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.     

大气污染物垂直廓线扫描差分吸收光谱方法研究

差分光学吸收光谱法(DOAS)已经成为测量大气痕量气体含量的常用方法,该方法灵敏度高,可同时监测多种大气痕量气体.提出了应用差分吸收光谱方法监测大气痕量气体垂直分布,结合放置数套角反射器的近地层高塔,研制出扫描长光程差分吸收光谱(扫描LP-DOAS)系统.应用此系统于2007年夏季对北京城市重要大气污染物NO2的垂直分布进行了外场监测,准确获得了NO2沿各光路的积分浓度,确定了系统在各光路的检测限和系统总的测量误差.基于垂直廓线模型,成功反演了NO2的垂直廓线和垂直梯度.研究结果表明扫描LP-DOAS技术监测城市大气近地层痕量气体垂直分布的可行性.     

发光二极管在差分吸收光谱系统中的应用研究

研究了新型发光二极管(LEDs)作为主动差分吸收光谱技术(DOAS)光源的可行性及其应用.分析了LEDs发光特性、谱的形状、光谱范围和谱的稳定性.结果表明LEDs作为主动DOAS光源是可行的，只是当温度不恒定时，LEDs光谱中的法布里-珀罗标准具效应将影响DOAS精确反演，若把其结构提取参与拟合可以很好地去除其影响.并成功地利用LEDs-DOAS系统监测了大气NO₂的浓度，与基于高压氙弧灯为光源DOAS系统测量结果的相关性达到0.99以上.当光程为0.7km时，检测限为1.1×10< 关键词： 发光二极管(LEDs) 差分吸收光谱技术(DOAS) 可行性     

对差分光学吸收光谱法的监测数据进行实时预测研究

差分光学吸收光谱法（DOAS）已经成为测量大气中微量气体浓度广泛应用的方法.通过对大气差分吸收光谱的分析可以得到它们的浓度.但在恶劣气候条件下，DOAS系统不能获得连续的实时监测数据，因此不能满足我国环境监测条例对环境监测子站的要求.文中提出了一种利用逐步回归分析的方法，对DOAS系统的监测数据进行实时预测.通过大量的对比实验表明，利用该方法得到的预测结果与实际测量结果一致，目前该技术已经被应用于DOAS监测仪器中. 关键词： 差分光学吸收光谱法（DOAS） 逐步回归分析 预测     

利用差分吸收光谱法测量亚硝酸和反演气溶胶参数

利用差分光学吸收光谱仪(DOAS)进行亚硝酸(HONO)气体的测量并同时在固定的波长范围内(3 07—380 nm)反演气溶胶参数包括气溶胶的平均直径、总个数和总比表面积等. 实验结果表 明利用自测的NO₂标准吸收截面可以更加准确地拟合HONO的浓度，同时在较短的 波长范围内能准确反演气溶胶参数. 关键词： 差分光学吸收光谱(DOAS) 亚硝酸 气溶胶参数     

多轴差分吸收光谱断层扫描重建烟羽空间分布

为了实现烟羽二维空间分布的精确重建,建立了被动多轴差分吸收光谱断层扫描系统,实现了多台被动多轴差分吸收光谱系统对废气烟羽空间分布的测量。首先,介绍了多轴差分吸收光谱系统及其反演气体浓度的机理。接着,使用代数迭代算法对不同的重建模型,采用不同的扫描光路进行了重建模拟,并设计了重建程序。然后,对数值模拟仿真结果进行了分析比较。最后,搭建了多轴差分吸收光扫描系统平台,进行了外场试验。数值模拟的结果显示:MAX-DOAS层析技术能精确的重建出烟羽模型的二维空间分布,四光源光路的重建误差约是双光源光路重建误差的三分之一,四光源重建时间约是双光源重建时间的四分之一,且双峰模型的重建误差大于单峰模型的重建误差。外场试验的结果显示:重建图像的积分数据与多轴差分吸收光谱测得的投影数据是一致的,说明重建出的烟羽空间分布符合实际情况。研究表明,数值模拟的结果与外场试验的结果具有一致性。     

基于主动差分吸收光谱系统获取大气颗粒物光学特性研究

以主动差分吸收光谱遥感技术为基础,在干净大气环境条件下,结合参考光路设计技术,开展了获取近地面气溶胶颗粒物的光谱新方法研究.针对以宽带氙弧灯为光源的主动差分吸收光谱系统固有宽波段特性,建立了解析颗粒物光学厚度模型,获取了大气颗粒物光学特性.最后通过外场实验,获得测量期间气溶胶颗粒物光学厚度,然后采用对数线性回归获取Angstrom波长指数和混浊系数,以及大气能见度数据.主动差分吸收光谱系统用测量光程范围内的大气总的吸收特性,获得监测区域的颗粒物平均水平,更具有代表性和进一步应用价值.     

