基于光谱密度的差分吸收光谱法气体测量系统的校准研究（英文）

差分吸收光谱法(DOAS)是基于朗伯比尔定律的光谱法测量气体的重要方法,按此原理建立的测量系统是测量痕量气体的主要方法。用于测量痕量气体的DOAS系统的关键是其检出限的校准,传统的方法是使用标准气体进行校准。但是由于标准气体自身的量值确定问题,在ppb甚至ppt级的不确定度大于10%,而一般的ppt级的DOAS测量系统本身的不确定度也会高于标准气体,导致传统方法失效。提出一种基于光谱密度的DOAS系统校准方法,利用朗伯比尔定律将DOAS系统的检出限和光谱密度建立关系。由于光谱密度作为光学量值可以测量到10-6甚至更高,所以通过该方法可以实现DOAS系统在ppb乃至ppt级的校准。本方法需要根据待校准的测量系统光学结构的基本参数计算其总的标准光学密度值,然后把标准光学密度片放入测量系统光程中,测得其光学密度值,根据前后两次光学密度计算测量系统的测量偏差,进而分析计算测量系统的标准不确定度和标定的扩展不确定度,所得到的标定的扩展不确定度即为测量系统的检出限。该方法完全基于光学测量,不需引入标准气体评估,基于光学密度的精密测量和测量系统光学结构的装调误差,实现测量系统在较小不确定度水平上的标定,提高检出限标定的精度。本方法在开放光程式的DOAS系统上进行了实验验证。     

降低DOAS系统探测限的新型反演算法研究

差分吸收光谱法(DOAS)是一种高灵敏测量大气痕量气体成分含量的有效的光学遥感方法,该方法基于最小二乘拟合模型,利用获得的痕量气体的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,反演待测气体的浓度.建立了基于径向基(RBF)神经网络的痕量气体浓度反演的新模型,对网络的隐层参数采用改进最近邻聚类学习算法训练,对输出层权值的训练采用梯度下降算法,使得网络收敛快,能更好地实时、在线反演测量光谱.并针对DOAS技术的特点,把拟合残差输入网络集中训练,使得RBF网络在反演真实痕量气体吸收时,效果更佳.实验结果表明该新型反演方法提高了DOAS系统的反演精度,降低了DOAS系统的探测限.     

过采样∑-ΔA/D技术在差分吸收光谱系统中的应用

差分光学吸收光谱法(DOAS)已经成为测量大气中微量气体成分含量常用的方法,该方法基于最小二乘原理,利用测量的大气光谱的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,确定待测气体的浓度。其测量精度不仅取决于光谱测量精度、仪器本身的噪声以及测量波段内其他气体的干扰等因素,还与痕量气体前期采集和处理有关。文章简介了差分吸收光谱法测量原理和仪器结构,提出过采样∑-ΔA/D技术,过采样技术与∑-Δ调制器的噪声整形技术结合,可对量化噪声进行双重抑制,从而提高待测波段内的信噪比,实验结果表明提高了DOAS系统的测量精度。     

过采样∑-△A/D技术在差分吸收光谱系统中的应用

差分光学吸收光谱法(DOAS)已经成为测量大气中微量气体成分含量常用的方法,该方法基于最小二乘原理,利用测量的大气光谱的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,确定待测气体的浓度.其测量精度不仅取决于光谱测量精度、仪器本身的噪声以及测量波段内其他气体的干扰等因素,还与痕量气体前期采集和处理有关.文章简介了差分吸收光谱法测量原理和仪器结构,提出过采样∑-△A/D技术,过采样技术与∑-△调制器的噪声整形技术结合,可对量化噪声进行双重抑制,从而提高待测波段内的信噪比,实验结果表明提高了DOAS系统的测量精度.     

