激光光谱技术在环境监测中的应用专题系列（Ⅱ）差分吸收光谱技术在大气污染监测中的应用

大气中的一些污染分子不仅威胁人类的生存环境,而且破坏地球上的生态平衡,差分吸收光学光谱技术和差分吸收激光雷达可用于监测它们,前者可以进行定点和局部测量,后者可进行距离和大范围的遥感测量,文章简要地介绍了差分吸收光谱技术和差分吸收激光雷达的原理和教学基础,重点介绍它们在大气环境污染监测中的应用。     

空气中挥发性有机物的光谱学在线监测技术

挥发性有机物(VOCs)是一类危害极为严重的大气污染物,其在线监测技术对于环境保护具有重要的意义。迄今为止,没有任何一种技术能够满足对所有VOCs进行监测的需求。分析了非色散红外方法、傅里叶变换红外光谱、光学差分吸收光谱、激光光谱等可以对VOCs进行在线监测的光谱学方法的特点和现状,并与VOCs的标准检测方法进行了比较,重点分析了调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的发展现状及趋势。     

基于权重变分模型的地基IDOAS条带噪声去除

成像差分吸收光谱技术是成像光谱技术和差分吸收光谱技术的结合,能够采集图谱合一的数据立方,并通过光谱反演得到痕量气体浓度的二维分布信息.地基IDOAS仪器通过安装平台的水平旋转实现摆扫成像,可用于识别污染气体的排放源和监测气体的扩散情况.然而和所有的成像光谱技术相类似,地基IDOAS也容易出现条带噪声的问题,会产生相应的...     

空气质量监测的高灵敏差分吸收光谱学技术

差分吸收光谱学技术以其多组份、高灵敏、连续实时在线的测量方式正成为空气质量监测的理想工具,是空气质量污染指标常规在线监测技术的发展方向。介绍了差分吸收光谱学技术的原理、关键技术以及所研制的空气质量自动监测系统。重点介绍了该项技术在环境空气质量自动在线监测中的应用。     

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。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。     

LP-DOAS测量乙二醛时大气中干扰吸收的去除(英文)

针对利用长光程差分吸收光谱技术在实现对大气中乙二醛实时监测中,一些干扰结构(Xe灯结构,H2O、NO2和O4干扰吸收)对长光程差分吸收光谱技术的影响,讨论了乙二醛的光谱反演方法对干扰吸收的准确去除.针对Xe灯结构由于压力和多普勒展宽程度等的变化而引起的Xe灯结构的非线性变化,采用不同时刻的参考灯谱通过光谱插值的方式准确去除,其去除误差引起的剩余结构可降低到比乙二醛的最低理论检测限低3倍;针对H2O的非线性吸收以及特征吸收结构随柱浓度的不同而变化的特点,采用较高和较低浓度H2O吸收光谱插值的方法准确去除了严重干扰乙二醛准确反演的H2O的吸收结构,其去除误差引起的剩余结构可降低到比乙二醛的最低理论检测限低10倍;另外,对于在此波段存在干扰的NO2和O4的吸收结构也实现了准确地去除.干扰结构的准确去除使DOAS对乙二醛的监测实现了较低的实际检测限(0.15ppbv)和较低的测量误差(～10%).最后,在广州郊区对实际大气进行了实际监测,其浓度范围在低于检测限到1.66ppbv之间,与文献报道的浓度范围和变化趋势十分吻合.     

运用傅里叶变换对差分吸收光谱的解析

利用差分吸收光谱技术原理,设计了相应的差分吸收光谱监测装置,对环境中存在两种主要污染气体SO₂和NO₂进行了监测。在对所测光谱进行分析时,提出了用傅里叶变换的信号分析方法来解析上述两种气体的吸收光谱。在光谱分析过程中,主要包括光谱信号的去噪处理和慢变化的拟合两大步骤。差分吸收光谱仪所测到的原始光谱经傅里叶变换后,频谱中的低频部分对应的就是原始光谱中的慢变化部分,而噪声谱主要集中在变换后频谱的高频部分,所以可以通过截取一定频率段的频谱后再通过逆傅里叶变换来去除气体吸收光谱中的慢变换部分和噪声部分,进一步处理后可以得到气体的差分吸收光谱,从而反演计算出对应的气体浓度。通过分析比较,该方法是一种新的差分吸收光谱解析方法,可以更好地拟合出原始光谱中的慢变化部分,与此同时,在去除噪声影响,提高信噪比方面有很好的作用。     

