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。     

中红外差频光源应用于实际大气水汽浓度测量

基于非线性光学效应,采用差频发生技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),在周期性极化的铌酸锂晶体(PPLN)中产生了中红外的可调谐激光源。泵浦光是一个功率为1 W、调谐范围在770到870 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器。信号光是一个功率为1 W、单频连续的Nd∶YAG激光器。当晶体的光栅周期为20 μm、温度调谐范围内在室温到200 ℃之间时,能够产生2.8 μm附近的、功率约为1～2 μW的差频光源。基于这个光源,采用直接吸收光谱方法测量了实验室大气中的水汽(001←000)吸收带的吸收光谱。依据大气中水汽分子在8.5 cm的吸收光程条件下的吸收光谱,成功地测量得到了大气中的水汽浓度。     

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱反演环境大气中的CO2垂直柱浓度

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱技术(weighting function modified differential optical absorption spectroscopy, WFM-DOAS)测量环境大气中的CO₂垂直柱浓度. 以直射太阳光测量光谱为例, 演示了WFM-DOAS算法的实现过程. 将环境大气分为50层, 借助辐射传输模拟软件SCIATRAN对各个测量光谱进行了模拟计算, 获得了最小二乘法拟合所需的目标气体CO₂及干扰气体H₂O、CH₄ 的柱权重函数和太阳归一化光谱常量. 采用WFM-DOAS方法对一整天的直射太阳光测量光谱进行了反演, 得到的反演误差均小于3%. 最后比较了两种不同DOAS算法对同一条测量光谱的反演结果, 验证了WFM-DOAS算法在红外被动气体遥感的优越性. 关键词： 环境污染监测 光学测量技术 红外光谱 温室气体     

基于中红外差频激光测量水汽分子同位素丰度

稳定同位素比值的测量在地质学、气象学和地球科学的研究中具有重要的应用价值。水汽同位素丰度的测量对理解与干旱相关的同温层大气科学具有重要的意义。水汽分子在2.7 μm附近具有较强的吸收,适宜于高灵敏度光谱的测量。文章报道了利用差频技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),将调谐范围在750～840 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器和单频连续的Nd∶YAG激光器,耦合到周期性极化铌酸锂非线性光学晶体中,产生2.5～4 μm波段的中红外可调谐激光。选择周期为20 μm的PPLN晶体,产生2.7 μm附近的中红外差频激光,利用差频产生的中红外激光光源,具有窄线宽、宽调谐等优点。结合光程为100 m的Herriott型多通吸收池,采用直接吸收光谱方法测量了实验室大气中的水汽分子同位素,得到了同位素比值R及17O,18O,D的丰度值δ,实验所测R值与国际标准具有很好的一致性。     

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.     

大气中水汽柱浓度的直射太阳光红外吸收光谱遥测研究EI北大核心CSCD

研制了一种地基傅里叶变换红外光谱遥测系统,自动记录了晴天的太阳近红外吸收光谱,从该光谱中实时获得了整层大气透射率,进而采用最优化方法从该透射率中反演出了测量站点地区大气中2011年10月17日到2013年3月6日期间的整层水汽柱浓度含量。由该地基遥感技术获得的高时间分辨率整层水汽柱浓度与太阳辐射计的测量结果相比较,两者具有较好的一致性,相关系数达92%。测量站点地区的水汽柱浓度日变化很大并且没有明显周期性,日变化的复杂特征与多种因素有关。由于大气环流、季节温度变化等因素影响,测量站点地区水汽柱浓度呈现出明显季节周期特征,夏季明显高于冬季。这些结果对于水汽探测和分析方法的研究应用具有重要意义。     

利用傅里叶变换红外光谱技术连续测量环境大气中水汽的稳定同位素

傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术可用来测量宽带红外光谱,能同时分析大气中的多种成分。描述了利用开放光路FTIR光谱技术测量环境大气中水汽的稳定同位素的新方法。以分析采集的中红外光谱为基础,在外场实验中,应用开放光程FTIR系统连续测量环境大气中水汽的稳定同位素H216 O和HD16 O,并得到大气中的氘同位素比值δD。对该测量系统,H216 O和HD16 O的测量误差分别约为0.25%和1.60%,氘同位素比值δD的测量精度约为1.32‰。详细分析了其中5天的数据,研究了环境大气中水汽的稳定同位素H216 O、HD16 O以及同位素比值δD随时间的变化规律。并采用Keeling图分析方法,研究了地表蒸散的氘同位素特征。外场实验的结果证明了所提的测量方法和开放光程FTIR系统相结合长期测量环境大气中稳定同位素的能力。     

