红外光谱差减技术扣除水汽吸收干扰的局限性

红外光谱差减技术在扣除背景组份干扰方面得到广泛应用,但其扣除空气中水汽效果却不尽如人意。研究了不同湿度的水汽光谱与光谱差减效果的关系,以探究光谱差减技术在水汽扣除领域局限性的原因。结果表明：(1)相对湿度改变,水汽的红外光谱也发生变化,不管如何小心地选择比例系数f,从相对湿度x%的水汽光谱A_x,也不能完全扣除相对湿度为y%的水汽光谱A_y,即fA_x≠A_y。(2)相对湿度改变,水分子团簇(H₂O)_n的相对组成也会发生变化,这是导致光谱差减技术局限性的主要原因。(3)将湿度为x%和y%的两水汽光谱A_x和A_y进行线性组合,则可以高度近似地模拟出介于两者之间的湿度的水汽光谱。比如用40%水汽谱和30%水汽谱,可以模拟得到32%或35%或37%的水汽谱。实验结果表明这是扣除水汽干扰效果更好的路径。(4)论证了水汽补偿湿度滴定法具有高效性的原因。     

基于仪器线型订正的开放光程FTIR测量中的水汽谱在线扣除方法

水汽吸收分布于整个中红外波段,它的存在干扰红外光谱的定量分析。文章介绍了一种从傅里叶变换红外光谱仪的测量数据中扣除水汽干扰信号的新方法。该方法首先通过气象参数测量获得气压、温度和相对湿度,结合HITRAN数据库中提供的水汽线强、自展宽、空气展宽等参数,使用逐线积分方法计算出高分辨率水汽吸收谱,再通过仪器线型订正,合成出与仪器分辨率相匹配的水汽谱,将其作为干扰组分直接从测量所得到的含有水汽的混合光谱中扣除。对开放光程FTIR系统的实测数据的分析结果表明,使用该方法可以有效消除水汽干扰,扣除后的光谱包含待测组分的吸收特征和噪声。在开放光程FTIR等无法使用干燥设备去水的观测条件下,使用该方法可以达到较理想的水汽扣除效果。     

参比样品的吸收强度与红外光谱反常吸收

红外光谱测量时,参比样品尽量选用IR透明材料或IR弱吸收材料,比如KBr窗片、CS2溶剂等。测溶液的红外光谱时,为扣除溶剂的影响,常选用溶剂作参比样品。如果溶剂有强的IR吸收峰,溶液IR谱上则会出现反常吸收现象。本文探讨了反常吸收峰与参比样品吸收强度的关系,提出了制备参比样品的原则和避免反常吸收而获得高质量红外光谱的注意事项,对复杂物质的红外光谱测量具有指导意义。     

激光外差光谱仪的仪器线型函数研究

激光外差是一种基于相干探测原理的高灵敏度光谱检测技术,因其同时具有很高的光谱分辨能力,被广泛应用于诸多研究领域.在光谱测量过程中,仪器线型函数对吸收谱线的平滑作用,会对气体浓度的反演结果产生影响.为了获取激光外差光谱仪的仪器线型函数,基于激光外差原理和信号处理过程,对影响仪器线型函数的射频滤波带宽和积分时间等参数进行了分析,获得了仪器线型函数表达式.利用自行建立的激光外差光谱仪,多次测量了3.53μm波段内水汽、甲烷的吸收谱线,分别将射频滤波频域响应函数和本文获得的仪器线型函数耦合进水汽、甲烷柱浓度的反演.结果表明,射频滤波带宽为30 MHz、积分时间分别为10 ms和100 ms时,光谱仪的实际分辨率分别约为0.005 cm~(-1)和0.025 cm~(-1);使用仪器线型函数对积分时间为100 ms时测量的数据进行反演,透过率残差平方和与甲烷吸收峰值处的残差分别减小16%和100%,提高了气体浓度反演的准确度.     

不需干燥预处理过程获得含水汽的丙酮气体样品的高质量红外光谱

测量气体样品的红外光谱时,红外光谱仪器内的水汽和气体样品中所含的水汽会严重干扰气体的红外光谱。为消除水汽的干扰,通常作法是测量前必须将水分子(气态)彻底排除掉,也就是使光谱仪器和气体样品保持干燥状态。该研究提供一个新测量方法,不需任何干燥预处理过程,直接获得含水汽的丙酮气体的红外光谱。经过几十次光谱扫描累加后,观察并根据水汽谱的吸收峰性质(吸光率>0或吸光率<0),向光谱仪样品室引入少量干燥氮气或少量潮湿空气,在接下来的光谱扫描累加过程中,水汽吸收峰将逐渐变小直至消失。实验结果表明该方法去除水汽干扰峰简单高效。新方法在0.5 cm-1光谱分辨率时效果非常好,为气体的高分辨分析提供了有力工具。     