"双碳"目标下大气环境光学监测技术发展机遇

大气环境污染不仅影响气候变化，还严重威胁人类的生命健康。在“双碳”背景下，温室气体减排和大气污染治理具有显著的协同性，二者同根同源，都涉及大气成分的变化。大气环境问题的解决依赖于环境监测技术的发展。光学监测技术以其强扩展性和非接触、高灵敏、探测目标广的技术特点，在大气环境立体监测领域优势明显，且成为环境监测技术发展的主导方向。目前研究人员已基于卫星平台、地基平台和移动平台发展出了差分吸收光谱技术、激光雷达技术、光腔衰荡光谱技术、傅里叶变换红外光谱技术、可调谐半导体激光吸收光谱技术和气体扩张激光诱导荧光技术等一系列成熟的大气环境光学监测技术。此外，大气环境多平台天空地一体化立体监测技术在减污降碳中发挥了重要作用。推动监测设备的国产化及通过学科交叉融合促进监测技术走向立体化、自动化和智能化应用成为未来大气环境光学的主要发展方向。     

LP-DOAS测量乙二醛时大气中干扰吸收的去除

针对利用长光程差分吸收光谱技术在实现对大气中乙二醛实时监测中,一些干扰结构（Xe灯结构,H2O、NO2和O4干扰吸收）对长光程差分吸收光谱技术的影响,讨论了乙二醛的光谱反演方法对干扰吸收的准确去除.针对Xe灯结构由于压力和多普勒展宽程度等的变化而引起的Xe灯结构的非线性变化,采用不同时刻的参考灯谱通过光谱插值的方式准确去除,其去除误差引起的剩余结构可降低到比乙二醛的最低理论检测限低3倍|针对H2O的非线性吸收以及特征吸收结构随柱浓度的不同而变化的特点,采用较高和较低浓度H2O吸收光谱插值的方法准确去除了严重干扰乙二醛准确反演的H2O的吸收结构,其去除误差引起的剩余结构可降低到比乙二醛的最低理论检测限低10倍|另外,对于在此波段存在干扰的NO2和O4的吸收结构也实现了准确地去除.干扰结构的准确去除使DOAS对乙二醛的监测实现了较低的实际检测限 (0.15 ppbv)和较低的测量误差 (~10 %).最后,在广州郊区对实际大气进行了实际监测,其浓度范围在低于检测限到1.66 ppbv之间,与文献报道的浓度范围和变化趋势十分吻合.     

空间紫外光学遥感技术与发展趋势

空间紫外光学遥感技术是除可见、近红外、热红外和微波遥感以外的一个具有突出优势的遥感领域,全球气候变化研究是目前国际上空间紫外-真空紫外光学遥感的热点课题。本文对空间紫外光学遥感的作用、国内外研究现状及发展趋势进行了综述和分析。介绍了一组紫外光学遥感仪器的功能和特点,给出了它们的主要性能参数;指出我国目前的工作重点是推进星载紫外光谱遥感仪器的应用、积累空间探测数据、建立反演算法等;而未来发展目标将是研制集天底、临边和掩星成像探测于一体的新一代紫外成像探测仪器,高精度观测全天候的整层大气密度和臭氧的三维分布,实时监测大气组分及化学成分（如O₂、N₂、NO、OH和O₃）的变化及变化趋势,以及进一步拓展我国紫外光学遥感仪器的应用领域。     

Application of frequency converters to femtosecond laser radiation for lidar monitoring of the atmosphere

Possibilities of using superbroadband nonlinear-optical frequency converters for femtosecond laser pulses in lidar sensing of the atmosphere are analyzed. New biaxial nonlinear crystals in which the conditions of phase and group matching can be satisfied simultaneously are basic elements of frequency converters. A technique for the broadband lidar sensing of the gas composition of the atmosphere based on the differential optical atmospheric spectroscopy and the differential absorption methods is described. The lidar sensing of gas constituents of the atmosphere using frequency converted femtosecond laser radiation is simulated numerically.     

海水盐度光纤遥测技术研究——测量原理

提出了一种用于海水盐度检测的光学新方法 ,利用光纤光学技术与CCD检测相结合的测量技术 ,并通过测量待测海水与参考蒸馏水的折射率差的方法 ,减小了盐度测量受温度的影响 ,并可实现海水盐度的自动化远距离遥测。建立了测量原理的理论模型。该系统水下的测量探头部分由无源的全光学结构组成 ,具有结构紧凑、精度高、抗电磁干扰、防燃、防爆、可柔性弯曲等诸多优点 ,在海洋勘探 ,环境监测以及军事、进出口贸易中的水尺计重等领域有广泛的应用前景和实用价值     

