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光声信号亚波长成像分辨率的分析与实现TANG Shuai;WEN Ting-dun;HAN Jian-ning【摘要】为提高光声成像的亚波长分辨率,探究了光声信号产生的机理,并对其亚波长分辨率进行了傅里叶分析,发现普通正折射率透镜难以对携带诸多物质细节信息的倏逝波进行成像,通过COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对声学超透镜进行建模和仿真,结果发现在该声学透镜对声波的调控作用下,倏逝波在近场区域能够实现较好的成像效果,在对样品进行制备与测试后,实验与仿真效果基本吻合,证实了该声学透镜的实用性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)036【总页数】6页(P160-165)【关键词】声子晶体;光声成像;负折射率;声透镜【作者】TANG Shuai;WEN Ting-dun;HAN Jian-ning【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】O426.5光声成像技术是声学与光学两大基础物理学科相交叉的一项前沿科学研究[1—5]，其成像的主要参数依据便是物质的光吸收系数，故而其成像特性具有较高的识别度。
由于成像信息的载体是高频超声波，所以光声成像技术与已有的超声成像具有一定的相似性，即能够获取高分辨率的深层组织影像，这使其在生物医学等领域具有广泛的应用前景。
目前在医学成像过程中仍存在一大关键问题：当生物组织受到光波照射后会散射出携带其内部信息的波，这些光波既有传输波又有倏逝波，且它们具有不同的波矢，虽然传输波能向远场传输，但其只记录了生物组织粗略几何形貌的信息特征，而承载其物理形态及化学成分等亚波长信息的倏逝波衰减非常快，只能在近场区进行局域，所以通常很难通过传统的透镜获取此类信息。
针对此种问题，本文提出设计具有负折射率的声学超透镜[6]来提高光声信号的分辨率，对携带更多物质细节信息的倏逝波进行成像，从而突破传统的远场成像手段，实现亚波长分辨率的近场成像效果。
1 光声信号分析光声信号的产生原理如图1所示，其核心即在于当生物组织受热超过一定阈值后，便会产生高频超声信号，而去除激光脉冲后，由于温度下降又会释放热流，如此往复便生成了周期性的超声信号。
第28卷第34期中国电机工程学报 V ol.28 No.34 Dec. 5, 200840 2008年12月5日 Proceedings of the CSEE ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2008) 34-0040-07 中图分类号：O 433 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40变压器油中甲烷气体的光声光谱检测方法云玉新，陈伟根，孙才新，潘翀(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市沙坪坝区 400030)Photoacoustic Detection of Methane Dissolved in Transformer OilYUN Yu-xin, CHEN Wei-gen, SUN Cai-xin, PAN Chong(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment &System Security and New Technology (Chongqing University),Shapingba District, Chongqing 400030, China)ABSTRACT: Methane is a characteristic gas dissolved in transformer oil, which can be used in the early transformer fault diagnosis. Photoacoustic spectrometry (PAS) is a new method for trace gas detection based on the photoacoustic effect, which has high sensitivity, high selectivity and large dynamic detection range. A portable and tunable experimental setup with a distributed feedback diode