基于OP/FTIR和反射转镜式干涉光谱仪的大气CO2浓度测量

对地球大气温室气体进行高精度的探测,是当今数值天气预报和气候与大气环境变化监测的发展需求。利用OP/FTIR测量法,将一台国内率先自行研制的中波红外反射转镜式干涉光谱仪,首次成功地用于地表大气CO2红外吸收光谱的测量。该反射转镜式干涉光谱仪的工作谱段为2 100~3 150cm-1,光谱分辨率为2cm-1。设计了大气成分探测方法,建立了大气浓度参数反演数理依据和定量分析算法。采用基于比尔定律的直接法和基于HITRAN数据库及仪器函数的仿真拟合法,建立了反演模型,并对CO2分子的浓度进行了反演。根据观测和模型分析,CO2的浓度反演结果在300~370ppm,呈现出随自然环境变化先缓慢降低再快速升高的趋势,并在下午至傍晚之间达到低值;同时,随时间的变化,用直接法计算的CO2浓度和用拟合法的仿真值表现出了良好的一致性,所有测量数据之间的相关性高达99.79%,相对误差不超过2.00%,达到了较高的反演精度。结果表明,在遥感测量大气成分方面,基于红外反射转镜式干涉光谱仪的OP/FTIR法是可行且有效的技术手段,直接法或拟合法皆可实现高精度的浓度反演。     

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%。     

CO_2反演中大气散射影响的光程校正方法

CO2作为影响气候变化最重要的温室气体,其反演精度达到1%是气候研究的基本要求。在反演中解决大气散射的影响,是提高CO2反演精度的关键问题之一。温室气体观测卫星为了实现高光谱分辨率,其光谱带宽通常较窄。高光谱分辨率对CO2浓度变化敏感,而窄带宽在采用传统差分吸收光谱(DOAS)法以快慢变分离的方式处理散射时难以保证反演精度。针对我国高光谱卫星CO2反演算法的开发需求,从光程的角度研究了散射对CO2反演的影响,并与传统DOAS方法在沙漠和草地两种区域进行了对比。结果显示相对于传统DOAS方法,该方法在沙漠和草地区域的应用均使CO2的反演精度得到提高,达到或接近1%的精度需求,反演结果的相关性和数据离散度也得到改善,这表明该方法能有效降低大气散射对CO2反演的影响。     

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。     

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。     

机器学习的IBBCEAS光谱反演波段优化

非相干宽带腔增强吸收光谱技术（IBBCEAS）利用高精密谐振腔增强吸收光程,实现对痕量气体的高灵敏探测。目前,IBBCEAS技术主要采用发光二极管（LED）作为非相干光源。当谐振腔镜片反射率曲线与带宽有限的LED辐射谱不能很好匹配时,光谱反演波段选择不当可能会对被测气体浓度拟合结果产生较大偏差。以定量探测大气NO₂浓度为例,分析了IBBCEAS光谱反演波段对NO₂拟合结果的影响,发现当反演波段宽度窄到一定程度后,NO₂浓度拟合相对误差会迅速增加。为此,提出了一种基于RBF神经网络结合遗传算法的机器学习IBBCEAS光谱反演波段优化方法,以使浓度拟合误差达到最小。在430～480 nm待选波段内,选择各种宽度和中心波长的子波段作为反演波段,分别进行NO₂浓度拟合,以此获得435个样本数据,并将样本数据按照4∶1比例分成学习样本和测试样本,分别用于RBF神经网络学习训练和测试,得到输入参数“反演波段的起始波长与截止波长”与输出参数“浓度拟合相对误差”之间的非线性映射关系。使用遗传算法搜索最优反演波段,将反演波段的起始波长和截止波长组合进行个体编码,随机产生若干个体形成种群。以RBF神经网络的输出（即浓度拟合相对误差）作为个体适应度,经过多代种群进化过程后,获得适应度最优个体,即获得最优反演波段。在种群规模为100个体,种群进化最大代数为100的情况下,当种群进化第61代时,最优个体出现,对应的最优适应度为3.584%,最优反演波段为445.78～479.44 nm。选择相同带宽的其他4个典型反演波段,与最优反演波段下的NO₂拟合结果进行了对比。结果显示,在最优反演波段下,无论是拟合误差、相对拟合误差还是拟合残差标准偏差,均低于其他4个反演波段,光谱拟合质量达到最优。结果表明,利用机器学习来确定IBBCEAS最优反演波段是可行的。     