被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究

研究了一种测量污染源污染气体(如SO2、NO2)排放总量的光学遥测方法,即采用被动差分光学吸收光谱(DOAS)系统在移动平台(如汽车)上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分光学吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取柱密度,在结合测量时段的气象(风场)信息后获得污染气体的排放通量,最终得到排放总量。着重描述了获得烟羽垂直柱密度的差分光学吸收光谱方法以及污染气体排放通量的计算方法,并利用车载被动差分光学吸收光谱系统对某一热电厂SO2排放进行了外场测量,实验结果与在线设备的对比表明:这种基于被动差分光学吸收光谱光学遥测方法能够用于污染源排放总量的快速测量。     

淮北地区大气污染的光学遥感监测与预报

在淮北地区建立差分吸收光谱遥感系统,监测淮北地区主要大气污染气体,监测时间从2011年8月7日至8月28日. 结果表明污染物排放达到国家标准. 并以臭氧为例建立污染气体浓度变化趋势跟踪预测模型.     

Remote Measurement of Motorcycle Exhaust Using Fourier Transform Infrared System

Abstract

We have explored the basic theory and quantitative methods for the measurement of motorcycle exhaust using a Fourier transform infrared interferometer system. Remote sensing direct measurements were made and the species carbon monoxide, carbon dioxide, nonmethane paraffinic carbon(CH^x) and unburned additional harmful species in motorcycle exhaust were determined. Typical concentrations observed in absorption for carbon monoxide, carbon dioxide and nonmethane paraffinic carbon were about 1.11%, 1.91%, 0.54% respectively. Furthemore, this paper describes the remote sensing Fourier transform infrared spectrometer system. The system covers the infrared spectral region from 700 to 6000 cin^?1 at a maxim resolution of 0.06 cm^?1 for beamsplitter of gerrniuiirun coated zinc selenide and receiver telescope with zinc selriide leis. For air multipollutant monitoring the analytica1 methods have the potential and become important. The remote measurements usirig the Fourier transform inf raid spectroscopy could become niore practical.     

ALIS: An efficient method to compute high spectral resolution polarized solar radiances using the Monte Carlo approach

An efficient method to compute accurate polarized solar radiance spectra using the (3D) Monte Carlo model MYSTIC has been developed. Such high resolution spectra are measured by various satellite instruments for remote sensing of atmospheric trace gases. ALIS (Absorption Lines Importance Sampling) allows the calculation of spectra by tracing photons at only one wavelength. In order to take into account the spectral dependence of the absorption coefficient a spectral absorption weight is calculated for each photon path. At each scattering event the local estimate method is combined with an importance sampling method to take into account the spectral dependence of the scattering coefficient. Since each wavelength grid point is computed based on the same set of random photon paths, the statistical error is almost same for all wavelengths and hence the simulated spectrum is not noisy. The statistical error mainly results in a small relative deviation which is independent of wavelength and can be neglected for those remote sensing applications, where differential absorption features are of interest.Two example applications are presented: The simulation of shortwave-infrared polarized spectra as measured by GOSAT from which CO₂ is retrieved, and the simulation of the differential optical thickness in the visible spectral range which is derived from SCIAMACHY measurements to retrieve NO₂. The computational speed of ALIS (for 1D or 3D atmospheres) is of the order of or even faster than that of one-dimensional discrete ordinate methods, in particular when polarization is considered.     

Laser-Induced Fluorescence Imaging and Spectroscopy of GFP Transgenic Plants

Green fluorescent protein (GFP) and other fluorescent protein bioreporters can be used to monitor transgenes in plants. GFP is a valuable marker for transgene presence and expression, but remote sensing instrumentation for stand-off detection has lagged behind fluorescent protein marker biotechnology. However, both biology and photonics are needed for the monitoring technology to be fully realized. In this paper, we describe laser-induced fluorescence imaging and laser-induced fluorescence spectroscopy of GFP-transgenic plants in ambient light towards the application of remote sensing of transgenic plants producing GFP.     

机载激光诱导荧光遥感系统相关参数的讨论

以文献[1]所设计的机载激光诱导荧光遥感成像系统为例,简要地分析了该遥感系统的荧光参数、信噪比、飞机飞行参数与系统性能的关系。探测器接收到的荧光强度和信噪比除了与激光器发射的功率、被激发物质的荧光量子效率、密度、浓度和探测器的量子效率等成正比外,还受遥感系统的仪器结构、探测器的灵敏度、荧光寿命、阳光的反射,以及大气散射等因素的影响。给出了遥感系统的空间分辨率与飞机飞行高度和速度、激光扫描频率和脉冲发射频率之间的关系。分析结果对实际研制机载激光荧光遥感系统有重要的参考价值。