分辨率对大气中痕量污染气体的DOAS测量性能影响研究

在差分吸收光谱(DOAS)测量过程中,光谱分辨率的选择直接决定了污染气体浓度的测量准确度.主要研究了光谱分辨率对污染气体被榆测到的特征吸收结构形状的影响,以及差分吸收截面随分辨率的变化趋势,从而确定了光谱分辨率对污染气体最低可检测浓度的影响,通过研究分辨率与光强的关系,确定了分辨率与信噪比(S/N)的函数关系式,得出了DOAS测量NO2,O3,和SO2的最佳信噪比范围,对多种污染物标准气体进行了同时监测,计算出标准气体在不同光谱分辨率下的测量误差,确定了对NO2,O3和SO2监测的最适用的分辨率范围.在此分辨率范围既能够实现对痕量气体的准确定性定量测量,又能达到测量所需要的高灵敏度,强选择性和适用的时间分辨率.通过在北京丰台区的实际监测得到了与点式仪器测量结果很好的一致性.     

差分吸收光谱中光源的光谱结构去除研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量,现已被广泛应用于测量大气环境中痕量污染气体的浓度,如SO2,NO2,O3,HCHO等。测量得到的大气差分吸收谱在测量波段内(300～700nm)由于存有光源(氙灯或者氘灯)光谱结构,会影响大气环境中痕量气体浓度的准确反演;在光谱数据反演时,为了避开光源光谱结构的影响,国内外对其处理通常采用分段方式反演和弥补方式反演并介绍一种新的数据处理方法:采用平移窗口均值平滑方法(moving-window average smoothing method)获得大气光谱的慢变化,然后求取氙灯光谱结构。并将获得光源光谱结构对实际测量光谱进行拟合分析,取得了较好的效果,残差为2.995×10-4,避免了选择波段过窄和对新物质探测不利的缺点。     

差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法研究

介绍了差分光学吸收光谱法(DOAS)测量大气污染气体浓度的基本原理,描述了对测量光谱所作的一些必要处理,对最小二乘法作了简单介绍,并将它用在DOAS方法中的浓度反演中,通过与当地监测站的数据进行对比,证明了最小二乘法非常适用于DOAS方法中的浓度反演. 关键词： 差分光学吸收光谱法 光谱处理 最小二乘法 环境监测     

过采样∑-△A/D技术在差分吸收光谱系统中的应用

差分光学吸收光谱法(DOAS)已经成为测量大气中微量气体成分含量常用的方法,该方法基于最小二乘原理,利用测量的大气光谱的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,确定待测气体的浓度.其测量精度不仅取决于光谱测量精度、仪器本身的噪声以及测量波段内其他气体的干扰等因素,还与痕量气体前期采集和处理有关.文章简介了差分吸收光谱法测量原理和仪器结构,提出过采样∑-△A/D技术,过采样技术与∑-△调制器的噪声整形技术结合,可对量化噪声进行双重抑制,从而提高待测波段内的信噪比,实验结果表明提高了DOAS系统的测量精度.     

降低DOAS系统探测限的新型反演算法研究

差分吸收光谱法(DOAS)是一种高灵敏测量大气痕量气体成分含量的有效的光学遥感方法,该方法基于最小二乘拟合模型,利用获得的痕量气体的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,反演待测气体的浓度.建立了基于径向基(RBF)神经网络的痕量气体浓度反演的新模型,对网络的隐层参数采用改进最近邻聚类学习算法训练,对输出层权值的训练采用梯度下降算法,使得网络收敛快,能更好地实时、在线反演测量光谱.并针对DOAS技术的特点,把拟合残差输入网络集中训练,使得RBF网络在反演真实痕量气体吸收时,效果更佳.实验结果表明该新型反演方法提高了DOAS系统的反演精度,降低了DOAS系统的探测限.     