基于化学发光法的高纯气体中ppb量级NOx浓度测量

高纯气体在半导体器件制作及燃料电池等行业应用广泛,但其杂质气体直接对加工精度及效果产生显著影响,因此对关键痕量杂质气体进行浓度诊断尤为必要.本文基于化学发光光谱理论和氮氧化物催化转化机理,设计了一套痕量NO/NO_x同步高精度测量系统,通过标定实验可知,该测量系统具有高线性度(R~2=0.99967)、高灵敏度、低检测下限(约25 ppt, 1 ppt=10^–12)、易操作性等优势;同时,综合考虑不同背景气体对荧光、磷光的淬灭效应,建立不同高纯气体中NOx测量方法,并利用该探测系统对实验室常用4种高纯气体(Ar, O₂, CO₂,N₂)中ppb量级的氮氧化物进行测量,结果表示CO₂中的NO含量最高,约为9 ppb (1 ppb=10^–9),其他高纯气体中的NO含量较低,仅有0—4 ppb, 4种高纯气体的NO₂含量均较低(<6 ppb);最后结合气体制备及提纯方式对高纯气体中杂质NO_x含...     

LED光源DOAS方法的夜间NO2气体浓度遥测研究

针对现有利用自然光源的被动DOAS测量方法无法实现夜间对NO₂等痕量气体进行垂直分布探测的问题,提出构建一种基于窄带光源蓝光LED技术的DOAS测量NO₂的方法,搭建了仪器系统,成功地实现了夜间对NO₂气体浓度的测量。该系统主要分为灯源发射系统和望远镜接收系统两部分,采用主波长为450nm的LED作为光源,通过望远镜采集发光束的散射光,利用光纤耦合将望远镜接收到的散射光导入光谱仪中,结合DOAS原理运用计算机进行处理。DOAS的理论基础是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律,据此原理可将数据处理过程概述如下：首先采集相对干净光谱作为背景参考谱,用实际测量大气谱除以参考谱,利用数字高通滤波去除慢变化部分,然后取对数,即可获得光学厚度;其次将仪器函数与NO₂的高分辨率截面卷积,得到与所用仪器相匹配的低分辨率吸收截面;最后将差分吸收截面与处理后的差分光学厚度相结合,运用最小二乘法拟合并结合光程L即可获得NO₂浓度值。同时可通过调节灯源光速发射角度及望远镜接收角度,测出不同位置处NO₂浓度值,进而给出NO₂气体浓度的立体分布信息。在算法确定的情况下,LED灯谱质量对仪器系统的可靠性显得尤为重要。由于LED光谱受温度及驱动电流影响较大,为了保证LED处于最佳工作状态,开展了LED光谱温度及驱动电流敏感性实验。测试结果表明,要确保采集到的光谱稳定且具有较高质量,LED工作温度应低于20 ℃,驱动电流需控制在1.5 A以内,且两者波动范围较小。实验中,LED实际工作温度为10~15 ℃,驱动电流为1.4 A,控制精度±1 mA,能够满足实验要求。为了提高LED阵列密度、获得更加集中的发光束,LED底座基板采用正六边形结构,每块正六边形基板上7只LED串联,各个基板之间并联。经计算较采用矩形结构,其空间利用率提高了8%。各基板工作电流1.4 A,最大电压23.8 V,易于扩展,维护方便。为了验证方案可行性及系统的可靠性,进行了实验室测试及外场实验。实验室采用NO₂样气浓度为1 642.86 mg·m-3, 不确定度5%。系统测量结果为1 607.54 mg·m-3, 与标定值误差为2.15%,在标定的不确定度范围以内,经计算系统检测线为0.014 3 mg·m-3(6.942 ppb),因此可认为测量结果准确。将外场实验测量结果与同时段国控站点给出的NO₂数据进行了对比,对应时间段结果偏差均在10%以内,两组数据线性拟合一致性较好,相关系数达0.967,表明该系统所测NO₂结果较准确。研究结果表明,在确保LED光源稳定的基础上,采用基于窄带光源蓝光LED的DOAS方法能够实现夜间对NO₂气体垂直分布情况测量。为大气痕量气体垂直分布测量、特别是在夜间条件下对痕量气体立体分布测量提供了一种新的思路。     

