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一周研发资讯汇总（20251215-20251221）

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本文1622字，阅读约需5分钟

摘要：一种利用双光梳光谱技术的新型气体温度测量方法，通过对每条吸收线的积分吸光度进行对数变换并进行线性分析，抑制了分子固有强度因子、浓度和压力的影响，实现了无需校准的温度估算。

关键词：气体温度监测、双光梳光谱、非接触式、积分吸光度、对数变换

要点

一种从双光梳光谱法获得的吸收线光谱中对“积分吸光度”进行对数变换并分析的新方法（ILRDT），消除了传统方法中难以解决的因分子种类不同而产生的限制。
成功对乙炔（¹²C₂H₂）和氰化氢（H¹³CN）两种气体独立进行温度估算，相对误差小于0.6%。
实现了非接触、高速、无需校准的气体温度测量，有望应用于燃烧诊断、环境监测、化学过程控制等社会需求较高的领域。

概要

气体温度是能源、环境、燃烧工艺等多种产业领域的重要测量对象，但现有的仅通过光谱法测量温度的方法存在强烈依赖分子固有的物理参数这一课题。特别是传统的转动状态分布温度测量法（RDT），仅能在乙炔中高精度运行，难以应用于多种气体分子。

此次开发的ILRDT方法，通过对每条吸收线的积分吸光度进行对数变换并进行线性分析，抑制了分子固有强度因子、浓度和压力的影响，实现了无需校准的温度估算。在实际操作中，使用双光梳光谱装置获取了乙炔（¹²C₂H₂）和氰化氢（H¹³CN）的吸收光谱，并通过ILRDT进行分析，结果成功估算出两种分子的温度在293K附近，相对误差小于0.6%。

该方法在独立且高精度评估多组分气体温度方面具有创新性，有望应用于燃烧器和过程控制等严酷环境下对气体的非接触温度监测。

研究内容

气体温度测量是航空航天工程、燃烧诊断、环境测量、化学过程管理等众多工程和产业领域不可或缺的基础技术，但传统的接触式温度计在响应速度和环境耐性方面存在局限性，特别是在高温、高速气流和有害气体环境中难以使用。因此，近年来基于激光的非接触式温度测量方法受到关注。

其中，基于分子的吸收线强度估算温度的转动状态分布温度测量法（RDT），作为无需校准的自主完成型测量方法具有很大的潜力。然而，RDT受分子间不同的跃迁矩、核自旋多重度和Herman-Wallis因子等影响较大，实际上只能应用于乙炔等部分分子。

为解决这一问题，本研究开发了一种新的分析方法ILRDT，即将吸收线的积分吸光度（Integrated Absorbance）除以跃迁指数m，并将其对数与转动量子数进行线性拟合。通过对数变换，吸收强度中包含的浓度、压力、跃迁矩等分子固有因子被归为常数项，仅提取出温度相关成分作为斜率，从而实现了不依赖分子种类的温度估算。

实验中，使用双光梳光谱系统（图1）同时获取了乙炔和氰化氢的近红外吸收光谱（图2）。对每条吸收线用Voigt函数进行高精度拟合，求出积分吸光度（图3）后应用ILRDT（图4）。结果显示，乙炔的温度为293.2±0.8K，氰化氢的温度为292.8±1.0K，均与温度计Pt100的参考值293.1±0.1K良好吻合，相对误差小于0.6%，证实了该方法可对多种分子进行高精度温度估算。

这些结果表明，ILRDT与双光梳光谱法结合，有望为未来燃烧装置内部的实时温度监视、环境气体的高精度监测、产业过程控制等大范围的社会基础技术做出贡献。

图1. 双光梳光谱系统的实验装置图

两台光梳通过以Rb振荡器和CW激光为基准的同步相位，反复地精确控制频率和载波包络相位差。各光梳经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后，通过偏振元件（H1、H2、PBS）合束，入射到乙炔和氰化氢气室。通过PBS2分离透射光，用InGaAs平衡检测器检测出干涉信号。

图2. 双光梳光谱法测得的乙炔（黑线）和氰化氢（蓝线）的透射光谱

该光谱通过双光梳光谱法一次性获取，用于后续的Voigt拟合和积分吸光度分析，作为ILRDT温度估算的基础数据。

图3. 利用Voigt函数进行吸收线拟合的示例

黑点为测定的吸收光谱，红线为通过Voigt函数再现的拟合曲线。各图下方显示了拟合残差，可见拟合结果与测量值良好吻合，处于噪声水平范围内。从这些拟合求出的积分吸光度被用作ILRDT温度估算的基础数据。

图4. 基于ILRDT的线性拟合结果与温度估算

（a）乙炔的分析结果；（b）氰化氢的分析结果。纵轴为积分吸光度除以跃迁指数m后的值的对数ln(α/|m|)，横轴为基于转动量子数J的转动量J(J + 1)。红色表示R分支，蓝色表示P分支，奇数和偶数的转动量子数（仅乙炔）用不同的曲线表示。黑线为线性拟合结果，可见测量点具有较高的线性。从这些斜率得出，乙炔的温度为293.2±0.8K，氰化氢的温度为292.8±1.0K，与参考温度良好吻合。该图是表明ILRDT可应用于多种分子的主要结果。

https://www.toho-u.ac.jp/press/2025_index/20251205-1566.html

https://doi.org/10.1364/JOSAB.576771

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