现象，通过测量光在腔内经过气体样品时的衰减程度来分析气体成分。

下面将详细介绍该技术的原理、实验方法和应用领域。

一、原理光腔衰荡光谱技术的基本原理是：当光在光学腔内经过气体样品时，光会与气体分子相互作用，导致光的能量衰减。

这种衰减现象与气体分子的吸收和散射有关。

通过测量光在腔内经过气体样品前后的衰减程度，可以确定气体成分及其浓度。

在具体实验中，光源发出的光经过分束器分为两束，一束作为参考光，另一束通过光学腔内的气体样品。

经过气体样品的光被衰减后与参考光进行干涉，形成干涉图。

通过分析干涉图的形状和变化，可以确定气体样品的成分和浓度。

二、实验方法1.准备实验装置实验装置包括光源、分束器、光学腔、探测器和数据处理系统。

光源可以选择激光或宽带光源，分束器一般采用半反射镜或全反射镜，光学腔可以选择不同长度和形状的光学腔，探测器可以选择光电倍增管或雪崩二极管等。

1.校准光学腔在实验开始前需要对光学腔进行校准，以确保光在腔内传播时不会发生偏振、反射等现象。

一般可以采用机械振动法或调制法进行校准。

1.准备气体样品气体样品需要提前准备好，并已知其成分和浓度。

如果需要分析未知气体样品，则需要使用标准气体进行标定。

1.进行实验测量将气体样品引入光学腔中，并记录光在腔内经过气体样品前后的衰减程度。

一般可以采用循环扫描法或步进扫描法进行测量。

循环扫描法可以获得连续的光谱信息，而步进扫描法则可以获得更高的分辨率和精度。

1.数据处理与分析将实验测量得到的干涉图经过处理后得到光强衰减曲线。

通过对衰减曲线的分析可以确定气体样品的成分和浓度。

常用的数据分析方法包括最小二乘法、高斯拟合等。

三、应用领域气体仪器波长扫描光腔衰荡光谱技术具有广泛的应用领域，主要包括：1.环境监测：可以用于监测大气中的有害气体、温室气体等，帮助了解环境污染情况和气候变化趋势。

基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量
大气甲烷是一种温室气体，其浓度的变化对全球气候变化有着很大的影响。

因此，准
确测量大气甲烷浓度对于了解全球气候变化趋势、环境污染控制等领域都有着重要的意义。

传统上，大气甲烷浓度的测量方式主要是通过采集气体样品，并通过色谱仪等设备进
行分析。

这种方法需要定期采取大气样品、分离和测量，而且需要高昂的设备和操作成本。

近年来，基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量方法开始被广泛研究和应用。

该技
术通过将样品气体引入一个封闭的腔体中，利用激光通过这个腔体，测量腔衰荡光的强度
和谱线位置的变化，以确定大气甲烷浓度。

腔衰荡光谱技术有着多种优点。

首先，它可以实现实时测量，不需要定期采集样品。

其次，该技术测量精度高，可以测量到相对较低的甲烷浓度，对于准确了解大气中甲烷浓
度变化趋势有着重要的作用。

另外，腔衰荡光谱技术对于样品气体的准备有着较高的要求，可以排除外界因素的影响，降低误差。

尽管腔衰荡光谱技术具有多种优点，但是仍然存在着一些问题和挑战。

首先，该技术
需要高精度的激光和腔体，成本较高。

其次，腔衰荡光谱技术对环境温度和压力的变化比
较敏感，在野外等复杂环境下的应用还需要进一步研究。

总之，基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量方法具有广阔的应用前景，随着相关
技术的不断改进和创新，其应用领域也将不断扩展和深化。

光腔衰荡光谱法在痕量气体检测中的应用光腔衰荡光谱法（Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy，CEAS）是一种灵敏度高、分辨率高、实时性好的痕量气体检测技术，已成为气体分析和环境监测领域的研究热点之一。

本文介绍了CEAS检测原理和设备组成，重点阐述了CEAS在痕量气体检测中的应用研究进展。

一、CEAS检测原理CEAS是一种基于光腔增强的吸收光谱技术，通过增加气体与光场的相互作用时间，提高了气体吸收信号的强度和信噪比，实现了对痕量气体的高灵敏、高精度检测。

CEAS检测系统通常由光源、光器件、探测器和样品室等若干部分组成，其基本原理如下：1.光腔增强光腔是由两个镜面反射形成的封闭空间，其长度通常为数厘米，内部光场呈膜厚式分布。

当入射光与构成光腔内壁的高反射镜面反射时，不断在腔内强度衰减，形成驻波场，提高了光与样品相互作用的时间。

2.物质吸收样品通入光腔后，受到光场的激发，产生吸收信号。

吸收信号的幅度取决于样品中所含物质的类型、浓度和特征吸收峰宽度等因素。

3.探测器检测探测器通常选择光电探测器或者光电倍增管等探测器组成的光谱仪，用以测量样品中强度的变化。

当样品中有物质吸收时，探测器的输出信号呈现出相应的响应，通过光谱学方法进行分析。

二、CEAS设备组成CEAS设备由光源、光路系统、样品室、光谱仪和数据分析系统五个部分组成。

1.光源光源的选择对检测的灵敏度和选择性有很大的影响，一般采用具有比较窄线宽和高亮度的激光器，如DFB激光器、VCL激光器、Ti:Sapphire激光器等。

2.光路系统光路系统是CEAS系统中的核心，主要由光腔、气体通道、偏振器件、反射镜等组成，用以实现气体和光场之间的强耦合，光腔是CEAS的关键部件，也是决定CEAS检测灵敏度的主要因素。

3.样品室样品室是CEAS系统中介质与光场相互作用的部分，它为气体通道和光腔之间的接口，而样品室的设计和制作对CEAS检测灵敏度和选择性都有很大的影响。