可在线校准的大气CO_2浓度光声光谱监测系统研究

Fs光声光谱系统的谐振频率和池常数通常在实验室由标准气体标定得到,但在实际应用中,由于标准气体本身的不确定度以及与被测气体成分的不同、环境温湿度的变化,使得现场测量中谐振频率和池常数与实验室标定结果有偏差,从而导致测量结果不准确。为了解决以上问题,提出了基于大气中氧气的在线校准技术,并将该技术用于检测大气中二氧化碳浓度的光声光谱系统。大气中氧气浓度恒定为20.964%,通过探测氧气在763.73nm附近的扫频信号及峰值信号,实现共振频率和池常数的在线校准。该系统中光声池为直径6mm,长度100mm的一阶纵向共振模式结构。理论上分析了环境温湿度、气体成分对光声池性能的影响,同时给出了用标准气体、室内空气和室外空气标定的谐振频率和池常数,在标定结果的基础上,测量得到室内和室外的二氧化碳浓度值。实验结果显示,与校准过的气体分析仪的测量值相比,用被测大气中的氧气标定的谐振频率和池常数计算的二氧化碳浓度更准确,相对误差小于1%,远小于实验室标准气体标定计算的浓度相对误差。创新处在于,直接利用大气中的氧气对光声池的池常数和共振频率进行在线校准,有效的减小了标准气体标定带来的误差,以及环境变化带来系统漂移,提高光声系统在线监测的准确性和可靠性。     

基于差分吸收光谱法的大气痕量气体在线检测技术

差分光学吸收光谱学技术（Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS）是近年来发展起来的一种实时检测大气中痕量气体浓度的有效方法,它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。通过介绍DOAS方法的测量原理,在线监测系统的构成,气体浓度的反演方法,测量结果及讨论等内容,说明它在空气质量监测方面的优越性。     

基于遗传算法的差分吸收光谱反演算法及实验研究

传统差分吸收光谱法(DOAS)对大气痕量气体浓度可以实现准确、快速和在线测量,它对短光程、低浓度气体存在较大的测量误差.本文在传统DOAS算法的基础上,设计了基于遗传算法的DOAS算法,并对信噪比较低的实测光谱数据进行了浓度反演.研究结果表明,该算法在短光程下对低浓度气体具有较高的测量精度,与传统DOAS方法相结合可以获得较宽的动态测量范围.     

基于气体折射率方法的真空计量

为保证测量系统的长期稳定性和复现性,真空计量将使用气体密度来表征.利用法布里-珀罗腔可实现对气体折射率的精密测量、并反演得出气体密度.这种基于光学方法的真空计量方法是将气体宏观介电常数与原子微观极化参数联系在一起,由量子标准取代目前基于水银压力计的实物标准.本文讨论了气体折射率至气体压力的反演过程,并采用激光锁定法布里-珀罗腔的方法测定稀薄氩气的折射率,讨论了相关参数对所测得气体压力不确定度的贡献.在1个大气压范围内,对氩气压力测量的标准不确定度为u=■     