SOF-FTIR在化工厂区氨气排放通量测量中的应用

介绍了一种化工厂区污染气体排放通量实时监测的新方法,即太阳掩星法傅里叶变换红外光谱技术(SOF-FTIR),提出了复杂条件下的背景谱、测量谱和污染区域周边大气透过率谱获取模型。通过对欲监测的污染源区域周边做闭合环路连续测量以获得测量光谱,最终应用非线性最小二乘拟合算法对污染源区域污染气体的柱浓度信息进行反演,并结合实验时气象参数以及GPS信息得到该区域污染气体的排放通量。运用此方法实际遥测了某化工厂区氨气的排放情况,并对氨气气体浓度分布及排放通量进行了定量分析。相对于传统的FTIR监测方法,该方法操作简单、机动性强,在污染气体区域监测以及其他污染源污染排放应急监测等应用领域具有良好的应用前景。     

一种单光谱吸收积分吸光度快速计算方法及应用

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种痕量气体精确检测的方法,已广泛应用于生活生产之中,该方法可通过积分吸光度与气体浓度的线性关系准确反演待测气体的浓度。环境变化和系统噪声等易造成吸光度曲线发生变形,故需对吸光度曲线进行非线性拟合,将其回归至Voigt模型。设计并搭建了基于TDLAS的CO实时在线监测系统,在此平台基础上,提出了一种三角替代Voigt线型单光谱积分吸光度的快速计算方法,并与高斯-埃尔米特方法进行比较。结果表明:三角替代方法浓度反演精度仅下降0.11%,平均计算耗时缩短84.19%;三角替代Voigt线型拟合方法以极小的精度损失,大幅提高了线型拟合的运算速度。     

调制噪声下激光检测气体吸收光谱信号处理研究

为减小调制噪声背景的干扰,提出了直接吸收光谱激光检测气体浓度反演的三级卷积降噪信号处理方法.以谱线6 612.939cm-1附近氨气分子吸收为例,分析了该降噪方法对氨气浓度反演的有效性.实验结果表明,经三级卷积降噪后的氨气原始吸收谱线信号整体均方根误差由初始8.53降至1.01,基线扣除归一化得到的氨气光谱吸收率谱线信噪比提高3.3倍;连续5次测量浓度5%标准氨气,反演浓度值平均偏差为0.0743%,相对标准偏差为1.4%,优于原始吸收谱线信号的小波降噪和不降噪处理反演值.采用三级卷积降噪方法预处理原始吸收谱线信号,提高了气体浓度反演精度,可为工业过程高浓度气体激光在线检测提供参考.     

区间极限学习机结合遗传算法用于红外光谱气体浓度反演的研究

提出一种新的有效的FTIR光谱气体浓度反演的方法。 该方法将区间划分的思想用于红外光谱波长优化筛选,即将红外光谱在给定波长范围内划分为若干个子区间,在每个子区间中利用遗传算法(genetic algorithm, GA)优化后的极限学习机(extreme learning machine,ELM)建立浓度预测模型,根据每个子区间测试集均方根误差RMSE和相关系数R2的大小评价模型的泛化性能,筛选出最优子区间组合建立预测模型。 通过含干扰组分(CO₂,N₂O)的CO气体的 FTIR光谱对提出的算法进行了验证,在波段为2 140～2 220 cm-1范围内利用区间法筛选出的最优组合作为变量,应用GA-ELM建立的浓度反演模型,其决定系数R2为0.987 4,均方根误差RMSE为154.996 3,建模时间仅为0.8 s,表明该算法(Interval-GA-ELM, iGELM)的应用不仅缩短了建模时间,而且在干扰组分存在的情况下,依然可以准确筛选出特征波长,从而提高了模型稳定性和预测精度,为大气污染气体遥测分析提供了行之有效的方法。     

FTIR光谱高温气体浓度反演方法及残差结构分析

从理论和实验两方面分析了光谱线线宽随温度的变化规律.将HITRAN数据库中常温下的线强参数修正到了测量温度,进而得到合成校准光谱.将合成校准光谱和实验测得的光谱进行非线性最小二乘拟合,得到了不同温度下标准气体CO浓度.这种反演算法的浓度误差在常温下不超过5%,具有很高的精度,但随温度升高浓度误差逐渐增大.从残差光谱曲线...     