差分光学吸收光谱(DOAS)技术在烟气SO2监测中的应用

本文将差分光学吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)技术中的浓度反演方法运用到烟气SO₂监测中.利用SO₂分子在300nm附近具有强吸收的特性,测量出烟气SO₂的吸收光谱,用DOAS方法反演出SO₂分子的浓度,消除了烟气中烟尘、水汽和其它成分的影响,使在线实时测量成为可能,在实验室内对几种SO₂分子浓度样气进行了测量和浓度反演.     

基于多轴差分吸收光谱技术测量青岛市大气水汽垂直柱浓度及垂直分布

本文研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)在可见蓝光波段(434.0—451.5 nm)对大气水汽垂直柱浓度和垂直廓线的反演方法.首先,针对水汽吸收峰较窄且较密的问题,采用和仪器狭缝函数卷积的方法获取适用于MAX-DOAS的水汽吸收参考截面,并采用修正系数法校正了水汽饱和吸收效应在此波段对反演的影响.其次,研究了非线性最优估算法痕量气体廓线反演算法(Pri AM算法)中气溶胶状态和先验廓线的线型对水汽反演结果的影响.结果表明,气溶胶线型变化对水汽廓线反演结果的影响可忽略,而高气溶胶状态会使反演结果差异变大,但均在廓线反演总误差范围内,这表明, Pri AM算法对水汽廓线反演仍具有适用性.采用该方法在青岛市鳌山区域站开展连续观测实验,并将观测的水汽垂直柱浓度结果和欧洲中期天气预报中心日均值数据对比, R²=0.93;将反演的水汽廓线近地面浓度与欧洲中期天气预报中心和怀俄明大学探空数据对比, R²分别大于0.70和0.66,结果表明了Pri AM算法对大气水汽廓线反演的准确性较高.最后,分析了青岛市水汽垂直分布特征:青岛市水汽主要分布在1...     

夜晚整层大气透过率与水汽总量同步测量

为了同步获取夜间晴空视线无云下整层大气透过率和水汽总量,将望远镜、多波段滤光片与近红外增强型CCD相结合,搭建了利用恒星辐射进行测量的研究平台.首先通过望远镜收集恒星辐射,辐射通过分波段滤光片滤光,利用CCD采集恒星图像.进一步提取拍摄图像的灰度值,采用Langley标定法计算整层大气透过率,同时利用改进的Langle...     

Cross-interference correction and simultaneous multi-gas analysis based on infrared absorption

In this paper, we present simultaneous multiple pollutant gases (CO 2 , CO, and NO) measurements by using the non-dispersive infrared (NDIR) technique. A cross-correlation correction method is proposed and used to correct the cross-interferences among the target gases. The calculation of calibration curves is based on least-square fittings with third-order polynomials, and the interference functions are approximated by linear curves. The pure absorbance of each gas is obtained by solving three simultaneous equations using the fitted interference functions. Through the interference correction, the signal created at each filter channel only depends on the absorption of the intended gas. Gas mixture samples with different concentrations of CO 2 , CO, and NO are pumped into the sample cell for analysis. The results show that the measurement error of each gas is less than 4.5%.     

单组分双分析通道红外气体检测方法研究

基于单分析通道非分散红外(non-dispersive infrared, NDIR)气体分析技术, 提出一种单组分双分析通道气体检测方法. 根据SO₂的红外吸收特征, 采用逐线积分气体吸收模型和方法, 选择洛伦兹展宽线型并考虑温度和气压对积分线强、线型的影响, 确定了两个分析通道的滤波参数.使用7.32 μm和4 μm波段分别反演小于等于 280 ppm与大于280 ppm的SO₂浓度;使用最小二乘法, 以三阶多项式为拟合模型, 获得了两个分析通道的定标曲线.对系统的测量线性度、检测限和测量准确度进行了分析. 两个分析通道的联合可以实现约几ppm至10000 ppm的宽动态范围的SO₂测量, 且系统测量线性度大于0.99, 测量误差小于5%.既克服了NDIR气体分析技术检测灵敏度和宽动态测量范围不能同时兼顾的缺陷, 良好的系统测量线性度还为多组分气体分析的干扰修正提供了非常必要的前提条件.     

