LP-DOAS测量乙二醛时大气中干扰吸收的去除

针对利用长光程差分吸收光谱技术在实现对大气中乙二醛实时监测中,一些干扰结构（Xe灯结构,H2O、NO2和O4干扰吸收）对长光程差分吸收光谱技术的影响,讨论了乙二醛的光谱反演方法对干扰吸收的准确去除.针对Xe灯结构由于压力和多普勒展宽程度等的变化而引起的Xe灯结构的非线性变化,采用不同时刻的参考灯谱通过光谱插值的方式准确去除,其去除误差引起的剩余结构可降低到比乙二醛的最低理论检测限低3倍|针对H2O的非线性吸收以及特征吸收结构随柱浓度的不同而变化的特点,采用较高和较低浓度H2O吸收光谱插值的方法准确去除了严重干扰乙二醛准确反演的H2O的吸收结构,其去除误差引起的剩余结构可降低到比乙二醛的最低理论检测限低10倍|另外,对于在此波段存在干扰的NO2和O4的吸收结构也实现了准确地去除.干扰结构的准确去除使DOAS对乙二醛的监测实现了较低的实际检测限 (0.15 ppbv)和较低的测量误差 (~10 %).最后,在广州郊区对实际大气进行了实际监测,其浓度范围在低于检测限到1.66 ppbv之间,与文献报道的浓度范围和变化趋势十分吻合.     

基于差分光学吸收光谱法的大气甲醛和乙二醛研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱技术对上海城市大气中HCHO和CHOCHO进行高时间分辨率的测定方法。针对HCHO和CHOCHO的不同吸收结构,选择适当的光谱分析波段,扣除干扰气体的吸收,有效降低残差,得到了用于反演目标气体的光学厚度,并进一步获得2013年10月HCHO与CHOCHO的浓度变化特征。HCHO,CHOCHO平均浓度分别为(4.0±1.6)和(3.4±1.2) μg·m-3。受人为源的影响,HCHO工作日平均浓度高于假期平均浓度,而CHOCHO的浓度相差不大。两者浓度的日变化趋势相似,早晨06:00—07:00出现最大值后迅速下降,到09:00左右出现最小值后又缓慢上升,并在夜间至日出前保持相对稳定的浓度水平。为探索大气HCHO可能的来源和生成过程,选取夜间稳态阶段,早高峰阶段,光化学反应阶段和晚高峰阶段等四个典型时段对HCHO的来源进行解析。NO₂作为HCHO的一次源指示物;同时作为光化学反应的中间产物,HCHO和CHOCHO生成机理具有相似性,因此以CHOCHO作为解析HCHO的二次源指示物,利用线性回归模型来源解析结果所得HCHO浓度与实际观测值具有较好的相关性,相关系数r为0.60～0.81,分析得出上海城区二次来源对环境HCHO浓度的贡献约为三分之一。     

采用长光程差分吸收光谱技术(LP-DOAS)的中红外痕量一氧化碳检测仪

一氧化碳作为一种危险的开采排放气体,在复杂的井下环境中极易累积,对矿工生命安全造成严重威胁。介绍了一种紧凑型一氧化碳检测仪,该仪器采用激发波长为4.65μm的量子级联激光器作为光源,配合中红外碲镉汞光电探测器与光程长度12m的紧凑型多次反射气室,实现了对痕量一氧化碳气体的检测。自主设计的新型高速光电信号采集系统解决了应用商业示波器造成的信号链阻抗失配的问题。这一新系统的采样带宽为400MHz,采样频率1GSPS,垂直分辨率达到12bit,有效的提高了检测仪的灵敏度与集成度。该仪器采用长光程差分吸收光谱法,通过比较实测光谱与进行Voigt展宽的理论光谱之间的残差得出此检测仪的检测下限为108×10-9。检测仪的测量误差有非平稳,慢时变的特点。根据这一特点我们采用阿伦方差对气体检测仪检测灵敏度进行了估计,经过约40s方差曲线达到极小值,此时阿伦方差值为61×10-9。在2h的稳定性测试中,检测仪稳定度达到2.1×10-3,在长达12h的稳定性测试中,检测仪的稳定度依然可以达到1.7×10-2。此仪器具有较高的灵活性,通过更换不同激射波长的激光器可以实现对多种气体的痕量检测。     

