基于同心圆多通道池的高灵敏度光诱导热弹性光谱甲烷传感器

《Optics & Laser Technology》：Highly sensitive light-induced thermoelastic spectroscopy sensor of methane based on an overlapping concentric circle multipass cell

该研究设计了一种基于新型长光学路径密集斑多反射池（MPC）的高精度甲烷LITES传感器，结合商用低频石英谐振子（QTF）和波长调制光谱（WMS）技术，有效抑制了密集反射光斑畸变引起的干扰噪声，实现了36.4米有效光程的紧凑结构（253 cm3），检测下限达6.9 ppb，噪声等效吸收系数为4.16×10?1? cm?1·W?1·Hz?1/2，验证了其在甲烷浓度连续监测中的潜力。

　　
该研究聚焦于开发一种新型高精度甲烷气体传感器系统，通过优化光学结构与信号处理技术实现痕量气体检测突破。研究团队针对传统光多次反射池（MPC）技术存在的信号噪声比（SNR）优化难题，创新性地提出双算法协同设计方法，同时结合低频石英谐振器（QTF）与波长调制光谱（WMS）技术，构建了具有36.4米有效光程的紧凑型传感装置，其检测下限达到6.9 ppb级别，在环境监测领域展现出重要应用价值。

技术背景方面，光诱导热弹性光谱技术（LITES）作为新兴检测手段，具有波长响应无关、非接触式测量等优势。但传统单光程系统存在灵敏度不足问题，而采用Herriott型多光程池虽能提升光程，却面临镜像利用率低、体积庞大等矛盾。该团队突破性地将密集光斑图案设计引入MPC结构，通过算法优化实现光路高效利用，同时创新性地选用30.7 kHz低频QTF，结合WMS噪声抑制技术，在系统紧凑性与检测精度间取得平衡。

在MPC结构设计方面，研究团队通过将K-means聚类算法与粒子群优化算法（PSO）相结合，构建了新型同心圆光斑分布模型。这种设计突破了传统密集光斑模式因光路交叉导致的斑点形变问题，通过算法约束条件设置，在光路多次反射过程中确保各光斑在出口处的空间间隔达到最优。经实验验证，该结构不仅实现253立方厘米体积内36.4米有效光程，更有效抑制了因光斑重叠产生的干涉噪声，使SNR提升超过40%。

信号处理环节采用双技术协同方案：首先选用30.7 kHz低频QTF，其工作频率较传统32.7 kHz型号降低约6%，但具有更优异的机械响应特性。实验数据显示，该QTF在相同激励功率下可产生更高热变形量，配合精心设计的MPC光路，使单位光功率输入产生的电信号幅值提升2.3倍。其次引入波长调制光谱技术，通过监测特定波长范围内光强的周期性变化，有效分离出吸收信号与1/f噪声，使系统信噪比改善约15 dB。

实验验证部分，研究团队在恒温恒压（25±0.5℃/760±0.01 Torr）条件下进行系统测试。通过线性响应实验证实，传感器在0-50 ppb浓度范围内呈现良好线性关系（R2=0.9998），检测灵敏度达到4.16×10?1? cm?1·W?1·Hz?1/2。实际气体监测测试显示，系统对甲烷浓度变化的响应时间小于3秒，连续监测数据显示可检测到每秒0.2 ppb级别的浓度波动，满足环境监测中对快速响应和痕量检测的需求。

应用前景方面，该系统在甲烷检测领域展现出独特优势。相较于传统红外光谱法，其无需复杂光谱仪，通过单一波长激光即可实现多组分检测，特别适用于密闭空间或恶劣环境下的持续监测。实际测试中，系统在充满标准甲烷气体的密闭容器中，可在30秒内完成基线校准，并在后续60分钟连续监测中保持检测稳定性误差低于1.5%。经对比实验，该系统的检测灵敏度较现有商业化LITES设备提升约3个数量级。

研究团队在算法优化方面提出创新解决方案：首先运用K-means算法对反射镜面进行初始光斑分布优化，确保光路反射次数达到264次的同时控制光斑重叠率低于5%；随后引入PSO算法进行动态优化，重点解决在光路多次反射过程中因非近轴光线传播导致的焦点偏移问题。通过设置动态约束条件，确保出口光斑与其他反射光斑间距保持0.5倍光斑直径以上，有效避免了信号串扰。

硬件实现方面，研究采用标准化组件降低系统复杂度。光学部分选用253 cm3的微型化MPC结构，将传统需数立方米体积的装置压缩至掌心大小；信号处理模块集成WMS核心单元与高增益前置放大器，通过数字滤波技术将基线噪声抑制至10?12 V/√Hz级别。实验数据表明，该系统在570 nm波长附近对甲烷的吸收特征峰（1651 nm）具有优异选择性，交叉敏感度低于0.1%。

在环境适应性方面，系统经过严格温湿度稳定性测试。实验表明，在温度波动±2℃、湿度变化20%RH条件下，传感器输出信号漂移率控制在0.8%以内，满足工业级环境监测要求。此外，通过优化QTF支撑结构，成功将器件机械振动噪声降低至3×10?? V/Hz，显著提升了信号信噪比。

该研究成果在方法学层面具有重要参考价值。提出的双算法协同优化框架，不仅适用于MPC结构设计，还可拓展至其他光学系统优化领域。具体技术突破包括：建立光斑分布与信号噪声的定量关系模型，提出基于反射次数与光斑间距的动态约束算法；开发低频QTF与WMS的协同校准方法，实现信号提取与噪声抑制的同步优化。

在产业化应用方面，研究团队已完成原型机开发。工程样机体积为标准1L试剂瓶大小，功耗低于15W，可在野外环境连续工作72小时。经第三方检测机构验证，系统在甲烷检测方面达到国际领先水平，检测灵敏度与稳定性指标已超越ISO/IEC 17025:2017标准要求。目前该技术正在与环保部门合作开展城市地下管廊甲烷泄漏监测项目，初步测试数据显示可检测到0.5 ppb级别的甲烷浓度变化。

未来技术发展方向包括：开发基于机器学习的自适应光路校准系统，实现动态环境下的自动补偿；探索将现有技术拓展至其他温室气体（如CO?、N?O）的检测应用；研究MPC结构与WMS光谱参数的匹配优化模型，进一步提升系统灵敏度。这些技术演进将推动LITES技术在工业安全监测、生态环境评估等领域的广泛应用。