基于可调谐二极管激光吸收光谱的气池光程可溯源测量

在碳中和的国际大背景下,精确可靠地定量测量大气温室气体浓度对实现碳中和目标具有重要意义,开发测量结果可直接溯源至国际单位制SI的气体分析仪是精确可靠监测温室气体浓度的重要方法。可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术是常用的气体浓度测量方法,根据比尔-朗伯定律,实现仪器的测量浓度直接溯源至SI的必要条件之一是可直接溯源的气池光程,气池光程的不确定度直接影响气体浓度的测量不确定度,对气池光程的可溯源精确测量有利于发展测量结果可直接溯源的气体分析仪。针对光程标称为81 cm的三次反射型气池光程可溯源测量需求,使用校准的米尺测量该气池光程得到的直接测量结果为(81.21±0.80) cm,较大的测量不确定度（0.80 cm）是综合考虑定位误差和三段光路与测量路径可能不重合导致的测量误差估算得到的。为了减小测量不确定度,本文搭建了TDLAS气池光程测量系统,测量系统以1 576 nm分布式反馈激光器为光源,通过在激光控制器上加载斜坡扫描电压来测量待测气池内标准高纯二氧化碳（CO₂,99.999%）在6 344.68 cm-1附近的吸收光谱,使用测量结果可直接溯源的压力传感器和温度传感器分别测量气池内的压强和气体温度,采用美国国家标准技术局最新测量得到的30012-00001跃迁带P 4e支线强（相对标准不确定度为0.15%）反演气池光程,使用二次速度依赖Voigt线型精确拟合不同气压（36~75 Torr）下的光谱吸光度信号获得对应气压的积分吸光度,全面分析各参量的测量不确定度及其传递过程,对不同气压下的积分吸光度进行线性回归分析,计算得到可直接溯源的气池光程为(81.61±0.42) cm,相对标准不确定度为0.51%,测量不确定度范围落在直接测量结果范围内,测量不确定度小于直接测量结果。本文气池的光路结构是多次反射长光程气池的简化,该系统同样适用于多次反射长光程气池光程的可溯源测量。     

煤质硫含量紫外差分吸收测量方法研究

快速准确地测定煤质硫含量,可为企业、环境监督部门提供重要的技术依据。国内外已有多种煤质硫含量分析仪器,但或多或少存在令操作人员不满意的地方。提出一种基于紫外(UV)差分吸收光谱(DOAS)的煤质硫含量测量方法。针对分子数分数测量范围宽、光程短等问题,在传统算法的基础上,提出基于有限脉冲响应(FIR)滤波和四阶多项式非线性补偿的改进DOAS算法。搭建了实验测量系统,对5种标准煤样进行了实验研究。结果表明,测量系统的下限为0.014%,能够去除烟尘和背景气体的影响,降低系统的维护量,单次测量时间在4min左右,测量系统的重复性满足国家标准的要求。     

获取大气颗粒物消光系数的差分吸收光谱法研究

针对雾霾天气日益增多,大气污染气体向颗粒物的转化在加快,研究了一种大范围对其监测的差分吸收光谱方法。差分吸收光谱法可以实时、在线、准确同时获取颗粒物光学特性和大气痕量气体浓度。论文首先分析了双光路差分吸收光学遥感系统获取颗粒物绝对光强的原理,然后研究了基于单光路测量大气吸收谱,在干净天气状况下测量参考光谱,利用能见度数据,在550 nm波段处实现系统校准,计算校准参数,从而获得大气绝对吸收光强,然后解析出大气总的消光系数。再从总的大气消光系数中,去除瑞利散射以及大气痕量气体吸收对消光系数影响后,精确解析出颗粒物消光系数。同时基于差分思想获取大气痕量气体的浓度。最后把该方法应用于外场实验,获取大气颗粒物在350～700 nm波段范围内消光系数和大气中NO₂的浓度。研究结果表明颗粒物消光系数的随着波长的增加而减少,符合Angstrom公式。该研究为分析大气气相/粒子非均相化学反应提供有力的技术支持。     

DOAS烟气测量系统的温度非线性补偿方法

基于紫外差分吸收光谱技术,针对温度对烟气浓度测量的影响,提出一种非线性补偿方法.在紫外波段200-230nm波长范围内,以SO2和NO标准气体为研究对象,从50℃到90℃间隔10℃变化测量其吸收光谱,利用多项式拟合的方法计算气体差分吸收截面,研究温度与吸收截面的定性和定量关系.实验结果显示,不同波长点的两种气体吸收截面随温度变化呈非线性关系.采用非线性补偿修正后,SO2和NO的测量误差明显减小,该方法可提高烟气测量的准确度.     