呼吸性粉尘吸收系数的光声光谱探测

针对呼吸性粉尘浓度连续、可靠、低成本的实时检测需求,实现了光谱应用技术创新,提出了一种基于光声光谱的呼吸性粉尘探测系统,低功率二极管激光器光谱中心波长为403.56 nm及相应的NO₂有效吸收截面为5.948 5×10-19 cm2·mole-1;通过频率扫描拟合得到了1.35 kHz的谐振频率。开展了光声池结构的影响分析,得到了光声池长度参数对本底噪声影响较小但对激光信号影响较大、内径参数对本底噪声存在一定影响但对本底噪声影响较小的结论。在考虑品质因数、加工条件、使用场合和待测对象属性等影响情况下,选用120 mm的长度参数和8 mm的内径参数;基于长度为60 mm、内径为25 mm的缓冲腔结构,开展了缓冲隔板对系统稳定性的影响分析,通过在缓冲腔中设置缓冲隔板,降低了本底噪声、稳定了系统,其幅值及波动由(2.83±0.11) μv稳定为(1.26±0.03) μv。分析得到了NO₂的比吸收系数为195.28 Mm-1·(mg·m-3)-1,利用NO₂气体在405 nm处的吸收对系统进行了标定,得到了拟合斜率为0.0436 8 μv/Mm-1、相关系数为0.998、池常数为300.24 Pa·cm·W-1的结论。同时在1 min平均时间下,得到了系统探测浓度下限及吸收系数为2.30 μg·m-3和0.448 Mm-1。基于标准微球的聚苯乙烯作为气溶胶发生器对象开展了呼吸性粉尘的吸收系数影响分析,进行了5μm以下不同数浓度颗粒及同一数浓度下不同粒径颗粒吸收系数的测试,结果表明：呼吸性粉尘的吸收系数和数浓度成正比,线性拟合后的斜率为10.598±0.641 96,相关系数为0.993;吸收系数曲线的方差在3～4 Mm-1间,不同粒径的颗粒对吸收系数存在着一定的影响;随着粒径增加,吸收系数随之增加。开展了环境大气中NO₂的测量,选用0.2 μm的过滤膜滤除粉尘的干扰,实验结果表明大气NO₂浓度为16.4~61.6 μg·m-3,平均浓度为41.1 μg·m-3。为了证实测量系统的准确性,与课题组自行研发的长光程差分吸收光谱系统(LP-DOAS)进行了对比测试,测试结果显示了本光声光谱系统和LP-DOAS系统测量NO₂浓度的相关性较好,线性拟合后的斜率为1.011 78±0.040 13,相关系数为0.947 81。开展了环境大气中呼吸性粉尘的测量,选用5 μm过滤片过滤环境大气,通过“NO₂+5 μm粉尘”和“NO₂+0.2 μm粉尘”两路测量对象的差分测量,得到了呼吸性粉尘的变化趋势,可以满足自然悬浮状态下的呼吸性粉尘吸收系数实时测量。     

太阳光谱法差分光学吸收光谱(DOAS)技术测量新疆二氧化氮柱体密度(英文)

用太阳光谱法测量得到了中国新疆(38.4°-48.7°N,75.0°-89.5°E)地区以及其它一些大城市如北京(39.99°N,116.30°E)、成都(30.63°N,104.09°E)、厦门(24.44°N,118.10°E)和香港(22.34°N,114.17°E)的NO2柱体密度。新疆NO2的垂直柱体密度介于7.5×1015(卡拉库勒湖,38.44°N,75.05°E)和1.41×1017molecules/cm2(乌鲁木齐,43.81°E,87.60°E)之间。北京、成都、香港和厦门的NO2垂直柱体密度分别为8.50×1016、7.42×1016、5.62×1016和4.92×1016molecules/cm2。将新疆NO2污染程度与中国其它几个主要城市进行对比,可为反映中国西部地区工业快速发展提供参照。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器     

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.     