laser has been developed based on the fundamental of PAS in this paper, by which the laws that the photoacoustic signal varies with the laser power and the methane concentration are investigated, and the high-resolution photoacoustic spectrum of R(3) in the 2v3 band of methane is gotten. The minimum detection limit of 5.05 part-per-million by volume is obtained. The theories and experiment results supply references for the on-line monitoring of methane and for designing a tunable photoacoustic spectrometer with high sensitivity.KEY WORDS: DFB diode laser; photoacoustic spectrometry; longitudinal resonant photoacoustic cell; gas detection; methane摘要：甲烷(CH4)是变压器油中溶解的一种可用于变压器早期故障诊断的特征气体。
H 2S 及CO 的近红外波段光声光谱检测技术张晓星1，2，陈振伟1，程宏图1，张引2，唐炬1，肖淞1（1.武汉大学电气与自动化学院，湖北武汉430072；2.湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068）摘要：SF 6常用于电力设备内部充当绝缘介质，在SF 6绝缘设备内部出现过热或局部放电时，进一步反应后还会出现SO 2、SOF 2、SO 2F 2、H 2S 、CO 等分解产物。
本研究基于光声光谱检测技术对H 2S 、CO 进行定量测量，从理论出发对影响光声信号的因素进行探讨，搭建光声光谱试验平台，根据气体的光声效应对气体进行光声光谱检测。
通过选择合适的气体吸收谱线作为特征谱线进行检测，避免其他组分气体存在潜在的交叉干扰。
根据HITRAN 仿真结果，选定的H 2S 气体特征谱线为6336.6cm -1，CO 气体特征谱线为6380.3cm -1。
结果表明：所测气体CO 、H 2S 的气体浓度与净光声信号幅值之间的线性度非常高，即通过测量气体光声信号值可精确反演计算出气体浓度。
在SF 6作为背景气体情况下，CO 检测下限为9.88×10-6，H 2S 检测下限为1.75×10-6。
关键词：气体近红外吸收；光声光谱；痕量气体检测；SF 6分解组分中图分类号：TM213文献标志码：A文章编号：1009-9239（2021）04-0095-07DOI :10.16790/ki.1009-9239.im.2021.04.016Near Infrared Photoacoustic Spectrum Detection Technology ofH 2S and COZHANG Xiaoxing 1,2,CHEN Zhenwei 1,CHENG Hongtu 1,ZHANG Yin 2,TANG Ju 1,XIAO Song 1(1.School of Electrical Engineering and Automation,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Schoolof Electrical and Electronic Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China )Abstract :SF 6is often used in GIE as an insulating medium,it will decompose when overheating or appearing partial discharge inside GIE,the decomposition products,such as SO 2,SOF 2,SO 2F 2,H 2S,and CO will produce after further reaction.In this paper,the components H 2S and CO were quantitatively measured by photoacoustic