基于地对空观测光谱的大气CO2柱浓度反演分析

基于地对空高光谱观测获取大气CO₂柱浓度(大气中CO₂的垂直总含量)数据是验证和改进卫星高光谱观测反演CO₂浓度的重要数据源之一,而目前在中国还没有基于地面光谱观测进行大气CO₂柱浓度反演研究的报告。利用光谱分析仪与太阳跟踪仪等构成的地面观测系统在中国内蒙古锡林郭勒草原进行了地对空高光谱观测,基于高光谱观测数据反演了大气CO₂柱浓度。在基于1.6 μm大气CO₂的光谱吸收特征进行CO₂浓度反演过程中,评价分析了观测光谱的波长漂移和气象参数对大气CO₂柱浓度反演精度的影响。结果显示观测期间平均大气CO₂柱浓度为390.9 μg·mL-1。波长的漂移将会导致反演浓度值整体偏低;波长漂移从-0.012～0.042 nm范围时,将会导致1 μg·mL-1以上的偏差。同时,研究发现光谱透过率在6 357～6 358,6 360～6 361和6 363～6 364 cm-1谱段敏感于气象参数的变化。对比利用与光谱观测同时和非同时观测的气象参数进行的浓度反演结果发现,非同时观测气象参数的利用引起的浓度偏差最小在0.11 μg·mL-1,最大可达4 μg·mL-1;本论文的分析结果对基于光谱反演CO₂柱浓度算法的改进有着一定的参考价值。     

基于光谱波段优化选择的FTIR测量与分析

在主动式红外遥感测量中,大气中痕量气体的红外吸收与不同红外波段的透过率光谱有关。在很多情况下,透过率光谱在光谱定量分析中起到重要的作用,因此,对测量和仿真的透过率光谱的波段进行优化选择是定量分析的关键。文章对最佳透过率测量范围进行了理论分析, 得到了对应于待测气体浓度反演相对误差最小的理论最佳透过率值;基于谱线的洛伦兹线型通过计算得到了待测气体分子的吸收截面, 同时给出了透过率光谱的校准训练集;确定了单组分CO₂光谱测量分析的波段,优化了多组分CO, CO₂和N₂O光谱同时测量分析的波段并成功地应用于开放光路光谱仪系统。光谱拟合分析结果表明,测量光谱与参考光谱得到了很好的拟合,拟合均方根误差小于1%。     

地下储存CO2 泄漏胁迫下地表植被光谱变化特征及识别研究

随着全球气候变暖,减少温室气体排放成为全世界所关注的问题,而碳捕捉与储存(carbon capture and storage,CCS)技术可以减少温室气体CO₂排放量,但储存在地下的CO₂有泄漏的风险。本工作的目的是通过野外模拟实验,研究地表植被(甜菜)在CO₂轻微泄漏胁迫下其叶片叶绿素含量、水分含量及光谱变化特征,结果表明CO₂泄漏胁迫的甜菜叶绿素与叶片含水量明显降低,叶片反射率在550 nm减小,而在680 nm增大。设计了比值指数R₅₅₀/R₆₈₀进行识别CO₂泄漏胁迫的甜菜,发现该指数能够在胁迫发生7天后识别出胁迫的甜菜,且该指数具有较强的敏感性、稳健性及识别能力。研究结果对于未来CCS项目选址、地表生态监测评估、遥感监测CO₂泄漏点等都具有重要的现实意义与应用价值。     

微孔板荧光法对土壤糖酶活性的测定研究

应用荧光共轭物质作为底物,将96微孔板和荧光检测法结合进行稻-麦轮作系统CO₂倍增条件(FACE)下土壤两种糖酶(木聚糖酶和纤维素酶)活性的测定,探讨了微孔板结合荧光法测定糖酶活性的可行性。结果表明,此种方法可以灵敏的检测到土壤稀释液中的糖酶活性,测定结果重现性较好(变异系数最大为4.879%)。与传统的分光光度法相比,是一种准确、快速、简便的土壤糖酶活性测定方法。CO₂倍增条件下土壤木聚糖酶活性高于自然条件,且在小麦的拔节期,抽穗期和成熟期及水稻的抽穗期和成熟期显著高于对照(P<0.05),CO₂浓度升高提高作物的生长代谢水平,进而影响微生物活性造成土壤木聚糖酶活性提高。纤维素酶活性在CO₂倍增条件下未发生显著变化,说明土壤纤维素酶在短时期内对CO₂增加的响应不显著。     