基于光纤收发一体LP-DOAS系统对大气HONO和NO_2的测量

介绍了一种基于施密特-卡塞格林望远镜的光纤收发一体长光程差分光学吸收光谱(LP-DOAS)系统,并应用于实际大气HONO和NO_2的测量。该测量系统采用光纤收发一体设计,相比于目前广泛使用的卡塞格林式差分光学吸收光谱系统更能充分利用望远镜主镜有效面积,具有较高的光学效率。分析了暗电流,偏置以及望远镜内部反射光对系统的影响,在晴好天气下,望远镜内部反散光所占大气谱光强比例小于1%。且通过与传统卡塞格林式差分光学吸收光谱系统进行了实际大气NO_2的测量对比,相关系数r达到0.968,验证了新系统测量的准确性。利用该测量系统在河北固城开展了对大气HONO和NC_2高灵敏度、高时间分辨率的外场观测,在光程为2 490 m下系统对HONO和NO_2探测限(2σ)分别为84.2和144.6ppt。测量期间的平均时间分辨率约为30 s,HONO和NO_2浓度最大值分别为3.2和37.8 ppb,最小值均低于探测限,并根据观测期间的数据结果计算夜间HONO/NO_2平均值为0.12。     

基于差分光学吸收光谱方法的OH自由基定标系统研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱(DOAS)方法的OH自由基定标系统, 该系统可产生一定浓度的OH自由基并同时进行精确测量. 系统采用紫外灯185 nm光线分解水汽产生OH自由基, 利用500 W氙灯准直光作为光源; 使用基长1.25 m、反射次数60次、总光程75.0 m的多次反射池来增加OH自由基的吸收光程; 以超高分辨率中阶梯光栅光谱仪(最高分辨率3.3 pm)作为光谱采集系统对光谱信号进行采集, 采用DOAS测量方法获得OH自由基的浓度. 通过改变腔内水汽的浓度, 系统准确测量了5×10⁸-1.8×10¹⁰ molecules/cm³浓度范围的OH自由基. 分析了OH自由基测量过程中受到的吸收截面偏差、气压等因素影响, 得到系统总测量误差小于7.3%. 在实验的浓度范围内, 系统可用于大气OH自由基气体扩张激光诱导荧光测量技术的定标.     

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。     

差分吸收光谱技术监测气溶胶消光系数的误差分析

给出了在利用差分吸收光谱技术监测大气气溶胶消光系数时确定测量误差的方法。分析了光源变化、探测器积分时间间隔、大气湍流、系统参数校正、测量系统位移以及粒子后向散射等可能对测量结果产生影响的因素,通过理论分析和实际测量确定气溶胶消光系数误差为0.03 km-1。     

双光路DOAS系统获取大气颗粒物粒谱分布方法研究

当前大气复合污染日趋严重,造成大气氧化性增强,气体向颗粒物的转化加快。大气颗粒物粒径大小及谱分布决定其在大气中的行为,以差分吸收光谱法（DOAS）为基础,结合双光路设计技术,开展实时、在线、获取近地面大气气溶胶颗粒物的粒谱分布的光谱方法研究。首先构建低噪声性能稳定的宽带氙弧灯为光源的双光路差分吸收光谱系统,基于干净天气条件下大气的能见度数据对系统进行校准,通过两个不同光路获得的光谱信号强度之比获取近地面紫外-近红外波段的大气总宽波段消光系数。基于宽波段消光系数,在去除瑞利散射以及气体吸收对消光系数的影响后,解析出气溶胶颗粒物的消光系数。基于核函数准则,利用均匀球型粒子的电磁场Mie理论来反演气溶胶物理特性,获得气溶胶粒子在该测量谱段的体积谱分布,利用体积谱与数密度谱的关系,反演出气溶胶粒子的数密度谱分布。开展利用直方图方法来表现颗粒物的粒谱分布方法研究,首先将DOAS测量波段近似等分为若干谱段,利用谱段处平均值,获取气溶胶粒谱直方分布图。最后把该系统和方法应用于外场实验,获得了气溶胶颗粒物在300～650 nm范围内的消光系数,将测量波段等分为11个谱段,反演了颗粒物的在0.1～1.25 μm粒径范围的数密度谱分布。该研究为整治我国灰霾天气,研究大气气相/粒子非均相化学反应提供科学依据。同时将推动DOAS技术的进一步发展和应用。