MAX-DOAS仪器观测O4吸收对气溶胶参量的敏感性研究

研究了基于地基差分吸收光谱技术观测的O4吸收反演气溶胶光学参量的敏感性.利用大气辐射传输模型McArtim分析了不同波长、不同气溶胶光学参量(光学厚度、边界层高度、单次散射反照率、非对称因子)对O4吸收(大气质量因子)的影响.结果表明,大气质量因子对中心波长变化不敏感,气溶胶光学厚度和边界层高度对O4吸收具有重要影响,气溶胶光学厚度从0.1增加到1时,3°仰角测量的大气质量因子减少了28%,边界层高度从0.1 km增加到1 km,3°仰角测量的大气质量因子增加了9.2%.平纬圈观测模式下O4吸收对单次散射反照率和非对称因子具有较好的灵敏度,提供了一种基于地基MAX-DOAS观测O4吸收反演气溶胶光学参量的新方法.     

差分吸收光谱中甲醛的反演研究

由于甲醛(HCHO)在城市大气光化学反应中的重要性,测量大气环境中的甲醛已经成为全球的热点。针对目前国内检测甲醛的方法基本局限于化学法,文章详细介绍了采用差分吸收光谱(DOAS)技术反演得到大气环境中甲醛的方法,利用自制的差分吸收光谱系统测量了北京地区大气中的甲醛。文章分析了DOAS反演过程中反演甲醛光谱波段的选择及去除大气中SO₂,NO₂,O₃的吸收以及氙灯灯谱结构对光谱反演中的交叉干扰影响;通过采用选择不同干扰气体所对应的最优波段,同时反演获得大气环境甲醛的浓度,避免了甲醛选择波段过窄,干扰气体去除不全的缺点;通过对误差来源的分析,得到该甲醛的反演方法总误差在13.7%内。     

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱反演环境大气中的CO2垂直柱浓度

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱技术(weighting function modified differential optical absorption spectroscopy, WFM-DOAS)测量环境大气中的CO₂垂直柱浓度. 以直射太阳光测量光谱为例, 演示了WFM-DOAS算法的实现过程. 将环境大气分为50层, 借助辐射传输模拟软件SCIATRAN对各个测量光谱进行了模拟计算, 获得了最小二乘法拟合所需的目标气体CO₂及干扰气体H₂O、CH₄ 的柱权重函数和太阳归一化光谱常量. 采用WFM-DOAS方法对一整天的直射太阳光测量光谱进行了反演, 得到的反演误差均小于3%. 最后比较了两种不同DOAS算法对同一条测量光谱的反演结果, 验证了WFM-DOAS算法在红外被动气体遥感的优越性. 关键词： 环境污染监测 光学测量技术 红外光谱 温室气体     

差分吸收光谱法对大气中挥发性有机物光化学作用指示剂的监测与反演

差分吸收光谱技术 (DOAS)由于高时间分辨率、高灵敏度和低操作费用等特点非常适合对大气中痕量的挥发性有机物 (VOCs)的光化学作用指示剂——O₃,O_x(O₃+NO₂)和HCHO进行实时追踪。 但由于这些指示剂含量较低,测量精度易受干扰。 文章利用自行研制的差分吸收光谱系统,对VOCs的光化学作用指示剂测量方法和数据反演进行了研究,通过增加信噪比,扣除背景杂散光等手段对其进行了准确测量;针对标准吸收截面的温度效应、光谱固有结构和灯谱结构的干扰,改进了干扰的对除方法;并对不同波段反演O₃,NO2和HCHO的干扰因素,反演浓度结果和反演准确度进行了分析与对比,以合适的波段准确反演物质浓度。     

