不同粒径大气气溶胶含量及其透过率研究

运用FA-3型Anderson撞击式气溶胶粒度分布采样器采集南京北郊生活区大气中的可吸入颗粒物,用称重法测量大气中不同粒径可吸入颗粒物的质量浓度,同时用光学系统测量不同粒径上可吸入颗粒物的透过率,分析不同粒径大气气溶胶的透过率变化关系。结果表明：小于2．1μm颗粒物所占比例达59．88％,表明大气中细粒子污染严重;可吸入颗粒物粒径越小,其透过率也越小;细颗粒物质量浓度与其透过率呈很高的负相关;粗颗粒物对可见光波长的选择性弱。     

PM2.5质量浓度廓线的激光雷达反演研究

针对PM2.5质量浓度在空间不同高度上的分布测量较难这一问题,采用激光雷达和大气透射仪以及粒径谱仪进行联合探测,反演PM2.5质量浓度廓线.考虑相对湿度等因素的影响,通过大气透射仪和粒径谱仪建立地面PM2.5质量浓度与大气透过率之间的函数关系.以大气透射仪所测地面大气透过率值为基准,修正激光雷达大气透过率在高空的边界值,结合Fernald后向积分法反演出大气透过率的垂直分布.依据建立的函数关系和大气透过率垂直分布,得到PM2.5质量浓度廓线,并采用HYSPLIT后向轨迹分析不同高度层气溶胶的输送和动态变化.通过激光雷达、大气透射仪和粒径谱仪的联合探测实验,结果表明:经大气透射仪修正后,大气透过率垂直分布精度得到了提高,PM2.5质量浓度廓线很好的反映了气溶胶垂直分布的微物理变化特征.     

基于FTIR光谱辐射测量分析大气透过率

提出了一种利用FTIR光谱仪进行大气透过率测量的方法。通过黑体对系统的光谱响应进行标定,由两点温度校准得到测量光谱的辐射亮度谱。在一定的距离内实测并分析计算出了CO2红外吸收波段的大气透过率谱。采用非线性最小二乘方法将测量的CO2透过率谱与HITRAN数据库中的光谱拟合得到了干洁大气中的CO2浓度值。实验结果表明,该方法是测量大气透过率和定量分析气体组分的可行性方法。     

多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法

为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线,提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探测工具,获取气溶胶的消光与后向散射系数,反演得到气溶胶粒子谱分布;同时,根据米散射理论算出气溶胶消光效率,结合粒子谱分布,提出颗粒物质量消光效率模型,从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数据进行反演,并与地表采用的颗粒物浓度对比,证明该方法的可行性,为实现颗粒物质量浓度空间分布的探测提供科学依据和方法论。     

双光路DOAS系统获取大气颗粒物粒谱分布方法研究

当前大气复合污染日趋严重,造成大气氧化性增强,气体向颗粒物的转化加快。大气颗粒物粒径大小及谱分布决定其在大气中的行为,以差分吸收光谱法（DOAS）为基础,结合双光路设计技术,开展实时、在线、获取近地面大气气溶胶颗粒物的粒谱分布的光谱方法研究。首先构建低噪声性能稳定的宽带氙弧灯为光源的双光路差分吸收光谱系统,基于干净天气条件下大气的能见度数据对系统进行校准,通过两个不同光路获得的光谱信号强度之比获取近地面紫外-近红外波段的大气总宽波段消光系数。基于宽波段消光系数,在去除瑞利散射以及气体吸收对消光系数的影响后,解析出气溶胶颗粒物的消光系数。基于核函数准则,利用均匀球型粒子的电磁场Mie理论来反演气溶胶物理特性,获得气溶胶粒子在该测量谱段的体积谱分布,利用体积谱与数密度谱的关系,反演出气溶胶粒子的数密度谱分布。开展利用直方图方法来表现颗粒物的粒谱分布方法研究,首先将DOAS测量波段近似等分为若干谱段,利用谱段处平均值,获取气溶胶粒谱直方分布图。最后把该系统和方法应用于外场实验,获得了气溶胶颗粒物在300～650 nm范围内的消光系数,将测量波段等分为11个谱段,反演了颗粒物的在0.1～1.25 μm粒径范围的数密度谱分布。该研究为整治我国灰霾天气,研究大气气相/粒子非均相化学反应提供科学依据。同时将推动DOAS技术的进一步发展和应用。     