2 μm附近CO2谱线参数测量及应用

吸收光谱技术用于痕量气体浓度监测,特别是在气体分子稳定同位素丰度探测中,吸收谱线参数的准确性非常重要,目前普遍使用的HITRAN数据库中给出的各项参数具有一定的不确定性。为利用2.0 μm激光波段进行CO₂浓度及其同位素丰度探测,需要对该波段的CO₂吸收谱线参数进行校准,采用窄线宽分布反馈式二极管激光器作为光源,结合自行搭建的谱线参数测量系统,采集了2.0 μm波段10条CO₂吸收谱线,获得了各谱线的位置、强度、自加宽系数和N₂加宽系数,并与HITRAN2012数据库中相应的数据进行对比发现两者之间吻合较好,CO₂谱线强度和自加宽系数相对偏差均小于2%。实测实验室大气的CO₂浓度为440 ppm,13CO₂的丰度值δ为-9‰。测量结果为该波段应用于CO₂浓度及13CO₂同位素丰度的实时在线探测提供了重要参考依据。     

不同耕作措施对黑土腐殖酸组成与红外光谱特性的影响

选择公主岭市范家屯长达10年的耕作处理试验地,采集了不同耕作处理模式下的土壤样品,利用元素分析、可见光谱、红外光谱分析了不同处理对黑土的0～20 cm HA结构的影响。结果表明：旋耕深松、宽窄行交替休闲处理下HA的N/C,H/C,O/C值明显高于翻耕垄作、旋耕垄作处理;翻耕垄作处理下0～20 cm土壤胡敏酸E₄/E₆值最小,芳构化程度高;而宽窄行交替休闲处理下0～20 cm土壤胡敏酸的E₄/E₆值最大,其芳化度最低;旋耕深松和旋耕垄作下表层0～20 cm土壤胡敏酸的E₄/E₆值相同,与翻耕处理相比其芳化度有所降低;红外光谱吸收峰分析表明,翻耕处理下表层土壤胡敏酸中杂环氮的数量增加,宽窄行交替休闲处理下表层土壤胡敏酸结构中的含氮化合物数量、脂肪族化合物数量增加,而旋耕垄作处理增加了表层土壤胡敏酸结构中的OH基、脂肪族的CH₂官能团、氨基化合物含量;旋耕深松、翻耕垄作处理增加其表层胡敏酸结构中的CO基及C—O基数量。     

基于光谱分析的油料池火内部传热特性研究

油料池火焰内部分为不同燃烧区域,目前对油池火内部传热特性研究较少。针对油池火内部传热特性研究不足的现状,构建了红外火焰光谱测试系统,研究分析了92#汽油、95#汽油及润滑油池火焰红外光谱特性,对油池火焰不同燃烧区域的光谱信息进行了提取分析,结果表明：三种油料池火焰光谱特征相似,存在多个CO₂,H₂O及炭黑颗粒等燃烧产物的特征发射波段,3.4 μm处C—H伸缩振动峰明显;火焰烟气区主要光谱特征为4～4.5 μm波段范围内高温CO₂发射峰,该区域火焰与空气换热剧烈,温度变化不稳定,火焰脉动频率较高;火焰间歇区的光谱特征是4～4.5 μm波段范围内高温CO₂发射峰,与烟气区相比,火焰间歇区脉动频率相对较低;与烟气区及间歇区相比,火焰连续区燃烧较为稳定,该区域的光谱特征明显,在2.5～3 μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度较高,且在3.4 μm处存在C—H伸缩振动峰,表明油料池火焰光谱3.4 μm处的特征峰由高温油蒸汽产生。油池火焰不同燃烧区域光谱特征分析表明,油池火焰液态油表面的“富燃料层”吸收火焰传热,引起3.4 μm附近油蒸汽分子能级的改变。油池火焰不同燃烧区域发射光谱强度计算表明,火焰连续区的强度最大,其次为间歇区,火焰烟气区与空气对流强烈,测得的发射光谱强度最低。研究结果为火焰—油料传热模型的修正提供了参考。     