spectroscopy detection technology,and the factors affecting photoacoustic signal were discussed theoretically.A photoacoustic spectrum experiment platform was built,and the gas was measured quantitatively based on the photoacoustic effect.Appropriate gas absorption lines were chosen as characteristic spectrum line to avoid the potential cross-interference of other gas components.According to the results of HITRAN simulation,the characteristic spectrum line of H 2S was chosen as 6336.6cm -1,and the characteristic spectrum line of CO was chosen as 6380.3cm -1.The results show that the linearity between the gas concentration of CO and H 2S and the amplitude of pure photoacoustic signal is extremely high,which suggests that the gas concentration can be accurately calculated through the measurement of photoacoustic signal value of gas.With the background gas of SF 6,the lower limit of detection for CO is 9.88×10-6,and the lower limit of detection for H 2S is 1.75×10-6.Key words:near infrared absorption of gas;photoacoustic spectrum;trace gas detection;SF 6decomposition com ‐ponents引言六氟化硫（SF 6）由于其优良的电气绝缘强度和良好的灭弧性能而常被用作高压电气设备的绝缘介质。
共振结构的理论分析和实验研究共振是指在某个特定频率下的振动或波动强烈地增强或受到强烈抑制的现象，共振结构则是指一种通过在物体表面或内部特定位置放置共振器件实现的控制振动或声波传播的方法。
共振结构在研究和应用中具有广泛的实用价值，如用于声学应用、结构动力学中的能量吸收、传感器技术、及各种物理实验的装置中等。
一、共振结构的理论分析共振结构的理论分析是指通过理论方法对共振结构的振动特性进行分析，如固有频率、共振增强、能量消耗、热分解等。
数值计算方法是对共振结构进行理论分析的基本方法之一，它通过有限元、边界元、声能量法等方法，对共振结构的振动场进行模拟计算，从而得到共振结构的振动机理，如共振特征频率、共振效应的增强、振幅分布等。
其中，有限元方法是一种计算力学领域中最常用的数值方法，它通过将问题离散化为多个小单元进行数值计算，可以计算位移、应力、应变等力学量的分布和变化规律，从而得到共振结构的理论振动特性。
边界元法是一种处理有界区域内边界问题的数值方法，它主要应用于中高频场合的计算，计算速度相对有限元法要快，对于大区域的有界区域处理也较为方便。
声能量法是一种处理声波传递问题的数值方法，它主要应用于半波长场合的计算以及低频传递问题的计算。
与理论方法不同的是，实验方法通过对已制备好的共振结构进行实际测试，从实验数据中得出共振结构的振动特性，如共振频率、共振效应等。
实验方法的优点在于对共振结构的仿真计算结果有一定的验证，但是由于实验条件的复杂性，实验结果仅对特定情况下的共振结构有效。
二、共振结构的实验研究共振结构的实验研究主要包括振动实验、声学实验、电磁实验等。
振动实验是通过在共振结构中施加一定的力，对共振结构的振动进行实验研究。
例如将悬挂在支点上的共振器上打上一定的振动，可以观察共振器的振动模式和频率，从而比较真实地得到振动特性。
声学实验是对共振结构进行声波实验萃取其共振特性。
例如在扬声器内设置共振腔，通过在共振腔内放置共振器，可以使声音效果更为突出，或者在墙壁上设置共振器芯板，可以改善空间的音质和声场分布。