基于DOAS技术的气溶胶粒谱分布反演方法研究

大气气溶胶不仅对全球的气候变化产生重大影响,其本身也是一种污染物,另外它在许多污染气体的化学反应中起重要作用。因此,实时监测大气气溶胶已成为环境领域的重要研究方向。差分吸收光谱技术是一种基于痕量气体“指纹”特性反演其浓度的光学遥感方法,同时该方法也可用于大气气溶胶消光系数的测量。文章介绍了利用闪烁差分吸收光谱系统监测大气气溶胶粒谱分布的方法,重点阐述了基于蒙特卡罗方法的粒谱分布反演算法,监测结果通过与PM10、能见度及Angstrom波长指数的对比证实了该方法的可行性,为近地面大气气溶胶监测提供了新的手段,同时也扩展了差分吸收光谱技术的应用范围,该方法对大气化学的研究有着重要的意义。     

Measurements on Particle Size Distribution and Concentration by Transmission Fluctuation Spectrometry with Temporal Correlation

Transmission fluctuation spectrometry with temporal correlation (TFS‐TC) is a new method for particle analysis. When a narrow light beam irradiates on a particle dispersion flow, the variation of the number of particles in the small measuring zone will cause the transmitted light to fluctuate, which includes the complete information on both particle size distribution (PSD) and particle concentration. The method may be used for real‐time, inline/online applications due to its simplicity of measuring principle and experimental setup. Until recently, the theory has been limited to low particle concentrations. In this work, an experimental study of the TFS‐TC measurement is presented for a very wide range of the particle concentrations. By introducing an empirical correction including the high concentration effects and considering the effect from rheological conditions in the inversion algorithm, the particle size distribution and particle concentration are reconstructed, resulting in the coverage of a broad range of particle size and concentration.     

直射太阳光红外吸收光谱技术遥测大气中二氧化碳柱浓度

大气中二氧化碳浓度持续增高导致环境和气候变化等问题成为人们关注的焦点. 为了实时遥测二氧化碳气体柱浓度, 研究了一种地基低分辨遥测系统和实时光谱数据反演分析方法. 利用该系统在合肥地区进行了连续观测, 从太阳吸收光谱中实时获取了整层大气透过率. 采用逐线积分非线性最小二乘光谱反演算法, 从整层大气透过率中反演了二氧化碳柱浓度和氧气柱浓度, 并以氧气柱浓度为内标函数获得了二氧化碳干空气柱体积混合比, 精密度优于3%. 将2012年9月25日12时到15时本系统测量的二氧化碳干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星观测结果进行了比较, 两者偏差小于1%.可见, 该系统和方法具有很高的精密度和准确度, 是一种有效的温室气体观测手段. 关键词： 红外吸收光谱技术 遥测 二氧化碳 柱浓度     

溶胶-凝胶制备ZnO-SiO2复合膜的量子效应和上转换发光

采用溶胶-凝胶技术在玻璃衬底上制备了ZnO薄膜和ZnO-SiO₂复合膜.原子力显微镜照片显示ZnO薄膜具有球状纳米晶粒;可见光-紫外透射光谱表明ZnO-SiO₂复合膜在可见光区的透过率大约是85%,透过率从330 nm开始下降,到290 nm附近降为零.由于量子效应,吸收边出现明显的蓝移.在室温下用不同波长的光激发ZnO-SiO₂复合膜,光致发光谱显示ZnO-SiO₂复合膜对应于激子发射的290 nm附近的紫外发光峰与透射谱所显示的吸收边位置一致,没有出现斯托克斯红移.同时,ZnO-SiO₂复合膜出现了双光子和三光子吸收现象和上转换发光现象. 关键词： 2')" href="#">ZnO-SiO₂ 量子效应 双光子和三光子吸收 上转换发光     

Investigations on the Capability of the Statistical Extinction Method for the Determination of Mean Particle Sizes in Concentrated Particle Systems

Due to the fast growing number of processes involving particulate systems, simple and robust measurement techniques which enable an inline monitoring of the particle size and their concentration are urgently required, since this ensures control but also process optimization. In this work, an inline measurement technique based on the statistical extinction method is developed that provides a process monitoring for a wide range of particulate processes, such as dispersion processes and spray processes. The method allows the determination of the mean size and concentration for particle systems with the size larger than 1 µm. For this purpose, a light beam illuminates the particle system, whereby the fluctuating light intensity due to the particle movement through the light beam is detected. The statistical fluctuation of the signal can be related to a mean particle size and a particle concentration. Since concentrated particle systems cause effects that additionally influence the signal, such as multiple scattering, approaches are needed to reduce or eliminate these effects. In this work, an approach using a spatial frequency filter is applied. The experimental investigations reveal that the effects can be significantly reduced with the spatial frequency filter.     