SO2气体排放的紫外成像遥感监测

工业烟囱及船舶尾气中SO2气体排放是造成大气污染的重要因素。SO2容易被氧化生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶,产生酸雨,严重危害大气生态环境平衡及人类健康。现有的SO2光学遥感测量技术,如拉曼散射激光雷达、差分吸收激光雷达(DIAL)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、紫外差分吸收光谱(DOAS)、高分辨光谱成像等,难以兼顾气体污染监测对高时间分辨率、高空间分辨率以及便携机动等应用需求。近年来,紫外SO2相机成像探测因探测精度高、实用性强得到迅速发展,该技术时间分辨率高、空间分辨力强,能从解析图像中直观在线获取污染气体浓度在空间的二维分布及随时间的排放率,对于监测环境污染有重要作用。基于紫外SO2相机成像探测技术,围绕SO2柱浓度探测的测量原理及影响因素、仪器设计及实验方法、反演算法及结果比对等方面开展研究。取得的成果主要有:(1)利用窄带滤光片的窄波窗口,用紫外相机测量310 nm附近的SO2紫外吸收,建立了紫外成像遥感监测理论模型,介绍了紫外成像遥感检测获取SO2浓度图像的测量原理;(2)将滤光片放置镜头前后,讨论了不同入射角对滤光片中心波长及透过率曲线的影响,发现滤光片放置镜头后,相机系统对SO2的灵敏度受入射角影响更小,对SO2浓度图像的反演误差更小;(3)分析了太阳高度角对SO2浓度图像反演的影响,阐明了SO2浓度反演曲线实时校准的不可或缺性;(4)通过理论分析设计出了紫外成像遥感探测装置,开展了基于紫外成像遥感监测SO2气体排放的实验研究,通过2-IM法拟合出了人工天空背景,获得了SO2光学厚度图像,利用标准泡进行校准,反演出了SO2浓度图像;(5)采用DOAS技术对SO2气体排放进行监测,与紫外成像遥感获得的SO2浓度进行对比表明,两方法实验结果所计算得到的浓度信息趋势相一致,从而证明紫外成像遥感监测技术测量结果的准确性,同时展现了该技术在工厂烟囱及船舶尾气污染排放遥感监测中的巨大应用前景。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的多条吸收谱线重建气体浓度二维分布的研究

针对二维气体浓度分布,主要选用多条H₂O的吸收谱线,采用代数迭代重建算法,研究了在激光光束较少且假定温度分布已知的情况下,即不考虑燃烧场中温度对谱线强度的影响时,不同谱线条数对二维浓度重建结果的影响,对比了在同一浓度模型下通过增加激光光束与增加H₂O吸收谱线条数对气体浓度重建结果的影响;研究了增加谱线条数重建气体浓度分布对不同温度与浓度分布模型的适应情况,其中,文中所选取的多条吸收谱线可以由一个激光器同时扫描得到。浓度测量区域采用10×10的网格划分,测量区域中的温度和浓度分布采用单峰不均匀分布与双峰不均匀分布,重建过程中计算了吸收谱线与激光光束的有效利用率。重建结果表明在激光光束较少时,增加吸收谱线条数可以获得更多与浓度相关的谱线参数信息,且与增加激光光束相比可以明显改善浓度重建结果,更主要的是增加谱线条数可以有效降低实验中硬件设备的成本投入以及测量系统的复杂性。     

可调谐二极管激光吸收光谱法测量气体温度

研究了一种新型的非接触式测温技术——可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测温技术。介绍了温度测量及调制吸收光谱技术原理,分析了调制幅度对气体温度测量的影响。优选了氧气吸收谱线对13163.78 cm-1和13164.18 cm-1,在搭建的高温实验系统上,实现了气体温度和浓度的同时测量。通过分析实测波形获得了谱线13164.18 cm-1在823~1323 K温度范围内的碰撞展宽系数和温度指数。实验结果表明,在823~1323 K温度范围内,系统温度测量的线性误差为0.65%,最大波动为±15 K。     

基于吸收光谱法的CO_(2)正压测量技术分析北大核心CSCD

为了研究可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在气体检测过程中,正压条件下的相邻谱线影响问题,建立基于积分吸光度的压力测量模型。以CO_(2)为研究对象,在室温、高纯度条件下进行了范围为(1~2)atm的压力测量仿真和实验。实验结果显示:随着压力的增大,相邻吸收谱线相互影响程度加剧,吸光度曲线偏离零基线的程度加大;实验测量结果在1.25 atm处最大相对偏差为4.94%,在2.00 atm处最小相对偏差为0.73%,平均相对偏差为3%。     