基于Raman光谱技术的瓦斯混合气水合过程定量分析

瓦斯水合物微观晶体结构研究对水合分离技术具有重要理论意义。利用Raman光谱技术对三种含高浓度CO₂瓦斯混合气水合反应过程进行在线观测,并对水合物相Raman光谱图进行分析,获取了瓦斯水合物不同生长阶段大、小孔穴占有率,同时利用van der Waals与Platteeuw热力学统计模型间接获得水合指数等晶体结构信息。结果表明,瓦斯水合物孔穴占有率及水合指数在水合物不同生长阶段未发生较大变化,水合物相中大孔穴几乎被客体分子填满,CO₂与CH₄分子共同占据大孔穴,但CO₂占绝大多数,达到78.58%~94.09%,CH₄分子仅为4.52%~19.12%,这主要是由于两种分子间存在竞争关系且气样中CO₂浓度明显高于CH₄,大孔穴占有率维持在97.70%~98.68%;小孔穴占有率为17.93%~82.41%,占有率普遍偏低,且仅有CH₄分子;随气样中CH₄浓度增加,CH₄在大、小孔穴中的占有率均有所增加,且CH₄分子在大孔穴中的占有率均明显低于在小孔穴中占有率;水合物生长不同阶段水合指数为6.13~7.33,随气样中CH₄浓度的增加,小孔穴占有率有所增加,致使水合指数随之降低;由于瓦斯水合物生长分布不均匀,三种气样对应的不同生长阶段水合指数均呈不规则变化。     

FTIR被动遥测热烟羽中污染气体

文章介绍和讨论了傅里叶变换红外光谱法(FTIR)在大气环境下被动遥测热烟羽中污染气体的原理及相关技术;提出了辐射光谱、测量区域内大气透过率谱的算法模型,以及应用非线性最小二乘拟合算法实现气体浓度反演的方法。实际遥测了工厂燃煤锅炉烟囱排放的污染气体,对SO₂和CO₂气体浓度进行了定量分析。实验结果表明该技术在工业烟囱及其他燃烧源污染排放的应急监测方面具有极大的应用前景。     

紫外光引发阳离子聚丙烯酰胺的红外光谱研究

以丙烯酰胺(AM)、 丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵(DAC)、 丙烯酸丁酯(BA)为单体,采用紫外光引发聚合制备阳离子聚丙烯酰胺P(AM-DAC-BA)。 采用紫外光谱和红外光谱研究其结构特征;分析AM,DAC,BA,P(AM-DAC-BA)的红外光谱中的典型红外振动频率的归属。 通过与单体红外光谱比较得出：由于聚合产物的对称性增加,聚合产物红外光谱更加简单。 P(AM-DAC-BA)的特性粘度随着光强、 BA含量、 光引发剂浓度、 光照时间的增加而增加。 选取AM,DAC,BA中的—CONH₂,—COOCH₂(CO), —COOCH₂—(C—O—C),—CH₂—N+(CH₃)₃基团吸收峰为特征吸收峰,随着光强、 BA含量的增加,特征峰面积增加;随着光引发剂浓度增加特征峰面积却呈现减少趋势;随着光照时间增加,峰面积是先减小后增加。 但不同P(AM-DAC-BA)在红外光谱上对应的特征吸收峰的峰型类似,特征峰位置基本一致。     

非分光红外(NDIR)技术测定反刍动物甲烷和二氧化碳研究

反刍动物体内甲烷通过嗳气排入大气,它的产生损失6%～15%的饲料能量。应用非分光红外(NDIR)探测技术,采用电调制红外光源探测器及单光束双波长技术,实现了对反刍动物CH₄和CO₂痕量气体排放的实时长期自动超灵敏的监测。10只体况良好,体重相近(25±5)kg的成年羯羊作为供试动物,在隧道体系中进行连续80天的监测。结果表明,甲烷和二氧化碳气体的平均回收率分别为(96.7±6.6)%和(96.2±9.9)%,每只绵羊24 h, CH₄和CO₂的平均排放量分别为15.6和184.7 g·d-1,其年排放总量约为6.8和71.1 kg,且测量的不确定性低于1%。因此该文用于反刍动物CH₄和CO₂排放的监测,实用可行、简单有效。     

高温高压下基于TDLAS的二氧化碳浓度测量方法研究

通过具有高灵敏度、非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测,是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物,二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法,利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源,以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线,结合固定波长的吸收光谱调制技术,通过该CO₂谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO₂浓度测量,建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法,通过实验验证得出该方法在5 atm压力、500 K温度下和10 atm压力、1 000 K温度下对于CO₂浓度测量的平均标准偏差为3.99%;另外还对实验中所得CO₂直接吸收及二次谐波信号进行了分析,得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H₂O和CO₂等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25 μm附近的ν₂+ν₃谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH₃的测量能力,实验对H₂O,CO₂和NH₃的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH₃受较大浓度的H₂O和CO₂谱线的干扰较小,尤其是CO₂谱线的干扰可以忽略不计,且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH₃的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。     