Measurements of atmospheric NO_3 radicals in Hefei using LED-based long path differential optical absorption spectroscopy

NO_3 radicals accumulate during the night, thereby being the most critical night oxidant. Owing to the low concentration and dramatic variation, the detection of atmospheric NO_3 radicals is still challenging. In this paper, an LED-based Long Path Differential Optical Absorption Spectroscopy(LPDOAS) instrument is developed for measuring the atmospheric NO_3 radicals. This instrument is composed of a Schmidt–Cassegrain telescope, a combined emitting and receiving fiber,and a red LED equipped with a thermostat, and has a center wavelength of 660 nm, covering the NO_3 strongest absorption peak(662 nm). The influence of LED temperature fluctuations is discussed. The temperature of the LED lamp with a home-made thermostat is tested, showing a stability of ±0.1℃. The principle and fitting analyses of LED-LPDOAS are presented. A retrieval example and a time series of NO_3 radical concentrations with good continuity for one night are shown. The detection limit of NO_3 for 2.6-km optical path is about 10 ppt.     

用吸收光谱法测量COIL的水汽含量

分析了利用吸收光谱法测量氧碘化学激光器的水汽含量的原理,在氯气流量为0.1 mol/s的N2-COIL上进行了测试实验。实验结果显示,在常规工作条件下,由于BHP温度变化所引起的水汽百分含量变化仅为0.1%,可以忽略;水汽含量随稀释气体流量增大而增加,气体流速是引起水汽含量变化的主要原因,实验中应把氯气和氧气的比例控制在4∶1之内。     

超光谱成像差分吸收光谱技术研究

基于散射光的被动差分吸收(DOAS)技术利用气体的特性吸收谱线可实现对不同大气污染气体的定量测量,介绍了一种基于成像光谱仪的光学遥感系统,该系统运用被动DOAS原理实现了对大气污染气体的二维成像测量,并报道了该系统对实验室样品池一维测量与城市道路上方NO₂组分的成像测量实验. 基于成像光谱仪的被动DOAS系统利用太阳散射光可获取垂直方向一维的光谱信息,结合扫描装置,便可实现对污染气体的二维成像解析. 关键词： 被动差分吸收光谱 成像光谱仪 污染气体 二维成像     

用光学差分吸收光谱监测大气中污染气体浓度

在实验室内模拟测量了实际大气中污染气体的差分吸收光谱 (DOAS) .本文在介绍差分吸收光谱技术同时 ,分析计算了污染气体的浓度 .实验设计中被测气体为大气中的 2种主要污染气体 :工业锅炉的主要排放物SO2 和机动车尾气的主要成分NO .用氘灯作为光源测量其在紫外波段的特征吸收 ,并通过光纤束连接光栅光谱仪 ,由计算机自动采集和处理数据 .     

On the anomalies in submillimeter absorption spectrum of atmospheric water vapor

Using a tunable source of monochromatic radiation (BWO) and a pneumatic detector, the field and laboratory investigations have been performed to obtain spectral distribution of atmospheric water vapor absorption coefficient in transparent windows centered at the wavelengths of 0.88 and 0.73 mm.The measurements have not found any spectral features mentioned repeatedly in the literature, besides the usually observed excess of the measured absorption above the calculated one for water vapor monomers.     

光纤模式混合器在差分吸收光谱系统中的应用研究

差分吸收光谱技术(DOAS)已经发展为监测对流层痕量气体的重要技术，一般采用光电倍增管(PMT)作为探测器.由于光电二极管阵列(PDA)在多道探测及像元灵敏性方面的优势，采用PDA代替扫描探测装置将能改善系统剩余噪声，提高系统性能.但实际应用中由于使用收发一体Cassegrain望远镜造成灯谱与大气谱结构不统一，在消除PDA像元间差异的过程中给系统带来误差，从而导致剩余噪声的标准偏差达到1.4×10^-3.根据光纤扰模原理在系统中加入自制光纤模式混合器很好的解决了上述难题，在实际应用中起到良好的作用，系统剩余噪声的标准偏差为3.4×10^-4. 关键词： 差分吸收光谱 扰模 模式混合器 剩余噪声