一种纵向共振光声池谐振频率测量方法杨志远;卢荣军;王生春【摘要】为了快速准确测量共振光声池的谐振频率,采用基于共振声谱的光声池谐振频率测量法,搭建了光声光谱检测系统和共振声谱检测系统.对影响测量准确性的因素进行了实验分析.在不同气体体积分数的情况下,分别采用共振声谱法和光声信号强度标定法测量光声池的谐振频率.结果表明,共振声谱法测量的光声池共振频率与声信号激励电压、声源传播距离及角度无关;在5种不同体积分数的乙炔气体条件下,所测得的光声池谐振频率与通过光声信号强度法的结果最大偏差为1.1Hz,可认为两种方法测量结果具有一致性.该方法简单快速、可靠和准确,可用于确定光声池谐振频率.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2019(043)003【总页数】5页(P387-391)【关键词】测量与计量;光谱测量;共振声谱;光声光谱;共振光声池;最佳调制频率【作者】杨志远;卢荣军;王生春【作者单位】东南大学仪器科学与工程学院仪器科学与技术系,南京 210096;东南大学仪器科学与工程学院仪器科学与技术系,南京 210096;东南大学仪器科学与工程学院仪器科学与技术系,南京 210096【正文语种】中文【中图分类】TN247;O433.1引言光声光谱检测技术(photoacoustic spectroscopy，PAS)是在美国科学家 BELL于1880年发现的光声效应的基础上发展起来的。
在光声光谱技术提出的早期，由于缺乏合适的光源和信号探测器，使得光声光谱技术的研究停滞不前[1]。
20世纪60年代以来，随着激光器的出现、声传感技术和微弱信号检测技术的发展，光声光谱技术得到了长足的发展。
该技术具有操作容易、抗干扰性强、检测灵敏度高、稳定性好、响应速度快、成本低等特点，广泛用于大气环境监测、电力设施故障在线检测、生命科学、临床医疗诊断等领域[2-7]。
在共振型光声光谱检测系统中，光声池作为气体产生光声效应的载体，其性能直接影响系统检测灵敏度。
基于光纤传感技术的油浸式电力变压器状态多参量在线检测研究近些年来,随着国内电力需求和电网规模的扩大,电力变压器等级和容量不断提高,变压器故障率和修复时间也随之不断增大。
长期研究表明,变压器内部热状态以及绝缘油中气体组分和浓度很大程度地反映了变压器的热电故障程度和使用寿命,研究和发展变压器内部温度和绝缘油气体状态在线检测技术具有重要的理论和现实意义。
变压器内部环境具有电压高、电磁干扰强、空间狭小、腐蚀性强等特点,变压器状态稳定、准确和快速检测及故障精确预测已经成为亟待解决和突破的关键技术难题。
光纤半导体传感技术和半导体激光器技术的不断发展为解决该难题提供了可行的途径,但目前变压器内部状态检测中仍存在测量参数单一、抗干扰能力差、灵敏度有限、响应慢、多气体测量交叉影响等问题,尚不能满足变压器内部状态实时准确监测和故障精确预测的需要。
针对以上问题,利用光纤半导体传感技术、气体光谱测量技术和变压器故障分析技术相结合,在研究半导体温度传感理论、气体直接吸收光谱理论和光声光谱理论基础上,建立了基于CCD衍射波长解调技术的光纤半导体温度和基于超窄线宽激光特性的光纤气体传感模型,通过设计高耦合率、小体积GaAs探头和高灵敏度检测气室,搭建了适用于变压器内部主要部件温度和绝缘油中气体检测的新型传感系统,可实现变压器内部多参数(温度和绝缘油中气体)的高精度、高灵敏度、快速在线测量,有效提高电力变压器状态在线检测和故障预测的技术水平。
本文主要研究内容如下：(1)从油浸式变压器内部结构出发,研究变压器内部发热(损耗)、散热原理及温升特性,分析变压器主要过热故障原因及其温度特性,列出了主要部件的温升限值；详解变压器正常运行和电热性故障时油中气体的产生原理及气体在油中溶解和扩散过程,得出了变压器内主要部件故障类型与油中气体组分和含量的关系,为油浸式电力变压器运行状态在线检测的实现奠定了一定的理论基础。
(2)针对以往变压器内部温度在线测量中响应速度慢、抗干扰能力差、匹配性不好等问题,在详细分析半导体材料光学性质(光学常数和本征吸收)基础上,深入研究半导体材料温度传感原理,揭示了GaAs晶体吸收光波长随温度变化的关系,建立了GaAs晶体温度-波长传感模型,通过设计新型反射式GaAs传感探头和基于CCD衍射技术的波长解调系统,搭建了新型光纤半导体温度传感系统。