大气CO2反演的地表反射率影响分析与比值反演方法

近红外波段空基大气CO₂反演是一个病态问题,地表特征的不确定性是其重要的影响因素之一。针对大气CO₂高精度反演的需求,研究了地表反射率两大不确定性因素对大气CO₂反演的影响程度,提出了比值光谱法对这种影响进行校正。比值光谱法中CO₂无吸收通道(off-line)的选择至关重要,通过比较和分析多种off-line通道的选择方法,发现多通道多点平均法因多数据平均可降低随机误差的优势,获得的off-line通道对应的反演精度最高,而且离散程度也小。比值光谱法结合多通道多点平均法选取出的off-line通道对地表反射率的不确定性影响有明显的校正效果,有利于大气CO₂反演精度的提高。     

4.4 μm中红外激光外差光谱探测技术研究

在国内首次报道以窄线宽的4.4 μm外腔量子级联激光(QCL)作为本地振荡光源,黑体作为辐射光源的激光外差光谱实验装置的建立和测量工作。激光外差光谱是一种高灵敏度的光谱探测技术,并可以用于发展一种小型的光谱探测系统,进行地基或星载的地球大气或天文观测。介绍了激光外差的基本理论、装置的建立和实验测量工作。此激光外差光谱实验装置采用4.4 μm外腔量子级联激光,出光功率高达180 mW,在4.38～4.52 μm间连续可调,具有很宽的光谱调谐范围,能实现CO₂,CO和N₂O等大气重要分子的同时测量。通过开展不同压力下CO₂气体的激光外差光谱测量,对激光外差光谱实验装置的性能进行了评估。目前该激光外差系统的信噪比达到86,低于散粒噪声极限条件的理论计算值287,系统的光谱分辨率约为0.007 8 cm-1,能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。分析结果表明,中红外激光外差光谱系统具有很高的瞬态信噪比及光谱分辨率,在高精度测量大气温室气体的柱浓度和温室气体垂直廓线分布方面具有广阔的应用前景。     

基于三光谱带的大气散射效应校正方法

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了全球大气CO₂卫星产品的应用研究。气溶胶作用以及气溶胶与地表综合作用是大气散射的重要来源。基于O₂-A,CO₂ 1.6和2.06 μm三个光谱带中的强、弱吸收峰和连续谱,从大气气溶胶光学厚度和地表反照率的角度,分析三光谱带具有的相关信息,提出改进的全物理反演方法,对相关性很强的气溶胶光学厚度和地表反照率这两个散射相关参数进行同步反演,实现大气CO₂反演中的散射效应校正。模拟计算气溶胶影响、气溶胶和地表反照率两者综合影响导致的CO₂反演误差,并进行校正,极端情况下导致的8% CO₂反演误差可校正到1% 内,气溶胶类型差异导致最高达10%的散射影响可校正到2%内,显示了方法的有效性,同时通过对校正效果的评估,表明该方法应用于卫星数据高精度反演的潜力,也指出了实际应用时需要关注的问题。     

近共心腔气体拉曼光谱增强方法研究

对海水中溶存气体(甲烷、二氧化碳等)的探测是海洋环境监测和资源探测的重要环节,由于拉曼光谱技术可实现多组分同时探测的优势,被视为发展海洋溶存气体探测技术的首选,而探测灵敏度的提高则是推动该项技术实用化的关键。针对提高拉曼光谱气体探测灵敏度这一问题,设计并搭建了一套基于近共心腔拉曼信号增强系统,开展了信号收集方向和激发光多次散射模式对信号强度和信噪比影响的研究。研究发现,信号收集方向与腔镜光轴之间的夹角越小,所收集的信号越强、信噪比越大,当夹角为30度时,信噪比是垂直方向的16倍;近共心腔直线型多次反射模式,与共心腔模式相比信噪比增强了近三倍。采用最优化实验条件,该系统与常规拉曼系统相比,信号强度和信噪比增强效果均在70倍左右。根据该系统对空气中CO₂的相应强度(空气中CO₂的浓度为0.648 mg·L-1),以三倍于噪声强度计算检测限,估算出该系统对CO₂的探测灵敏度约为0.19 mg·L-1,依据CO₂与CH₄拉曼散射截面比为1/6,估算该系统对甲烷的检测限约为11.5 μg·L-1。