邯郸市大气NO_2浓度的测量与分析

NO2是大气污染的主要气体之一,其浓度的快速监测对相应地区环境改善具有重要的指导意义。本文以NO2浓度极低时的地面天顶光作为参考光谱,其它时刻天顶光作为样品光谱,利用差分吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)法,对2014年2月5日邯郸市大气中NO2浓度及其变化进行了实时监测,并分析了浓度变化的原因。本文采用的NO2浓度监测方法具有实验搭建简单、耗费较低、精度较高等优点,具备较强的实用性。     

差分吸收光谱中光源的光谱结构去除研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量,现已被广泛应用于测量大气环境中痕量污染气体的浓度,如SO2,NO2,O3,HCHO等。测量得到的大气差分吸收谱在测量波段内(300～700nm)由于存有光源(氙灯或者氘灯)光谱结构,会影响大气环境中痕量气体浓度的准确反演;在光谱数据反演时,为了避开光源光谱结构的影响,国内外对其处理通常采用分段方式反演和弥补方式反演并介绍一种新的数据处理方法:采用平移窗口均值平滑方法(moving-window average smoothing method)获得大气光谱的慢变化,然后求取氙灯光谱结构。并将获得光源光谱结构对实际测量光谱进行拟合分析,取得了较好的效果,残差为2.995×10-4,避免了选择波段过窄和对新物质探测不利的缺点。     

生物组织单光程光谱技术的理论研究

高灵敏度光谱检测技术在临床诊疗和组织光学参数测量中具有极其重要的意义。文章提出了一种差分调制激光光谱技术,将经过生物组织后的散射光与参考光的光程差转换为光谱信号的频率特征,通过相敏检测技术将不同频率的信号进行分离,从而实现生物组织散射光的光程分离。文章分析了差分调制激光光谱的机理及信号的谱特征,并基于文献中的生物组织散射光的光程分布,从理论上讨论了差拍信号的谱特征,即光源调制速率一定时,光谱信号中的主频成分位置只与散射光和参考光的光程差有关;生物组织对光信号的衰减系数会影响光谱信号中频率成分的能量强度分布。分析结果表明,差分调制激光光谱能对生物组织的光谱信号进行光程分离,从而实现生物组织的单光程光谱检测。     

差分吸收光谱法对大气中挥发性有机物光化学作用指示剂的监测与反演

差分吸收光谱技术 (DOAS)由于高时间分辨率、高灵敏度和低操作费用等特点非常适合对大气中痕量的挥发性有机物 (VOCs)的光化学作用指示剂——O₃,O_x(O₃+NO₂)和HCHO进行实时追踪。 但由于这些指示剂含量较低,测量精度易受干扰。 文章利用自行研制的差分吸收光谱系统,对VOCs的光化学作用指示剂测量方法和数据反演进行了研究,通过增加信噪比,扣除背景杂散光等手段对其进行了准确测量;针对标准吸收截面的温度效应、光谱固有结构和灯谱结构的干扰,改进了干扰的对除方法;并对不同波段反演O₃,NO2和HCHO的干扰因素,反演浓度结果和反演准确度进行了分析与对比,以合适的波段准确反演物质浓度。     

Effect of Atmospheric Interfering Absorption on Measurement of BTX by DOAS

利用差分吸收光谱技术(DOAS)研究了去除BTX(大气中芳香烃污染物的主要成分)测量中O2、O3和SO2的干扰吸收. 针对O2的非线性吸收以及特征吸收结构随柱浓度的不同而变化的特点,研究了O2吸收组成成份－各个吸收带的非同步变化,即三个Herzberg吸收带与O2二聚体吸收带间的非同步变化,以及三个Herzberg吸收带之间,O2-O2和O2-N2两种二聚体吸收带之间也存在的非同步变化;结合各个吸收带的来源与特点研究了各个吸收带在O2吸收中的比重,以及对O2吸收在大气谱中校准误差的影响,最后得出最佳去除方法并证明了光程插值去除O2吸收的可能性. 针对大气中含量较高的O3与SO2的吸收,主要研究了吸收谱主要的影响因素-温度效应对于O3和SO2吸收结构去除误差的影响,讨论了用插值方法去除O3吸收结构时应选择的最佳温度条件. 最后,通过对实际大气进行了实际监测,获得了与点式仪器GC的检测结果的较好相关性,并得到了较低的BTX的检测限,验证了该方法的可行性.     