一种芴衍生物的三光子吸收光稳幅效应及三光子吸收拟合方法研究

由于忽略激光能量分布的不均匀性,当前常用的非线性透过率方法得到的三光子吸收系数的拟合误差比较大.现有材料的三光子吸收截面还比较小,阻碍了人们对三光子吸收特性的应用.本文提出了一种精确的三光子吸收拟合方法,适合于各种能量分布不均匀的激光脉冲.合成了一种具有三光子吸收特性的对称型芴类衍生物2,7-二(4-甲氧基苯乙炔)-9-硫酮芴,三光子吸收截面较大,具有很好的激光脉冲光稳幅特性.     

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。     

大功率TEACO2非稳腔激光器的远场传输特性

针对大功率激光器的远场传输特性,提出了一种测量TEACO,远场光束传输特性的新方法,该法采用相对测量和绝对测量相结合的方式来获得高能激光器的绝对空间光强分布。利用该方法测试了2kW脉冲TEACO,非稳腔激光器在500m处的光强分布,并对测试结果进行了分析讨论。实验结果表明,此方法简单、易行,准确度较高,而且测量过程中考虑了大气湍流的影响,光斑强度相对分布上出现了平顶、破碎并出现旁瓣现象,实测大气透过率为81．5％,最大功率密度为1．59W／cm^2,光束的横向远场发散角达到0．64mrad,基本与理论计算结果相吻合。本研究将为评估激光系统的应用效果及系统的优化设计提供重要的参考。     

激光外差光谱仪的水汽柱浓度反演研究

水汽是地球大气的重要组成部分,也是平衡地气系统辐射收支的一个重要因素,对天气和气候变化有着重要的影响。常用的水汽柱浓度测量设备,如无线电探空仪、激光雷达、微波辐射计、太阳光度计、DOAS仪器以及傅里叶变换红外光谱仪等,难以兼顾高分辨率以及便携机动等应用需求。为此,基于一种高灵敏度、高分辨率光谱探测技术,围绕水汽柱浓度的探测开展了相关研究,取得的主要成果有：(1) 基于激光外差光谱技术,利用窄线宽带间级联激光器作为本振光源,与太阳跟踪仪结合,建立了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,光谱分辨率达到了0.002 cm-1。(2) 采用Langley-plot方法对高分辨率激光外差太阳光谱测量装置进行了现场定标,并于云南紫金山天文台观测站开展了外场测量,获得了2 831~2 833 cm-1波段太阳光谱的直接测量数据。对实测的太阳光谱进行归一化处理后,获得了高分辨率的整层大气透过率谱。(3) 利用逐线积分辐射传输模式（line by line radiative transfer model,LBLRTM）计算了整层大气透过率谱,并与实测的透过率谱进行了非线性最小二乘拟合,实现了水汽柱浓度的反演。同时利用微波辐射计进行了水汽柱浓度的观测,将反演结果与实测结果进行了对比分析,两者的一致性相对较好,最小相对偏差为16.59%,最大相对偏差为21.69%。(4) 反演结果与实测结果的偏差主要由反演算法误差和装置测量误差所导致。反演算法误差包括辐射传输模式的计算误差、实际大气温度的测量误差、甲烷浓度不确定性引入的误差、HDO丰度与自然丰度的偏差,装置测量误差包括装置定标误差、波长标定误差、系统噪声影响、背景信号以及直流信号的微弱起伏引起的误差。(5) 文中选取的2 831~2 833 cm-1波段同时包含了水汽和甲烷的吸收,在反演水汽柱浓度的同时,同步进行了甲烷柱浓度的反演。以甲烷初始柱浓度作为参考值,发现反演后的甲烷柱浓度相对初始柱浓度的数值平均增加了14.41%。高分辨率激光外差太阳光谱测量装置结合反演算法是一种有效的整层大气透过率以及水汽、甲烷柱浓度探测的综合设备,在多组分气体浓度探测方面具有广泛的应用前景。     

