畜舍甲烷气体的激光光谱连续监测方法研究

畜舍甲烷排放是大气甲烷的主要来源之一，严重影响着养殖业的生产效率和生态环境的可持续发展。对畜舍甲烷排放进行连续监测是甲烷减排控制的基础，具有重要意义。而现阶段使用的代谢箱法、示踪法等均不能满足连续监测的需求。开放光程气体监测方法初步被发达国家用于畜舍甲烷监测，虽尚未开展系统性研究，但已展示了远距离、高精度、连续在线监测的优势。本项目以调谐二极管激光光谱为手段，开展畜舍甲烷气体监测的机理研究，解决关键科学问题。深入分析畜舍甲烷及其他气体的激光光谱特性，从而优化选择监测的合理波段；结合化学计量学和定量化遥感方法，建立畜舍甲烷激光光谱的浓度反演模型；研究大气颗粒物、温湿度、通风状态等畜舍环境因素对激光光谱测量的影响，并提出补偿方法。在机理研究基础上进一步讨论激光调制扫描、二次谐波信号提取、微弱信号检测、在线定标等技术实现中的关键问题，为畜舍甲烷连续监测系统的实现和熟化奠定理论基础。

畜禽生产中排放的甲烷等温室气体在全球排放总量中占有很高的比重。而要减小畜禽生产中有害气体的排放，首先要对畜禽生产中排放的甲烷等有害气体进行有效的监测。由于畜禽生产中每个环节所产生有害气体的种类和分布存在较大的差异，采用单一方法无法实现对畜禽生产中有害气体的浓度进行全面的监测。因此，本项目以激光光谱技术为方法，针对畜禽生产中有害气体排放的主要环节，分别采用“点”、“线”、“面”三种不同尺度的方法对畜禽生产中的甲烷气体进行全面的监测。. 1）我们通过多次反射的光学结构提高光程，建立了高灵敏的微量气体红外光谱分析系统，并通过其研究了畜舍中各种有害气体的红外光学性质。在其基础上开展了甲烷等有害气体的非色散红外传感方法研究。提出了通过测量畜禽舍内恶臭气体主要成分浓度，利用与嗅觉法相结合的算法反演畜禽舍内气体恶臭等级的监测方法。2）我们采用开放光程的调谐二极管激光光谱方法实现了对畜禽生产中开放区域甲烷浓度的“线”监测。首先针对畜禽生产中甲烷气体的特点，通过理论推导为方法的实现提供了理论基础。然后，研究了OP/TDLAS甲烷监测系统的实现方法，包括甲烷吸收特征谱线的选择、光源的调制，光信号的探测，谐波的提取，数据的采集处理，光路系统的实现。3）在实现了对光路内甲烷积分浓度测量的基础上，提出了采用计算机层析技术（CT）获取区域内甲烷气体浓度分布的方法。首先在结合畜禽生产气体监测需求的基础上，分析比较各方法的适用性，确定了采用MLEM和SBFM算法对畜禽生产开放区域的甲烷气体分布进行图形重构。然后，分别研究了MLEM和SBFM算法的特点和实现方法。最后通过实验分别实现了MLEM算法和SBFM算法的浓度重构，并分析比较了两种算法的优缺点。. 总之，项目深入研究了畜舍甲烷等有害气体的激光光谱测量方法。本项目所研究的方法为相关仪器的产业化和系统研发奠定了技术基础。