吸收光谱法测量大气压空气介质阻挡放电的臭氧浓度

臭氧作为一种强氧化剂和杀菌剂,在污染物降解,食品加工,杀菌消毒,医疗卫生等方面有着非常广泛的应用。大气压介质阻挡放电是一种极为高效的产生臭氧的方法,利用平行平板介质阻挡放电装置,采用交流高压激励,产生了大气压空气非平衡态等离子体。通过测量其电压和发光信号,发现在电压的正、负半周期均存在着许多随机的放电脉冲,并且其脉宽均在几十到几百纳秒之间,这表明其机制是流光放电。放电的光学发射谱包含氮分子的第二正带系(C 3Π-B 3Π)和第一正带系(B 3П-A 3П),氮分子离子的第一负带系(B 2Σ-X 2Σ),以及氧原子谱线(715.7和799.5 nm)。由于流光放电在紫外区域(200~300 nm)没有明显的发射谱线,但臭氧在此区域存在吸收峰,因此可以利用此区域的紫外吸收光谱测量放电产生的臭氧浓度。吸收光谱法可以有效的监测其臭氧浓度的变化情况,其优势在于操作简单,对实验环境要求低,可在放电条件下使用,并且可以连续监测臭氧浓度变化。基于此,通过Beer-Lambert定律计算了臭氧浓度随实验参数的变化,结果发现随外加电压幅值和驱动频率的增加,臭氧浓度升高。这些结果对于大气压介质阻挡放电的工业应用具有重要价值。     

基于光谱吸收法的碱金属原子配比检测方法研究

碱金属混合物原子配比是超高灵敏惯性测量装置表头的重要参数,需精确测量。针对碱金属配比与碱金属蒸汽密度相关的特点,提出运用光深理论检测碱金属配比。结果表明：受多种因素影响,光深理论得到的碱金属蒸汽密度与饱和蒸汽压经验公式计算的结果相差3个数量级,无法保证碱金属配比的测量精度;改变数据处理方法,建立光谱吸收率与气室内部温度的映射模型,运用光谱吸收率标定碱金属气室内部温度,通过碱金属饱和蒸汽压经验公式计算气室内部碱金属原子的配比,多组数据分析表明：检测误差在10%以内。     

适用于测量大气气溶胶吸收系数的光声光谱系统的研究

外部噪声和环境温湿度变化对光声池性能的影响是光声光谱技术在实际大气气溶胶吸收测量应用中遇到的主要问题。详细分析了环境温湿度变化引起的共振频率漂移对光声信号的影响,提出了抑制流动噪声和采样泵振动噪声的方法,研制完成了一套测量大气气溶胶吸收的光声光谱系统,探测极限为1.4×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。利用NO₂气体在532 nm的吸收对光声池进行了标定,并对实际大气气溶胶的吸收特性进行了测量,结果表明光声光谱测量系统可以满足自然悬浮状态下的气溶胶吸收系数的实时测量。     

