基于近红外差分吸收光谱技术的大气中水汽柱浓度反演

基于近红外被动差分吸收光谱技术(IR-DOAS)反演了大气中水汽柱浓度。从Hitran数据库中获取高分辨率截面,利用Voigt线型进行不同温压条件下的线性展宽,获得不同反演吸收截面。以仰角为90°的光谱作为参考谱,对光谱进行反演,获取垂直柱浓度。通过与太阳光度计(CE-318)进行对比发现,结果具有很好的趋势一致性,线性相关系数为0.99,且IR-DOAS的反演值与CE-318结果的差值在IR-DOAS反演误差范围内。将其应用于水汽斜柱浓度的空间分布获取发现,垂直方向水汽斜柱浓度随仰角的变化呈梯度变化,水平方向水汽斜柱浓度随观测方位角的变化几乎不变,分布均匀。     

强场方程解的边界完备性与高次谐波平台

使用二阶对称分拆光谱方法和一维短程势原子模型对强光辐照下原子的高次谐波谱进行了重新计算, 第一次实现了强场方程解的边界完备性, 从而获得了更为清晰的谐波谱和展宽的谐波平台.     

水体高光谱反演混合光谱空间信息分解模型研究

水体高光谱中的混合效应问题是水体定量遥感中的难点。已有研究表明,仅依赖标量光谱信息难以解决复杂的水体混合光谱问题。广域水体污染物除光谱信息之外,还具有明显的空间分布特性。充分利用其空间维信息,可以作为遥感光谱维信息的有益补充,有利于水体复杂光谱的解混。以巢湖为例,HJ-1A HSI高光谱数据为数据源,辅以水面光谱测量数据,在空间地统计学和遗传算法理论基础上,利用地统计学中的变异函数模拟相邻空间两像元的分布差异,将邻域像元空间变异函数作为遗传算法目标函数的约束条件,建立基于协同克里格遗传算法的湖泊水体高光谱反演混合光谱空间信息分解模型,并对悬浮物浓度反演结果进行检验。结果显示,与常规混合光谱分解模型相比,混合光谱空间信息分解模型对悬浮物浓度的预测值与实测值相关系数为0.82,均方根误差9.25 mg·L-1,相关系数提高了8.9%,均方根误差下降了2.78 mg·L-1,表明该模型对悬浮物浓度具有较强的预测能力。该方法将水体的空间信息与光谱信息有效结合,可以避免水色参数光谱信号弱导致反演结果失真,同时由于高光谱波段多、信息量大,带来信息提取计算量大而复杂等问题,也为复杂水体混合光谱模型的求解和模型反演精度的提高提供了有效途径。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。     

基于Voigt函数拟合的离子激发发光光谱分峰方法

离子激发发光(IBIL)分析作为一种实时原位的光谱分析技术,由于其对样品内部结构的敏感性,给我们分析样品光谱谱峰信息带来了一定的困难。为了准确地对离子激发发光能谱进行分峰以便更加清晰地判断材料内部不同缺陷的发光中心,提出了一种利用Voigt函数,通过L-M（levenberg-marquardt）非线性最小二乘算法对100和200 K温度时ZnO的IBIL能谱中深能级发射（DBE）峰进行分峰的方法。通过对比Gauss函数和Voigt函数对能谱拟合后峰位随注量的波动情况,发现使用Voigt函数拟合得到的峰位更加稳定,并且收敛速度更快。同时通过对使用Voigt函数拟合后得到的峰中心位于1.75, 1.95和2.10 eV三个子峰的高斯函数半高宽与洛伦兹函数半高宽比较,发现洛伦兹函数半高宽约为高斯函数半高宽的1/10,而且100 K时的1.95 eV峰,200 K时1.75和1.95 eV峰,其洛伦兹峰半高宽数值为10-10量级以下,说明其中非均匀展宽（高斯展宽）仍然是谱峰展宽的主要机制;而电子与声子散射作用是洛伦兹展宽的主要机制。对于涉及导带中大量电子的2.10 eV子峰,其在200 K时洛伦兹函数半高宽明显大于100 K时,由于在温度较高时,由于晶格热振动加剧,且电子热运动加强,增大了散射概率,导致电子与声子的散射作用加强,从而对洛伦兹谱线进一步展宽。而峰中心位于1.75 eV的红光,其主要与V_Zn相关,在100 K时其子峰的洛伦兹半高宽为0.02 eV, 但在200 K时变得极小,这可能是由于100 K时V_Zn束缚的电子或激子在200 K获得足够的热动能摆脱了V_Zn束缚,减弱了与周围的晶格的散射作用,从而使得洛伦兹展宽变得极弱。实验结果表明Voigt函数更加适用于IBIL能谱拟合分峰,这也为以后IBIL技术应用于其他材料内部结构能谱分析提供了可借鉴的依据。     