不需干燥预处理过程获得含水汽的丙酮气体样品的高质量红外光谱（英文）

测量气体样品的红外光谱时,红外光谱仪器内的水汽和气体样品中所含的水汽会严重干扰气体的红外光谱。为消除水汽的干扰,通常作法是测量前必须将水分子(气态)彻底排除掉,也就是使光谱仪器和气体样品保持干燥状态。该研究提供一个新测量方法,不需任何干燥预处理过程,直接获得含水汽的丙酮气体的红外光谱。经过几十次光谱扫描累加后,观察并根据水汽谱的吸收峰性质(吸光率0或吸光率0),向光谱仪样品室引入少量干燥氮气或少量潮湿空气,在接下来的光谱扫描累加过程中,水汽吸收峰将逐渐变小直至消失。实验结果表明该方法去除水汽干扰峰简单高效。新方法在0.5cm-1光谱分辨率时效果非常好,为气体的高分辨分析提供了有力工具。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

基于成像光谱仪MODIS的近十年武汉水汽含量变化分析

应用中分辨率成像光谱仪近红外通道数据进行大气水汽含量反演.采用三通道比值加权平均法用于武汉地区大气水汽含量反演,将反演结果与EOS发布的水汽产品进行对比,验证了该反演算法的可信性.借助遥感影像处理软件ENVI,利用三通道比值加权平均法反演了武汉地区近十年(2001-2011)的大气水汽含量,结合武汉地区实际地理位置、气候条件和城市发展现状,分析了武汉地区大气水汽含量变化.结果表明:武汉地区大气水汽含量在秋季和冬季呈明显减少趋势.借助统计软件SPSS对中分辨率成像光谱仪反演的大气水汽含量与地面气象探测因子气压、气温和相对湿度之间做回归分析,结果表明:大气水汽含量与气温呈正相关,气压呈负相关,和相对湿度的相关性不大,但在温度一定时,两者呈正相关.     

用于水果品质检测的小型成像光谱仪

利用成像光谱可同时获得水果的成像信息和光谱信息,实现水果外部和内部品质的高精度、无损伤、无污染的大面积瞬态检测。为了获得水果的成像光谱,设计了一种以自主研发的凸面光栅作为核心元件的小型成像光谱仪,它具有成像质量好、体积小、重量轻等优点,光谱分辨率在578nm波长处达2.1nm,光谱谱线弯曲和色畸变均小于0.6%。对该小型成像光谱仪进行了检测和苹果成像光谱测量实验,结果表明:该成像光谱仪满足设计要求且可以快速的获得苹果的高精度成像光谱,从而进行水果的品质检测。     

Offner型与Dyson型长波红外成像光谱仪性能对比研究

针对传统长波红外成像光谱仪难以同时实现弱遥感信号下高信噪比和小型化的现状,在数值孔径NA为0.19和0.33,工作波段为8~12μm下,设计并对比分析了两种具有同心结构的Offner凸面光栅和Dyson凹面光栅光谱仪,借助Zemax软件,获得了它们的最优解。当NA1=0.19时,两者均能理想成像,Offner结构大小为245mm×213mm×111mm,调制传递函数(MTF)大于0.38,光谱分辨率为35nm,谱线弯曲小于4.8%,色畸变小于12.8%;Dyson结构大小为308mm×61mm×49mm,MTF大于0.48,光谱分辨率为12nm,谱线弯曲小于0.047%,色畸变小于0.138%。当NA2=0.33时,Offner结构无法理想成像,Dyson结构仍有很好的像质,大小为317mm×88mm×88mm,MTF大于0.71,光谱分辨率为1nm,谱线弯曲小于0.015%,色畸变小于0.028%。设计结果表明,长波红外波段中,相对于Offner结构,Dyson结构具有数值孔径大、体积小、光谱分辨率和传递函数高以及谱线弯曲和色畸变小的优点。     

A Method to Obtain a Good Infrared Spectrum of the Wet Acetone Gas Sample without Any Drying PretreatmentSCIEI北大核心CSCD

Water vapor in the beam of a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer or/and in a gas cell is a major source of interference in the infrared measurement of a gas sample. In general, in order to eliminate the effect of water vapor, we have to completely remove these molecules before the measurement of any spectrum. Herein, we provide an approach to collect an IR spectrum of a gas (wet acetone) sample free from water vapor interference without any drying pretreatment. After dozens of scans, the air atmosphere in the sample compartment of the FTIR spectrometer will be slightly adjusted by small amounts of dry air or wet air (room air) depending on the property of water vapor lines (absorbance> 0 or absorbance <0). Water vapor lines will then gradually disappear when the ensuing collection process is continued. The experiment results demonstrated that this method is a facile and very effective way to remove water vapor interference. Moreover, this method works still well for the measurement at 0.5 cm(-1) resolution, typically used in the gas infrared measurement.     