国外差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线的研究进展

水汽含量是大气最基本的物理参量之一,大气水汽垂直分布结构对于大气过程的研究十分有意义。差分吸收激光雷达可以昼夜获取高精度、高距离分辨率的大气水汽垂直分布廓线,是最有潜力的探测手段。国际上已经发展出几种类型的差分吸收激光雷达,对它们的发展路径做一梳理,理清发展脉络,具有有益的参考价值。其中,稍早时期水汽差分吸收激光雷达工作在4ν振动吸收带720～730 nm频域,以Alexandrite为主流的激光器或者Nd∶YAG/ruby固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源,光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器,代表性的仪器是法国的机载LEANDRE Ⅱ。此后发展的820 nm波段的水汽差分吸收激光雷达,以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机,以硅的雪崩二极管作为探测器,紧跟前置放大和数据的AD采集器,如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达,可以获得对流层300～4 000 m之间水汽两维或三维分布结构;德国Institutfür Meteorologie und Klimaforschung所建立的差分吸收激光雷达可以探测3～12 km高度之间大气的水汽垂直分布。720和820 nm波段水汽吸收截面较小,更适合于地基或车载的对流层水汽廓线探测。而水汽3ν振动谱935 nm区域吸收截面较大,是为了空间探测大气对流层上、平流层下相对干燥区域的水汽分布而准备的,且可以安排多个探测波长,和一个参考波长,它们对水汽的吸收截面大小呈梯度分布,以应对空间对地观测时不同高度大气水汽浓度的差别。基于种子注入的光参量振荡器或Nd∶YGG全固态激光器的935 nm差分吸收激光雷达,以德国Deutsches Zentrumfür Luft- und Raumfahrt的研究最为成功,推动了欧洲空间局立项发展空间水汽差分吸收激光雷达WALES（Water Vapour Lidar Experiment in Space）,测量从地球表面到平流层下、高垂直分辨率和高精度水汽浓度分布。机载多波长水汽差分吸收激光雷达1999年建立起来,担当空间WALES任务的模拟器,2006年完成了机载飞行试验。以823～830 nm分布布拉格反射半导体激光器和半导体光放大器为核心、采用雪崩二极管盖格光子计数技术的微脉冲差分吸收激光雷达,是差分吸收激光雷达面向商业化、可普及的方向迈出的重要一步,目前已经发展到第四代产品。发射机激光工作波长的长期稳定十分重要而棘手,以窄带连续波种子激光注入脉冲激光器的谐振腔锁定其的腔长,种子激光的波长以水汽的多通道光吸收池为参照标准,或以高精度波长计为误差获取手段,通过负反馈进行主动稳频;其次,需要仔细考虑大气对激光的后向散射光谱线型,显然Rayleigh后向散射光的多普勒展宽与水汽吸收光谱线宽度可以比拟,所以其吸收截面σ_on和σ_off必需加以修正;水汽的空间垂直分布梯度大,因此差分吸收激光雷达应该实行分通道探测。     

基于光纤光栅光谱分析的混凝土结构钢筋锈蚀监测

混凝土中钢筋发生锈蚀会严重影响混凝土结构的使用功能,文章提出了通过观察长周期光纤光栅(LPFG)的透射谱变化对混凝土结构中的钢筋锈蚀进行监测。这种方法基于长周期光纤光栅的微弯特性,利用其透射光谱随弯曲度增加逐渐变浅、谐振波长处的光功率与LPFG的弯曲度成线性这一特性,将钢筋锈蚀引起的钢筋径向膨胀转化为光栅的弯曲,通过监测光栅的光谱变化获知光栅的弯曲度进而判断钢筋的锈蚀程度,该方法对钢筋直接进行监测,简单易行,并利用光栅的光谱特性从而避免了环境温度、应变、折射率的影响,实验将光栅埋入到混凝土构件中,从已取得的实验结果来看,这种方法测量钢筋锈蚀厚度的准确度可达1.2 μm,可监测到的锈蚀厚度达3 mm,完全能够实现混凝土结构中钢筋锈蚀的早期至中期监测。     

一种新型光学多通池系统应用于烟雾箱内挥发性有机化合物探测

介绍了Chernin型多通池的原理、设计及应用,该系统稳定性好,调节简单,光程在3—330 m的范围内可调.通过对NO₂的痕量探测,验证了该系统的稳定性及可靠性,在37 m的吸收光程内,NO₂的探测极限达19.1 μg/m³.同时,利用该系统对烟雾箱内的邻、间、对-二甲苯,甲苯进行了痕量探测,在36 m的吸收光程内,探测极限分别达到42.6,15.1,9.9和19.7 μg/m³,该系统可以满足烟雾箱内挥发性有机化合物     

差分吸收光谱法测量大气痕量气体浓度误差分析及改善方法

差分吸收光谱技术(DOAS)中采用线性最小二乘拟合方法,用痕量气体标准差分吸收截面对测量得到的差分吸收光谱进行拟合,得出大气中痕量气体的浓度.计算结果的准确性不仅取决于光谱的测量精度,而且受标准差分吸收截面以及仪器函数和温度等诸多因素的影响.详细地分析了计算误差的产生原因,提出了用高浓度样品池得到标准吸收截面的方法,针对光谱固有结构,以及温度对标准吸收截面的影响,改进了浓度反演算法.大量的实验表明,综合运用上述方法,即便对低浓度的样气,相对测量误差也能降低到10%以下.