为克服煤自燃气体（甲烷CH4、乙烷C2H6、丙烷C3H8）检测中的光谱干扰，研究人员开发了一种吸收特征选择优化的偏最小二乘回归（AFS-PLSR）算法。该系统采用单支带间级联激光器（ICL）与单个定制差分光声池，实现了三种气体的同步监测。通过选取ICL发射波段2966.70–2970.70 cm−1内的半峰全宽（FWHM）吸收特征，算法将数据处理量缩减了一半。在1秒积分时间下，单组分检测限（1σ）分别达到9.1 ppb（CH4）、5.7 ppb（C2H6）和3.0 ppb（C3H8），对应的系统归一化噪声等效吸收系数分别为3.14×10−9W·cm−1/√Hz、1.56×10−9W·cm−1/√Hz和2.97×10−9W·cm−1/√Hz。在多组分气体检测中，经算法处理的各气体测试集预测结果的决定系数（R2）分别达到0.9980、0.9998和0.9999。该研究有效突破了光谱干扰的限制，为煤矿提供了一种可靠的三组分气体检测解决方案。
煤自燃（CSC）是煤矿安全的重大威胁，全球超50%矿井面临此风险，85%以上的矿火灾害由其引发。传统单一指标气体预警易受通风稀释干扰导致误报，而复合指标气体（CH4、C2H6、C3H8）可显著提升早期预警准确性，但这三种气体的吸收光谱严重重叠，传统技术难以实现高精度实时同步测量。现有主流技术如气相色谱（GC）无法实时监测，电化学传感器稳定性差，红外光谱（IR）灵敏度不足，拉曼光谱信号弱且受荧光干扰。光声光谱（PAS）虽具超高灵敏度和零背景优势，但传统多组分检测需多激光对应多光声池，系统复杂笨重。单激光方案面临光谱重叠导致的串扰难题，亟需算法层面的突破。为此，研究人员提出了一种吸收特征选择优化的偏最小二乘回归（AFS-PLSR）算法，结合单带间级联激光器（ICL）与差分光声池，旨在解决光谱重叠下的三组分同步检测问题，为煤矿早期安全预警提供可靠技术方案。该研究成果发表于《Photoacoustics》。
研究人员采用了三个关键技术方法：首先，构建了基于单DFB ICL的差分光声传感系统，扫描波段覆盖2966.70–2970.70 cm−1，采用定制差分光声池抑制共模噪声，并通过电子冷阱干燥气体样本以消除水汽干扰；其次，开发了AFS-PLSR算法，利用HITRAN数据库模拟目标气体吸收谱线，提取各组分吸收峰的半峰全宽（FWHM）特征区域作为模型输入，替代全光谱数据以降低冗余；最后，采用10折交叉验证与单标准误（1-SE）规则优化模型复杂度，确定最佳潜变量数，并使用独立的测试集评估模型泛化性能。
2. 原理分析
2.1 光声光谱
研究人员阐述了光声效应机理：气体分子吸收调制光后通过振动弛豫产热，引起周期性压力波动被麦克风探测。总光声信号是各组分信号的线性叠加，但在光谱重叠区域，单一探测器仅能获得混合信号，无法直接区分各组分浓度，这为后续算法解耦提供了理论依据。
2.2 AFS-PLSR算法
研究人员详细描述了算法流程。算法基于90组混合气样本构建模型，通过对原始光声信号矩阵和浓度矩阵进行标准化处理消除仪器漂移影响。核心创新在于依据HITRAN数据库确定的各气体吸收峰FWHM范围筛选特征波长，将输入数据点减少约50%。模型通过最大化信号矩阵与浓度矩阵的协方差提取主成分，并利用10折交叉验证确定最优主成分数为5，在确保累积解释方差超过99.8%的同时避免了过拟合。
3. 实验配置
研究人员搭建了实验系统，采用DFB ICL光源，扫描电流覆盖59.0–99.0 mA。气体样本由标准气瓶配置，总流量控制在300 sccm，并经−30°C电子冷阱干燥。系统采用自制差分光声池，实测共振频率为1174 Hz，品质因数Q为18.34。实验对比了波长调制（WM）与幅度调制（AM）两种模式，最终选定信噪比更优的AM模式进行后续实验。
4. 结果与讨论
4.1 调制模式优化与单组分检测性能
实验表明，AM模式下三种气体的信噪比均优于WM模式，提升倍数分别为1.13、1.38和2.23倍。单组分检测验证了系统在0–500 ppm（CH4）、0–200 ppm（C2H6）和0–20 ppm（C3H8）范围内的线性响应（R2> 0.9998）。基于1σ噪声计算，检测限分别达到9.1 ppb、5.7 ppb和3.0 ppb，对应的归一化噪声等效吸收系数为3.14×10−9、1.56×10−9和2.97×10−9W·cm−1/√Hz。
4.2 AFS-PLSR算法分析
针对光谱重叠导致的串扰问题（如固定CH4浓度下信号变化可达纯样品的30.5%），研究人员应用AFS-PLSR算法。通过仅输入FWHM特征区数据，模型运算时间从35秒缩短至17秒。在独立测试集上，CH4、C2H6和C3H8的预测决定系数（R2）分别高达0.9980、0.9998和0.9999，均方根误差分别为1.281 ppm、0.431 ppm和0.042 ppm，平均相对误差分别为1.53%、0.84%和1.10%，证明了算法解耦重叠光谱的有效性。
5. 结论
研究人员成功利用AFS-PLSR算法结合单ICL激光器和差分光声池实现了CH4、C2H6、C3H8的同步检测。AM调制模式显著提升了信噪比。单组分检测限达ppb级别，满足煤自燃早期预警的浓度范围需求。算法通过聚焦FWHM吸收特征，将数据量减少一半，显著提高了计算效率。测试集结果验证了模型优异的预测精度（R2> 0.998）。该研究解决了单激光多组分检测中的光谱干扰难题，为煤田防火及类似复杂场景的气体分析提供了高效解决方案。未来研究人员计划开展井下实地测试，进一步优化算法鲁棒性，推动该技术向实用化在线监测预警装备转化。