利用DOAS技术同时反演气溶胶和大气痕量气体方法研究

针对我国大气污染严重和气溶胶多的特点,文章开展基于差分吸收光谱(DOAS)同时反演大气痕量气体和气溶胶特性方法研究。从DOAS系统获得的总大气消光信息中,解析多种痕量气体浓度的同时,获得大气气溶胶质粒导致的光谱消光;并基于气溶胶消光信息,通过查表法反演气溶胶的平均直径、总个数和总比表面积等物理特性。实验结果表明该方法可以在获取痕量气体浓度同时,并能精确反演气溶胶物理特性。     

差分吸收光谱法监测NO2浓度技术研究

差分吸收光谱(DOAS)是利用气体分子对光谱具有特殊吸收这一特性来测量气体浓度的一种测量技术.本文介绍了DOAS法的基本测量原理,分析了DOAS的数据处理方法,并用DOAS法进行了不同情况时NO2气体浓度测量的实验研究.     

Determination of aerosol extinction coefficient and mass extinction efficiency by DOAS with a flashlight source

With the method of differential optical absorption spectroscopy （DOAS）, average concentrations of aerosol particles along light path were measured with a flashlight source in Chiba area during the period of one month. The optical thickness at 550 nm is compared with the concentration of ground-measured suspended particulate matter （SPM）. Good correlations are found between the DOAS and SPM data, leading to the determination of the aerosol mass extinction efficiency （MEE） to be possible in the lower troposphere. The average MEE value is about 7.6m^2.g^-1 , and the parameter exhibits a good correlation with the particle size as determined from the wavelength dependence of the DOAS signal intensity.     

获取大气颗粒物消光系数的差分吸收光谱法研究

针对雾霾天气日益增多,大气污染气体向颗粒物的转化在加快,研究了一种大范围对其监测的差分吸收光谱方法。差分吸收光谱法可以实时、在线、准确同时获取颗粒物光学特性和大气痕量气体浓度。论文首先分析了双光路差分吸收光学遥感系统获取颗粒物绝对光强的原理,然后研究了基于单光路测量大气吸收谱,在干净天气状况下测量参考光谱,利用能见度数据,在550nm波段处实现系统校准,计算校准参数,从而获得大气绝对吸收光强,然后解析出大气总的消光系数。再从总的大气消光系数中,去除瑞利散射以及大气痕量气体吸收对消光系数影响后,精确解析出颗粒物消光系数。同时基于差分思想获取大气痕量气体的浓度。最后把该方法应用于外场实验,获取大气颗粒物在350~700nm波段范围内消光系数和大气中NO2的浓度。研究结果表明颗粒物消光系数的随着波长的增加而减少,符合Angstrom公式。该研究为分析大气气相/粒子非均相化学反应提供有力的技术支持。     

差分吸收光谱技术监测气溶胶光学厚度及大气能见度的研究

介绍了一种基于闪烁氙灯光源、利用差分光谱吸收(DOAS)技术监测大气气溶胶的新方法。提出用大气能见度确定系统校正参量的可行做法,解决了差分光谱吸收探测气溶胶领域原始光强难以测量的难题。并对350~650 nm范围内的气溶胶光学厚度进行反演,通过与多道太阳光度计的对比证实方法的可行性,实验中发现气溶胶光学厚度与悬浮颗粒物(SPM)浓度具有很好的相关性。同时,利用气溶胶550 nm处的消光系数确定大气能见度。     

基于后向散射的高浓度纳米颗粒粒度分布测量方法研究

传统的动态光散射法通常采集侧向散射进行纳米颗粒粒度分布的测量,由于多次散射的影响,利用侧向散射不能准确测量高浓度样品的颗粒粒度分布。针对该问题,对后向散射测量方法进行了研究,在实验基础上提出了后向散射最佳光程的判断准则。在不同样品浓度下,用侧向散射和后向散射方法对标称粒径分别为110 nm、220 nm的聚苯乙烯乳胶球颗粒进行了测量。实验结果表明,对于高浓度的待测样品,后向散射测量方法通过自适应调整光程,在最优光程处进行测量,能够有效得到高浓度纳米颗粒的粒径及粒度分布,测量结果相对误差为2.72%。     

机载成像差分吸收光谱技术测量区域NO2二维分布研究

本文主要介绍了一种快速测量区域大气痕量气体二维分布的方法——机载成像差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)技术. 该技术基于成像光谱仪, 利用DOAS算法, 对痕量气体大范围分布快速扫描成像, 可实现污染源扩散趋势的可视化观测, 应用于污染源定位、污染源排放率监测、污染物传输演化等研究. 文中详细介绍了研制的机载成像DOAS系统, 并利用该系统开展飞行实验, 快速获取了飞行轨迹上空的NO₂浓度分布. 实验中针对重点关注区域进行扫描测量, 成功获取了高分辨率的NO₂二维分布图, 分析了污染扩散趋势, 并结合风场数据, 估算污染点源的NO₂排放率为1570 kg/h.     