一种基于空问外差光谱技术观测的逐线积分水汽浓度反演方法

空间外差光谱技术(SHS)是一种可进行高光谱分辨率探测的光谱分析技术,其灵敏度高,可实现成像探测,特别适用于大气中痕量气体的观测.鉴于此,提出了一种在实验室理想环境下水平观测水汽的逐线积分反演算法.使用Voigt线型函数计算出所选带宽内各吸收线的吸收系数,并将半宽校正剑相应压力水平下;考虑各吸收线的线翼吸收贡献,计算出波段内的平均透过率;结合通过实测光谱得出的透过率推算水汽浓度.应用在1590～1610 cm-1波段内傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的实测数据计算不同水汽浓度的平均透过率,并与相应的应用Modtran计算的结果相比较,最终验证了算法的可行性.     

红外差分光学吸收光谱技术测量环境大气中的水汽

研究了基于红外差分光学吸收光谱技术的环境大气中的水汽测量方法. 所用实验装置由自制的非分散红外多组分气体分析仪改装而成, 根据HITRAN数据库提供的线强参数,采用Voigt展宽线型和方法,并考虑温度、 气压及仪器函数的影响,计算出了水汽反演波段的有效吸收截面. 将反演的水汽浓度与非分散红外分析仪的测量结果进行了实时对比, 得到了较好的测量一致性,测量相关系数为0.93347. 为今后采用红外DOAS技术测量其他在紫外可见波段无吸收或仅有弱吸收的气体 (如CO₂, CH₄, CO, N₂O等)提供了可借鉴的解决方案.     

差分吸收光谱技术在工业污染源烟气排放监测中的应用

研究了差分吸收光谱技术在工业污染源烟气排放监测中的应用及实现.借助于独立的采样和前处理系统去除烟尘和水汽对光谱拟合的影响.为避免高浓度的SO2在常温下发生光解.将经前处理后的烟气加热至150℃进行测量.采用Voigt线型对SO2,NO,NO2在185-235 nm波段的吸收截面进行了展宽,获得了高温气体的标准吸收截面,并与归一化的光谱仪仪器函数进行卷积得到了光谱拟合所需的有效吸收截面.将反演结果与非分散红外分析仪的测量结果进行了实时对比,获得了较好的一致性,验证了差分吸收光谱方法高准确度测量工业污染源烟气排放的可行性.     

光腔衰荡光谱仪测量甲烷2ν_3带R1支光谱线型参数

甲烷是重要的温室气体,其在近红外具有丰富的强吸收谱带。本论文专注于甲烷的2ν_3带R1支,利用自行搭建的光腔衰荡光谱仪,测量了293.15K下甲烷(缓冲气:O_2)在30~760Torr范围内的7个线性吸收光谱,采用多光谱拟合技术对不同压力的光谱同时进行分析,比较讨论了Voigt Profile(VP),Rautian Profile(RP),Speed-dependent Voigt Profile(SDVP),Speed-dependent Rautian Profile(SDRP),HartmannTran Profile(HTP)线型对该吸收谱线的轮廓描述效果,获得了R1F1谱线的位置及展宽参数。实验表明,在该实验条件下,SDRP和HTP线型对R1光谱的拟合残差最小,最大拟合残差小于0.4%。     

夫琅和费衍射颗粒粒度测量中的改进Chin-Shifrin反演算法

在基于线阵CCD的夫琅和费衍射颗粒粒度测量中,采用Chin-Shifrin积分变换反演算法使得反演的粒度分布出现假峰现象.为解决此问题,提出在该Chin-Shifrin积分变换反演算法中引入矩形窗函数,并在分析颗粒粒径与衍射光强导数最小值之间关系的基础上,确定矩形窗函数中心点位置及左右边界,利用该矩形窗函数对粒度分布进行截断处理,消除虚假峰,提高反演颗粒粒度分布的准确性.分别对两种标准颗粒进行了测量,并对不同算法的反演结果进行了对比.实验结果表明:引入矩形窗函数的改进Chin-Shifrin算法,能够有效排除粒度分布中的多假峰;粒度分布测量相对误差小于3%,重复性小于4%.     

Voigt线型函数及其最大值的研究

研究了多普勒和洛伦兹线型函数卷积形式的Voigt线型函数, 给出了它的最大值.结果表明, Voigt线型函数是关于中心频率的对称函数, Voigt线型函数的最大值由多普勒和洛伦兹线型函数的半宽度决定, 与中心频率无关, 且比洛伦兹和多普勒线型函数的最大值都小.提出了利用Voigt线型函数最大值和半宽度获得多普勒线型函数和洛伦兹线型函数的方法, 并利用Monte Carlo方法进行了验证. 关键词： Voigt线型函数 半宽度 最大值 傅里叶变换     

Correcting measured line half-widths

A method is presented for correcting measured line half-widths for the error introduced by imprecise location of the 100% transmittance line. The method assumes a line shape—Lorentz or Voigt—and requires as input the measured central transmittance, the measured half-width, and the distance from line center to the assumed location of 100% transmittance.     