$ol.40!No.5!pp1351-1355May !2020第40卷!第 期2020 年 5 月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysis 共振光声光谱系统中椭球形光声池的理论分析王巧云!尹翔宇 !杨 磊 !邢凌宇东北大学信息科学与工程学院!辽宁 沈阳 110819摘 要 实时在线气体检测在石油化工）现代工业）环境）医学诊断）智能电网中变压器在线监测等领域具有非常重要的意义$光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的气体检测技术!由于其具有检测灵敏度高）选择性强）分辨率高）检测范围宽）可实时在线监测等优点!已被广泛用于痕量气体检测$在光声光谱系统中!光声池是最重要的组成部分!其性能的好坏对于系统检测灵敏度和分辨率有着直接的影响$近些年 来!光声光谱气体检测系统主要采用标准圆柱形共振光声池!系统的检测灵敏度和分辨率主要由微音器决 定$为了进一步提高光声光谱法对于痕量气体检测的灵敏度和分辨率!对光声池进行深入研究分析!提出一 种高灵敏度的椭球形共振光声池$结合气体热动力学和声学理论!利用COMSOL 软件中的热声学模块分别 对椭球形光声池和传统的圆柱形光声池进行了有限元方法分析! 建立了其声学特征模型! 并且对光声池的共振频率! 光声池谐振腔内的声压分布情况以及声压级大小等声学特性进行了仿真研究$ 模拟了椭球形光声池的共振频率和声压信号大小与光声池谐振腔长度和中心半径之间的关系! 从而优化了光声池的尺寸结构，选取了长度为100 mm !中心半径为5 mm 的椭球形光声池最优结构，与相同外部尺寸下的传统圆柱形光声池进行了对比分析$结果表明！椭球形光声池的共振频率为1 340 Hz,处于共振状态时产生的声压信号达到了 5. 01E10 5 Pa ,声压级为11 dU 品质因数为70（圆柱形光声池共振频率为1 650 Hz,共振状态下产生的声压信号大小为5-7E10 6 Pa ,声压级为一13.9 dU ,品质因数为66$对比可知,椭球形光声池的共振 频率明显小于圆柱形光声池, 且最大声压信号是同尺寸圆柱形共振光声池的8.78倍, 声压级提高了24.9dU $ 由此可知, 设计的椭球形共振光声池体积小, 声压信号大, 检测灵敏度高, 光声池的性能有了明显提升, 对于光声光谱法用于微痕量气体检测的灵敏度提高有着重要意义$关键词 光声光谱（ 椭球形（ 共振光声池中图分类号：O433.5文献标识码：ADOI ： 10. 3964". issn. 1000-0593#2020$05-1351-05引 言气体检测对于现代工业发展十分重要, 由于激光光声光 谱技术在微痕量气体检测方面具有检测灵敏度高）选择性强 等优点, 使得其在电力设施在线监测, 大气环境监测, 医学 临床诊断及工业控制等领域具有广阔的应用前景1-4+$光声光谱是利用气体光声效应的光谱技术$ 由于激光技术的不断发展, 光声光谱技术也随之进步明显$ 光声池是气体产生光声效应的载体, 其设计是影响光声光谱仪性能的重 要因素$2012 年, 中国科学院谭松）刘万峰等使用量子级联激光器结合赫姆赫兹光声池, 实现了对甲烷气体的高灵敏度 检测。
我和拉曼的那些不得不说的事——披着羊皮的杨帆一、拉曼光谱(Raman spectra)的历史过程：拉曼光谱得名于印度物理学家拉曼(Raman)。
1928年，拉曼首先从实验观察到单色的入射光投射到物质中后产生的散射，通过对散射光进行光谱分析，首先发现散射光除了含有与入射光相同频率的光外，还包含有与入射光频率不同的光。
以后，人们将这种散射光与入射光频率不同的现象称为拉曼散射。
拉曼因此获得诺贝尔奖。
当一束入射光通过样品时，在各个方向上都发生散射。
拉曼光谱仪收集和检测与入射光成直角的散射光。
由于收集和检测的散射光强度非常低，因此拉曼光谱的应用和发展受到很大限制。
30年代拉曼光谱曾是研究分子结构的主要手段，此时的拉曼光谱仪是以汞弧灯为光源，物质产生的拉曼散射谱线极其微弱，因此应用受到限制。
上世纪60年代，激光的问世为拉曼光谱仪的发展带来了蓬勃生机。
早期作为光源使用的汞弧灯，被高功率、高能量、高单色性和高相干性的激光光源所代替。
另外，高分辨率、低杂散光的双联和三联光栅单色仪，高灵敏度光电接收系统(光电倍增管和光子计数器)也在此期间研制成功，并实现了计算机和拉曼光谱仪的联机。
70年代中期，不断提高的激光技术使得拉曼光谱技术的发展和应用更为广泛。
对在很大光谱范围内吸收的样品，激光器的多谱线输出和可调谐激光器的连续谱线输出，可以使人们很方便地选择合适的激发光进行共振拉曼光谱测量。
用于样品的微区分析、不均匀表面检测等的空间分辨拉曼光谱技术(激光拉曼探针)也于同期诞生，到90年代末，高空间分辨拉曼光谱技术已经可以做到单分子检测。
多通道测量和短脉冲激光技术配合，则实现了时间分辨拉曼光谱测试。
这种光谱技术可用于短寿命自由基、化学反应的中间态、物质和系统的瞬间过程等方面的研究。
1983年，Jennings等人成功地进行了傅里叶变换拉曼实验。
此后，各型号的傅里叶变换拉曼光谱仪也先后问世。
1986年，Hirschfeld和Chase在技术上实现了FT-拉曼光谱。
