近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院安徽光學精密機械研究所張志榮研究員團隊在寬譜吸收氣體基線重建技術(shù)研究方面取得重要進展。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)表在國際學術(shù)期刊《分析化學》(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，但其測量精度嚴重依賴于對入射光強度基線(即無氣體吸收時的光強信號)的準確獲取。然而，對于烷烴類(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吸收區(qū)域。這一特性使得傳統(tǒng)基線校正方法，如無吸收環(huán)境預測量法或多項式擬合法，在實際工業(yè)動態(tài)監(jiān)測場景中面臨時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。

針對油氣儲罐泄漏監(jiān)測等工業(yè)安全領(lǐng)域?qū)ν闊N標志性氣體高精度、實時監(jiān)測的迫切需求，研究團隊創(chuàng)新性地提出了一種基于物理原理的雙波長基線重建策略。該方法的核心理念在于利用光路中的物理關(guān)聯(lián)，而非依賴復雜的算法假設(shè)或大量數(shù)據(jù)訓練。研究團隊發(fā)現(xiàn)，在多次反射吸收池中，由溫度變化、光學元件抖動等因素引起的光強波動，在不同波長之間具有強相關(guān)性。

基于這一物理機制，團隊成功建立了一個目標波長(1686 nm，主要用于監(jiān)測丙烷和丁烷)與一個參考波長(1653 nm，主要用于監(jiān)測甲烷)之間的穩(wěn)健線性模型。通過實時監(jiān)測參考波長通道中可精確測量的基線變化，該模型能夠同步、準確地重建出目標波長寬吸收帶處的未知基線，從而解決了寬譜氣體無“錨點”區(qū)域可供基線校正的難題。

實驗驗證表明，在-10°C至30°C的動態(tài)溫度循環(huán)變化條件下，該基線重建方法的相對均方根誤差低于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算，所引入的最大相對誤差僅為1.7%。這項工作將直接吸收光譜技術(shù)中的一個核心測量難題，轉(zhuǎn)化為基于可測量物理關(guān)聯(lián)的技術(shù)方案，為石油化工安全生產(chǎn)等復雜工業(yè)環(huán)境中寬譜吸收氣體的高精度、實時在線監(jiān)測提供了新的解決方案。

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