Signal processing of double-beam and double-scattering laser Doppler velocimeter

The common method of laser Doppler velocimeter (LDV) signal processing is fast Fourier transform (FFT). Because of the restraint of spectral interference, fence effect and spectrum leakage, the precision of FFT is not high. In order to improve the accuracy of double-beam and double-scattering laser Doppler velocimeter signal processing, an algorithm based on spectral refinement and interpolation is put forward. First, high-pass filter is adopted to remove the baseplate of LDV signal. Second, FFT is adopted to get the estimate of Doppler frequency and then Zoom-FFT is used to refine the local range of Doppler frequency. Third, four-term fifth derivative Nuttall windowed interpolation is used to correct the refined spectrum. Then the accurate estimate of Doppler frequency can be obtained. Simulations and experiments based on the LDV system built in laboratory show that Zoom-FFT can improve the resolution of spectrum and four-term fifth derivative Nuttall windowed interpolation can further increase the precision of signal processing.     

Voigt lineshape function as a solution of the parabolic partial differential equation

The goal of this paper is to show that the Voigt function may be found as a solution of a parabolic partial differential equation, like the heat conduction equation or other diffusion equations. A square of the Gaussian half-width of the Voigt function plays the role of ‘time’ and initial conditions are determined by a Lorentz function. Some questions concerning the practical application of the numerical grid methods for the calculation of the Voigt function are discussed. It is shown, that in some cases the offered calculation algorithm can be both faster and more accurate than other known algorithms.     

Integrated absorption of a spectral line with the Voigt profile

A simple approximation has been found for the integrated absorpton of a spectral line with Voigt profile. It is expressed in terms of the integrated absorption of the Doppler and Lorentz profiles. The maximum error is 8%.     

Instrumental broadening of spectral line profiles due to discrete representation of a continuous physical quantity

It is the usual situation in spectroscopy that a continuous physical quantity, which plays the role of a spectral function argument (i.e. the abscissa of a spectrum), is sampled electronically as discrete point clouds or channels. Each channel corresponds to the midpoint of a small interval of the continuous argument. The experimentally registered value of intensity in the channel describes the averaged spectral intensity in this interval. However, an approximation of spectra by a continuous theoretical model function often assumes that the interval is small enough, and tabulation of the theoretical model function may be used without appreciable disadvantages for the fitting results. At this point, a new type of approximation error appears, such as the error of midpoint approximation to a definite integral in the rectangle method of numeric integration. This paper aims at quantitative estimation of this error in the cases of a pure Lorentz lineshape and a generalized Voigt contour. It is shown that discrete representation of continuous spectral data leads to some non-physical broadening in comparison with the tabulated model function. As a first approximation it is normal broadening. We show that even in the case of a Lorentz true lineshape we must use the tabulated Voigt function measured in channels fixed Gauss linewidth rather than a tabulated Lorentzian. Application of the results of this paper is demonstrated on Mössbauer spectra.     

Multiple-beam interferometric determination of the coherence length of spectral sources

A theoretical treatment for multiple-beam fringe visibility taking into consideration the profile of the spectral source is derived for (a) a Gaussian profile; and (b) a Lorentzian profile. A comparative study between the visibility of the two profiles is presented. Expressions for the intensity distribution for Doppler and Voigt cases are given. The fringe visibility dependence on the half-width of the spectral profile of the light illuminating the interferometer for the two cases, namely Lorentzian and Gaussian, is presented. This leads to the view that the coherence length for a Voigt profile is less than it is in the absence of Doppler or pressure broadening. Multiple-beam Fabry-Perot fringes in transmission have been utilized for the determination of the coherence length of the two spectral lines emitted from ¹⁹⁸Hg at wavelengths of 5461 Å and 4358 Å. The method for determination is based on the variation of the visibility of the recorded interference fringes with path difference.     

Voigt kinematics and electrodynamic consequences

It has been established that the kinematics of the Voigt transformation, which lacks group structure, is different from that of the Lorentz transformation, and that the apparent kinematic asymmetry of the Voigt coordinate transformations may be understood as a conformally symmetric kinematics. Phenomena such as the kinetic energy of a moving body and the Doppler effect are not quite the same under the conformal Voigt transformation as they are for the usual theory developed with respect to the Lorentz group. Yet the massenergy conservation law under the Voigt coordinate transformations and the mass-energy conservation law under the group of Lorentz transformations are identically the same.