太阳能选择性吸收涂层高温光谱吸收率的测量方法

太阳能热发电是高效利用太阳能资源的有效途径之一,对缓解能源危机和环境污染具有重要的推动作用和深远的社会意义。选择性吸收涂层是太阳能真空集热管的重要组成部分,是决定太阳能与热能转换效率的关键因素。针对高温状态下太阳能选择性吸收涂层光学性能的表征问题,提出一种适用于高温金属-陶瓷选择性吸收涂层太阳光谱吸收率的测量方法。基于双探测器的傅里叶光谱仪和具有涂层加热功能的积分球,研制了能够防止高温氧化并模拟涂层工作温度的高真空测量装置,实现0.3～2.5 μm、室温-700 ℃太阳光谱吸收率的测量。选取磁控溅射制备的Mo-SiO₂选择性吸收涂层作为测量样品,该样品具有双吸收层的多层膜结构。对涂层样品不同温度下的太阳光谱吸收率进行了测量实验,室温测量值与理论计算值进行了对比分析,结果表明具有较好的一致性,最大偏差仅为2.9%,验证了涂层太阳光谱吸收率测量方法的可行性。高温光谱吸收率测量对涂层参数设计的优化及吸收性能的提高具有重要的指导意义及推动作用。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器     

固液同成分点组分LiNbO3紫外吸收边研究

本文报道了室温下,固液同成分点熔体中生长的LiNbO_3紫外光学吸收边的测量结果;并通过对晶体a~(1/2)～hv曲线的研究,肯定了4.0eV以下吸收边的间接跃迁性质;讨论了三段直线的意义;确定了禁带宽度E_9值为3.38eV.     

Spectroscopic optical coherence tomography

Spectroscopic optical coherence tomography (OCT), an extension of conventional OCT, is demonstrated for performing cross-sectional tomographic and spectroscopic imaging. Information on the spectral content of backscattered light is obtained by detection and processing of the interferometric OCT signal. This method allows the spectrum of backscattered light to be measured over the entire available optical bandwidth simultaneously in a single measurement. Specific spectral features can be extracted by use of digital signal processing without changing the measurement apparatus. An ultrabroadband femtosecond Ti:Al(2)O(3) laser was used to achieve spectroscopic imaging over the wavelength range from 650 to 1000 nm in a simple model as well as in vivo in the Xenopus laevis (African frog) tadpole. Multidimensional spectroscopic data are displayed by use of a novel hue-saturation false-color mapping.     

Observation of weak-limit quasiparticle scattering via broadband microwave spectroscopy of a d-wave superconductor

There has long been a discrepancy between microwave conductivity measurements in high temperature superconductors and the conductivity spectrum expected in the simplest models for impurity scattering in a d-wave superconductor. Here we present a new type of broadband measurement of microwave surface resistance that finally shows some of the spectral features expected for a d(x2-y2) pairing state. Cusp-shaped conductivity spectra, consistent with weak impurity scattering of nodal quasiparticles, were obtained in the 0.6-21 GHz frequency range in highly ordered crystals of YBa2Cu3O6.50 and YBa2Cu3O6.99.     

FY-2水汽通道光谱响应测量大气污染评估和订正

由于无法实现真空测量,大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。为了提高光谱定标精度,通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响,并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正,分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。不同测量环境的敏感性模拟结果表明： 大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动,强吸收光谱处的响应减弱,致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势,偏差大于0.5 K且仅在等效水平路径小于1 m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1 K。4 m水平路径35%相对湿度的情况下,亮温偏差可大于4 K。FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。利用水平大气透过率光谱,通过光谱比值的方法,对FY-2D的SRF进行订正。订正后SRF的异常波动被基本消除,曲线分布更加光滑合理。理论分析结果表明： 大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2 K,黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著,不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响,应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。