基于超声波谱的气体探测

气体超声波谱是超声波在气体作用下声衰减和声速随声频率变化的反映，包含气体中声传播的各种特性。基于超声波谱的气体探测是气体传感机理研究与声气体传感器的发展新方向。本项目以常见混合气体和空气为样本，通过研究背景气体中加入外来气体后其弛豫过程的变化，分析气体超声波谱线上新增或变化的波峰和波谷特征，利用外来气体浓度变化引起超声波谱线的平移特性，从有效弛豫频率、声速和副主最大弛豫衰减系数比等参数中得出气体浓度量化模型，获得从复杂背景气体中检测出一种或多种气体成分和浓度的定性和定量方法，揭示利用超声波谱探测气体信息的传感机理，建立基于超声波谱的气体探测理论。还要利用同时存在的两个弛豫过程其各自的有效定容比热半圆不可能完全重合的特点，研究使用二对或若干局部点频率超声波谱值完整的重建含二个或多个弛豫过程的混合气体超声波谱的方法，提出气体全弛豫过程超声波谱的重建理论，提高超声波谱声气体传感技术的实用性。

基于超声波谱的气体探测主要研究气体声吸收谱和声速谱的形成机理以及利用其探测气体成分的传感方法。为了实现该目标，本项目首先研究得到气体声弛豫过程中有效比热容与弛豫时间的分解对应关系；并提出了一种复合弛豫时间模型，该模型中气体复合弛豫时间的倒数等于其总的平动弛豫时间和总的振动弛豫时间的倒数和，利用该模型最终得到了一种构建气体声弛豫吸收谱的方法；通过对复合弛豫频谱解析模型的去耦合化，发展得到了气体声复合弛豫吸收谱的分解模型，该模型不仅解释了气体超声波谱的形成机理，也解释了气体声弛豫吸收谱上通常仅会显现1至2个吸收峰的物理现象，即常见混合气体至多含有2个较强单一弛豫过程；在分解模型基础上，进一步发现了气体复合弛豫过程可分解为多个单一弛豫过程的叠加，完成了利用两对频率点的超声波谱值，重建含两个单一弛豫过程的气体超声波谱，对于至多含有2个较强单一弛豫过程的常见混合气体，该方法完成了气体全弛豫过程超声波谱的重建理论，提高了基于超声波谱的气体传感技术的实用性。同时本项目经过长期积累，建立了包括氮、氧、水蒸汽、氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、空气等多种常见混合气体的超声波谱数据库。通过统计气体声弛豫吸收谱上的核心信息点——峰值点（对应最大声弛豫吸收系数和有效弛豫频率）的作用区，得到气体超声波谱信息点聚集区统计图，发现了超声波谱信息区位置与混合气体中某种气体存在定性关系，信息点的位置变化与相应气体浓度存在某种定量关系，从物理基础上证明了基于超声波谱的气体探测的正确性和可行性。还首次将小波分析和支持向量机分类的信号处理方法引入超声波谱气体探测，利用小波多分辨率分析方法分解、提取并筛选气体弛豫吸收谱线的特征，用于多分类支持向量机的训练和检验，完成了对空气、空气和一氧化碳、空气和二氧化碳、以及空气和甲烷等四种混合气体的多分类识别，识别率达到100%。从而实现了从多元混合气体和空气等复杂背景中探测一氧化碳、二氧化碳和甲烷等一种和多种气体信息的传感方法，完成了超声波谱气体探测的理论创新工作。本项目还完成了基于超声波谱的气体探测传感器实验装置原型的设计和制作，目前正在进行实验测试工作；并对气体超声波谱及声弛豫进行了应用研究，得到了地球、土卫六、金星和火星大气的声传播对比结果等，丰富了本项目的研究成果。