中红外吸收光谱的气相过氧化氢浓度测量

气相过氧化氢为强氧化剂,其消毒、灭菌的最终产物为水和氧气,具有无残留、安全、快速消毒以及广泛的材料兼容性等优点。广泛应用于制药、医疗、卫生、生物安全等领域,特别是新冠肺炎、MERS、SARS以及甲流等呼吸类传染性疾病的消毒防治。为保证灭菌效果,防止无菌检查的假阴性或者假阳性,需要对过氧化氢的浓度进行监测。基于1 255 cm-1量子级联激光器可调谐激光吸收光谱技术研制了一套气相过氧化氢浓度测量装置,浓度测量范围为0~1 800 ppm。采用V型光路结构、窗口片将检测仪主要部件与过氧化氢进行隔离,避免过氧化氢腐蚀。针对高浓度、高吸光度时一阶泰勒级数近似透射率函数误差较大这一情况,采用二阶泰勒级数近似透射率函数,导出了二次谐波信号关于气体浓度的二次函数。二次谐波信号测得是电压值,采用高锰酸钾滴定法对其进行标定、溯源。最终得到气相过氧化氢浓度的测量公式,对高低浓度过氧化氢都拟合较好,拟合误差最大为3%。当湿度变化时,二次谐波信号没有发生变化,排除水分对过氧化氢测量的影响,适用于灭菌过程中常压下高浓度VHP的浓度测量。     

Calibration of imaging laser-induced fluorescence measurements in highly absorbing flames

It has been described earlier that imaging measurements of laser-induced fluorescence (LIF) in flames can be calibrated to number densities with an integrated absorption measurement provided the integrated absorption is small. In this paper a method is presented that extends the technique to flames with substantial absorption, improves the number density determination and allows the experimental parameters to be chosen more freely. The method is based on an iterative computer procedure that reconstructs the 1-D spatially resolved absorption profile from laser measurements of the 1-D spatially resolved LIF and the integrated absorption of the laser beam. The technique is experimentally demonstrated by measurements of OH number densities in atmospheric flames. It is potentially a single-pulse method. Other applications of the iterative procedure are mentioned.     

基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、灵敏度高、精确度高、非侵入式测量等优点,被广泛应用于大气环境监测、燃烧流场诊断、工业过程控制、人体呼吸探测等领域。直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段,其中直接吸收技术测量系统结构简单、信号处理相对容易、成本较低、避免提前标定,在测量气体为常量组分时广泛使用。直接吸收技术测量气体浓度时,首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号,这一过程被称为基线拟合。基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差,这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。针对上述问题,基于梯度下降法,将基线、气体浓度、吸收线型等作为未知量,通过建立激光吸收光谱信号的数学模型,对透射信号直接拟合,最终得到气体的浓度信息。这种方法同步拟合了线型和基线,相比传统的积分面积法,增强了拟合的整体一致性。在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上,利用中心波长在1 580 nm处的分布反馈式激光器,通过该方法对实际浓度为10%,12%,14%,16%,18%和20%的CO₂进行了测量,并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。研究结果显示,六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10-4,测量浓度的最小相对误差仅为0.90%,最大相对误差为4.40%,此时迭代时间在4 s以内,计算检测限为0.39%;直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%,直接拟合法优于积分面积法。实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性,为直接吸收技术提供了一个新的思路。     

利用恒星辐射测量整层大气透过率的多目标星定标

 介绍了整层大气透过率测量仪及其测量原理和Langley-Plot定标方法,提出了基于恒星整层大气透过率仪测量大气透过率的多目标星定标方法,并分别进行了K,A光谱类型恒星定标试验,得到了基于K,A两种光谱类型恒星辐射的定标值。对多目标星定标方法与单颗恒星的Langley-Plot定标方法进行了对比实验,验证了多目标星定标方法的合理性与准确性。当实时测量同类型的恒星辐射整层大气透过率时,就可以根据对应的定标参数进行测量研究。     

基于O2-O2吸收的非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法研究

针对传统非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法的定量结果易受镜片反射率标定误差的影响问题, 提出了一种基于测量大气O₂-O₂吸收的浓度反演方法. 该方法是将非相干宽带腔增强吸收光谱技术的光学增强腔等效成吸收光程不随波长变化的多次反射池, 首先根据测得的宽带腔增强大气吸收谱和参考谱计算出光学厚度, 并应用差分光学吸收光谱算法拟合修正后的气体吸收截面到光学厚度, 反演得到大气中O₂-O₂以及被测气体的柱浓度, 然后根据O₂-O₂在大气中的含量已知且相对稳定这一特性, 确定出等效多次反射池的吸收光程, 最后从被测气体的柱浓度中扣除吸收光程信息得到被测气体的浓度值. 以监测大气中NO₂实验为例, 应用该方法在454-487 nm波段反演得到了大气NO₂的浓度(1-30 ppbv范围内), 并将反演结果与传统浓度反演方法的结果进行了对比, 发现两者的不一致性在7%以内. 实验结果表明, 非相干宽带腔增强吸收光谱技术可以利用大气O₂-O₂的吸收来定量其他被测气体的浓度, 而且定量结果对镜片反射率的标定误差不敏感.