Pulsed differential optical absorption spectroscopy applied to air pollution measurement in urban troposphere

Differential optical absorption spectroscopy (DOAS) is useful for various types of trace gas measurements in the lower troposphere. In this paper, we report the DOAS measurement conducted in Chiba, Japan during 2009 and 2010. An optical path length of 5.5 km is employed to measure the average concentration of NO₂ using a xenon aviation obstruction light that flashes every 1.5 s. By virtue of the high stability of the light source intensity, the intensity measurement enables the retrieval of aerosol extinction coefficient averaged over the optical path. The results are compared with the concurrent results of ground sampling and sunphotometer measurements.     

被动差分吸收光谱法测量区域内污染气体排放通量的方法研究

研究了一种基于被动差分吸收光谱技术(difTerential optical absorption spectroscopy,DOAS)测量区域(如工业区,城市)内SO2等大气污染气体排放通量的光学遥测方法.采用安装在汽车上的被动DOAS系统围绕区域进行扫描测量,通过被动DOAS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污染气体柱密度,再结合测量时段的气象(风场)信息获得该区域内污染气体对外的净排放通量.文章着重描述了获得污染气体柱密度的差分吸收光谱方法以及区域内污染气体净排放通量的计算方法,并构建了车载被动DOAS系统对北京市五环路以内区域的SO2和NO2排放进行外场测量,测得了该区域内SO2和NO2净排放通量分别为1.13×10 4和9.3×10.kg·h-1实验结果表明这种基于被动DOAS的光学遥测方法能够用于区域内污染气体排放通量的快速测量.     

开放光路差分吸收光谱技术测量城市大气氨的研究

氨在大气酸沉降和气溶胶二次来源中扮演了重要角色。城市大气NH3的测量对于研究NH3的大气化学显得尤为必要。该文研究了差分吸收光谱技术应用于大气NH3测量时的影响因素;根据NH3在短波紫外的吸收光谱特征,确定了NH3浓度的反演波段和干扰扣除方法。估算了应用于NH3测量的开放光路DOAS系统在228m光程下的探测下限为0.27μg.m-3,并在广州市城区开展了大气NH3的外场测量,NH3表现出明显的日变化规律,白天浓度较低,夜间浓度高。测量阶段中NH3最小值和最大值分别为0.83和3.11μg.m-3,平均浓度约为1.59μg.m-3。该系统的测量精度在10%以内,对测量误差来源进行了分析。     

PbSe量子点荧光匹配气体吸收光谱方法研究

PbSe量子点(PbSe-QDs)是红外波段的典型纳米材料,其具有大的玻尔半径、小的体材料禁带宽度(玻尔半径是46nm,体材料禁带宽度是0.28eV),因此,在近红外区域,PbSe-QDs具有强大的尺寸受限效应和较高的量子产出率。本文对不同尺寸的PbSe量子点的荧光光谱特性进行了研究,提出了一种通过调节PbSe量子点的量子尺寸匹配气体吸收光谱的方法。采用配位溶剂的方法制备了尺寸为4.6和6.1nm的PbSe量子点,将该PbSe量子点沉积到GaN发光芯片上并经过紫外光照处理和固化后制成了光致发光的近红外光源,其中4.6nm的PbSe-QDs的沉积厚度为671.5μm,而6.1nm的PbSe-QDs的沉积厚度为48μm。将制成的近红外光源应用到C2H2气体和NH3气体的检测实验中,实验结果表明,通过改变PbSe量子点的尺寸可以调节光源光致发光峰的位置,从而覆盖目标气体在近红外波段的吸收谱线。4.6nm的光源发射光谱包含了1 500~1 550nm之间的C2H2气体的全部的吸收谱;6.1nm的光源发射光谱包含了1 900~2 060nm之间的NH3气体的全部的吸收谱。这种利用PbSe量子点尺寸的可调性匹配对应气体吸收谱的方法是可行和有效的,具有广阔的应用前景。