MALT-CLS方法在大气痕量气体FTIR定量分析中的应用

对MALT-CLS方法在大气痕量气体FTIR定量分析中的应用进行了研究,介绍了一些定量分析的实验,如长光程怀特池、机载被动遥测。该方法的特点是其校准光谱是采用MALT程序通过计算HITRAN数据库中吸收线参数、环境参数和仪器参数而得到。它尤其适用于无法采用样品池来产生校准光谱的长光程开放光路和以太阳、天空、地物为背景的被动FTIR测量。     

FTIR光谱法测量不同化肥的氨挥发

氨挥发是化肥损失的重要途径,同时加剧了温室气体排放和水体富营养化。限于技术和资金条件,国内外氨挥发研究主要使用静态闭路箱法、半开放法、间歇通气法、质量平衡法及风洞法。文章利用FTIR光谱法,基于HITRAN数据库采用非线性最小二乘拟合气体浓度反演算法,测量对比了不同化肥的氨挥发,并简单分析了原因。试验表明,FTIR分析技术用于化肥的氨挥发测量,是一种操作简单,分析效率高,能满足实时、连续、准确要求的测量技术,可以满足野外田间作业的需要。     

HITEMP, the high-temperature molecular spectroscopic database

A new molecular spectroscopic database for high-temperature modeling of the spectra of molecules in the gas phase is described. This database, called HITEMP, is analogous to the HITRAN database but encompasses many more bands and transitions than HITRAN for the absorbers H₂O, CO₂, CO, NO, and OH. HITEMP provides users with a powerful tool for a great many applications: astrophysics, planetary and stellar atmospheres, industrial processes, surveillance, non-local thermodynamic equilibrium problems, and investigating molecular interactions, to name a few. The sources and implementation of the spectroscopic parameters incorporated into HITEMP are discussed.     

一种气体吸收的逐线计算模型及其实验验证

建立一种高分辨率的气体吸收光谱的逐线计算模型,分子谱线参数数据库采用了最新的低温库HITRAN2008和高温库HITEMP2010,能根据温度条件自动选择合适的谱带参数库,并可同时满足高温和常温气体辐射计算。计算波数采用等间隔取样,取样间隔大小以能分辨出典型分子谱线为条件确定。线翼截断采取等波数截断,总内配分函数由Gamache拟合三次多项式计算。谱线线型根据气体温度和压力来选择,最后,利用该模型计算了压力为1atm,不同温度、浓度和路径长度下CO2在4.3μm和2.7μm的透射率。考虑FTIR仪器增宽,将逐线计算结果降为窄带透射率,与中分辨率的试验结果对比均吻合,并能在较宽的温度范围内保证精度。     

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm~(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.     

Thermal efficiency of the principal greenhouse gases

Atmospheric gases are ranked according to the efficiency with which they absorb and radiate longwave radiation.The open international HITRAN database of gaseous absorption lines of high resolution together with inverse Fourier transform were used.The autocorrelation functions of the total dipole moment of the basic greenhouse gases molecules such as H2O,CO2,O3,N2O,and CH4were obtained.Absorption coefficient spectra and emission power spectra of infrared radiation of these gases were calculated.Analysis of the emissive ability of all gases under consideration was carried out.Compared to CO2,all the gases under investigation have more effective emission except ozone.An efficiency criterion of IR absorption and emission is defined and is calculated for each studied gas,and the gases are ranked accordingly as follows(from strong to weak):H2O,CH4,CO2,N2O,and O3.     

Ground-based remote sensing of atmospheric total column CO_2 and CH_4 by direct sunlight in Hefei

Fourier transform spectrometry has played an important role in the three-dimensional greenhouse gas monitoring as the focus of attention on global warming in the past few years. In this paper, a ground-based low-resolution remote sensing system measuring the total columns of CO2 and CH4 is developed, which tracks the sun automatically and records the spectra in real-time and has the advantages of portability and low cost. A spectral inversion algorithm based on nonlinear least squares spectral fitting procedure for determining the column concentrations of these species is described. Atmospheric transmittance spectra are computed line-by-line in the forward model and observed on-line by direct solar radiation. Also, the wavelength shifts are introduced and the influence of spectral resolution is discussed. Based on this system and algorithm, the vertical columns of O2, CO2, and CH4 are calculated from total atmospheric observation transmittance spectra in Hefei, and the results show that the column averaged dry-air mole fractions of CO2 and CH4 are measured with accuracies of 3.7% and 5%, respectively. Finally, the H2O columns are compared with the results observed by solar radiometer at the same site and the calculated correlation coefficient is 0.92, which proves that this system is suitable for field campaigns and used to monitor the local greenhouse gas sources under the condition of higher accuracy, indirectly.