水汽分子对CO_2谱线加宽的影响

报道了以高分辨力连续可调谐中红外差频激光为探测光源,结合可调长光程怀特池,利用直接吸收的方法探测了CO2的10011←10002带R支以及部分P支在室温下的水汽加宽吸收光谱。在2422cm-1到2457cm-1范围内共有26条吸收谱线被探测到,采用Voigt线型对吸收谱线进行拟合,得到了CO2光谱的水汽加宽系数,结果显示CO2的水汽加宽系数平均比干燥空气的加宽系数大52%。利用实验测得的CO2的水汽加宽系数与HITRAN04数据库中CO2谱线的线位置、线强和干燥的空气加宽系数进行比较,分析了在实际大气中(海平面,10km光程)不存在水汽和存在水汽(含有2.0kPa水汽)时该波段CO2的大气透过率,结果表明潮湿空气与干燥空气之间的最大透过率差约为0.5‰。     

Absorption of electromagnetic radiation by pure water vapor at frequencies near 1.5 THz

The coefficient of absorption of pure water vapor is measured in the window of its relative transparency at wavelengths 196–205m. The measurements were carried out using an echelette vacuum spectrometer with a spectral resolution of about 0.8 cm ^–1 at a temperature of 304 K in the pressure interval from 12.5to 28.5Torr. The data obtained in combination with the results of previous spectrometric measurements of absorption in a mixture of water vapor and dry air performed in this window (at the atmospheric pressure of the mixture) indicate that the component of the absorption coefficient of the atmospheric water vapor, which depends quadratically on its partial pressure, is 26% smaller than the corresponding component of the absorption coefficient of pure water vapor. Unlike in the long-wave submillimeter transparency windows, where the discrepancy of the above components was first found, in the short-wave window centered at =200m the percentage difference in their values is approximately two times less.Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 39, No. 9, pp. 1129–1137, September, 1996.The authors thank V. Yu. Katkov for the discussion of results.This work was supported by the Russian Foundation for Fundamental Research (project 94-02-05407-a).     

相对误差最小二乘法的TDLAS气体浓度标定曲线拟合

可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）是光谱检测技术的一个分支,具有高灵敏度、高分辨率、实时监测、便携性好、小型化等优点,在工业环保、医疗检测、气象监测等领域得到了广泛应用。TDLAS气体传感器的测量精度与标定曲线密切相关,标定时,常用最小二乘法对标定曲线进行多项式拟合,但最小二乘法是以绝对误差的最小平方和作为评价标准,无法对相对误差进行约束,在低浓度量程下TDLAS气体传感器的标定曲线相对误差偏大,限制了标定量程。推导了光强透射率对数与气体浓度关系式作为目标函数,提出了基于相对误差意义下的最小二乘法,迭代方法采用高斯-牛顿迭代法（Gauss-Newton iteration method）,实验以雅士林DHS-100恒温恒湿箱来产生大量程范围的水汽标定浓度,Vaisala HMT337在线湿度检测仪的测量值作为标定浓度,自主研发的TDLAS湿度传感器选择波数为7 306.752 1 cm-1的水汽吸收峰,气室的光路长为50 mm,对1%~50%VOL的水汽浓度进行了拟合标定,对比了最小二乘法与相对误差最小二乘法的标定拟合结果。实验结果表明：采用最小二乘法拟合时,在低浓度量程下会出现较大的相对误差,高浓度量程下相对误差逐渐减小,无法保证整个大量程下测量精度要求;采用相对误差最小二乘法拟合时,在整个大量程范围下的相对误差波动比较小,相对误差分布曲线比较平稳,最大相对误差和相对误差标准差都远小于最小二乘法的拟合结果;以Ratio-C关系式作为目标函数,采用相对误差最小二乘法进行拟合标定时,最大相对误差为0.049 4,相对误差标准差为0.023 7,远优于最小二乘法的拟合结果,符合TDLAS传感器测量精度要求,验证了相对误差最小二乘法的标定算法可靠性,提高了TDLAS气体传感器的测量精度。     

Study of broadband THz time-domain spectroscopy at different relative humidity levels

Two detection techniques of broadband terahertz(THz)time-domain spectroscopy-THz air-biased coherent detection(THz-ABCD;from 0.3 to 14 THz)and electro-optical(EO)detection(from 0.3 to 7 THz)-are both performed at several different relative humidity levels.The THz power exponentially decays with the increase in relative humidity.The dynamic range of the main pulse in the time domain linearly decreases as the relative humidity increases from 0%to 40%,and linear fittings show that the slopes are-0.017 and-0.019 for THz-ABCD and EO detection,respectively.Because of the multiple reflections caused by the crystal in the common EO detection,THz-ABCD has better spectral resolution(17 GHz)than that of EO detection(170 GHz).The spectrum of water vapor absorption measured by THz-ABCD is also compared with that measured by the Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR).     

On the effect of ultraviolet radiation on water vapor absorption of submillimeter waves

The submillimeter absorption spectra of pure water vapor and a water vapor + dry air mixture are experimentally studied under the conditions of illumination of the gas sample by ultraviolet (UV) radiation. The measurements were carried out by a vacuum echelette spectrometer in the wave number range 21.5–56 cm⁻¹ with spectral resolution 0.4–0.9 cm⁻¹, using a DRT-375 mercury-vapor discharge lamp as the source of UV radiation. In contrast to the results of similar experiments performed by other researchers, the data presented here demonstrate the absence of a noticeable effect of the UV radiation on the absorption spectra of the gas samples used. Radiophysical Research Institute, Nizhny Novgorod, Russia. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 41, No. 5, pp. 581–587, May, 1998.     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。