提高大气吸收光谱测量分辨率的新方法

在仪器函数和吸收线型已知的情况下 ,提出了一种非线性拟合退卷积法 ,用于提高气体吸收测量的光谱分辨率。数值模拟和实际应用都表明 :该方法用于室内气体吸收光谱的测量 ,在保持吸收线型不变的情况下 ,可以显著地提高测量的光谱分辨率 ,降低测量噪声。将该方法用于怀特池中模拟大气吸收光谱测量 ,减小了激光线宽对测量结果的影响 ,获得了比较理想的结果。     

激光长程吸收光谱法测量高分辨率大气吸收光谱

用脉冲可调谐光参量振荡器作光源 ,使用光程长达 1km的 8m长吸收池 ,采用分时复用的单探测器探测方法 ,组成测量系统 ,测量了一系列高分辨率的模拟和实际大气的吸收光谱。系统的灵敏度为 0 .5× 10 - 6cm- 1 ,分辨率为 0 .0 2cm- 1 。 1.315 μm附近实际大气的吸收光谱与HITRAN96模拟结果比较 ,强线符合得很好。水汽光谱的大多数强线的分子线强度相对误差在 10 %以下。     

非线性晶体散射及吸收光谱的测量

利用PE-Lambda900分光光度计，测量了非线性晶体的散射及吸收光谱，实验中避免了大块双轴晶体镜面反射作用引起的测量误差．实验结果表明，随光子能量增加，晶体材料的光吸收在400nm以外波段显著增加。对散射谱进行分析，来源于晶体结构内部的缺陷。如位错、包裹体的尺寸主要分布在lOOnm以上,这些缺陷在短波段的光散射作用有上升的趋势。     

高压环境下1.58μm波段CO2吸收光谱特性分析

高压气体吸收光谱特性的研究是可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于爆轰发动机等高压燃烧环境的重要基础.为了解气体吸收光谱随压力的变化规律特别是在高压下的吸收光谱特性,本文以CO₂为气体介质对其在高压环境下近红外波段1.58μm处的吸收光谱进行了理论分析与试验研究,并给出一种高压气体浓度的计算方法.在1—10.13×10⁵Pa压力环境下,对1.58μm处CO₂吸收光谱进行了数值模拟,搭建了高压环境气体在线测量试验系统,对CO₂在波段1578.1—1579.7 nm的吸收光谱进行了试验测量.利用线性回归拟合将试验所得光谱吸收率与模拟吸收率进行对比,对高压环境下气体浓度进行了计算.结果表明,试验所得吸收光谱与数值模拟结果相吻合,1—10.13×10⁵Pa压力环境下利用线性拟合寻优法计算气体浓度最大误差为5.5%,平均误差2.6%.     

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.     

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.     

研究傅里叶变换光谱超分辨率的一种新方法

应用傅里叶退卷积、自回归模型与截断奇异值分解相结合的方法，获得了比采用常规变换方法高得多的光谱分辨率。与研究光谱超分辨率的其它方法相比，用ＦＡＴ方法进行了光谱超分辨率估计，有分辨率高，谱线细锐、钪噪声能力强和无伪峰等许多优点。     

基于激光吸收光谱技术的非均匀流场气体参数测量研究

为了探索激光吸收光谱技术在非均匀流场中的应用,提出了一种新的实现非均匀流场中气体参数定量测量的方法。预知被测流场中的温度变化范围后,选择在该温度范围内具有近似线性变化特性的谱线,线性拟合该温度范围内的谱线强度,结合实验测量的吸收光谱便可以实现非均匀流场中H₂O组分权重的温度积分平均值和H₂O组分积分平均值的定量测量。两温度分布和高斯温度分布模型的仿真研究证明了该方法的有效性和可靠性。两温度分布模型中的测量结果与理论值的偏差分别小于0.82%和1.10%,而高斯温度分布模型中不同光线中的测量值与理论值的最大偏差分别小于0.9%和3.6%。     

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     

L-M非线性拟合的TDLAS氧气测量研究

氧气浓度是工业生产过程中重要监测参数,采用可调谐二极管激光吸收光谱法(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS),结合波长调制技术,可以实现对现场氧气浓度的高精度在线监测,利用氧气位于760 nm处的特征吸收峰进行了氧气浓度的测量。由于激光具有很强的相干性,所以TDLAS技术的检测灵敏度受到光学干涉噪声的严重制约,特别在低浓度时,光学干涉引起的基线起伏使得提取吸收峰波形信号时出现较大误差,影响了TDLAS分析仪的监测灵敏度。针对这一情况,采用了Levenberg-Marquardt非线性拟合算法,并且利用了吸收谱线线型——洛伦兹线型的导数形式对波长调制后获得的二次谐波波形信号进行拟合,提取波形信息。另一方面Levenberg-Marquardt非线性拟合方法需要有大量的计算,为了使研制的TDLAS分析仪能够实现现场的实时监测,采用了支持浮点运算的DSP的C28系列芯片进行数据处理,实现仪器在现场实时监测的功能。实验结果表明,该算法能够有效提取二次谐波信号的吸收峰特征值、克服背景噪声影响,由算法反演得到的氧气浓度与实际浓度的线性比值为1.01,浓度测量的线性误差为1.18%。     

气相二氧化碳分子拉曼退偏比的准确测量

利用灵敏的光声拉曼光谱技术对气相二氧化碳分子在1240～1430 cm^-1振动光谱的拉曼退偏比进行了测量. 通过测量并拟合光声拉曼信号强度随两束入射光偏振方向夹角的变化,得到了比文献报道中更为精确的退偏比数据.     

利用人工神经网络方法提高差分光学吸收光谱系统测量精度研究

差分光学吸收光谱法已经变成了测量大气中微量气体浓度常用的方法。微量气体的浓度通过对大气吸收光谱的分析得到。但在实际应用中，由于受到硬件条件的限制，使得每次分析的光谱带宽有限，造成分析的误差较大，结果不够稳定。这里提出了一种利用多层自适应线性（Madaline）人工神经网络对光谱进行扩展的方法，并对试验结果进行了比较，收到了良好的效果。     

番茄红素可见吸收光谱和荧光光谱的测量与分析

采用ICCD光谱探测系统对不同浓度番茄红素的二硫化碳溶液吸收谱的相对吸收强度进行了测量,结果显示在一定浓度范围内,番茄红素稀溶液的吸收规律满足朗伯-比尔定律;分别用丙酮、正己烷、石油醚、苯、乙酸乙酯和二硫化碳作为溶剂对番茄红素可见吸收光谱进行了测量,对结果进行分析后发现苯、乙酸乙酯和二硫化碳的番茄红素溶液的特征吸收峰的波长位置与以丙酮作为溶剂相比有不同程度的红移效应;番茄红素-丙酮溶液中加入水后溶液颜色随着加水量的增加逐渐变浅,溶液吸光度降低,当丙酮与水的体积比为4∶1时吸收光谱在紫外出现一新的吸收峰。产生这些现象的原因是番茄红素溶于不同溶剂时,溶剂分子对番茄红素分子作用不同。用荧光光度计采集不同浓度的番茄红素丙酮溶液的荧光光谱,结果表明番茄红素溶液的荧光光谱主要集中在500～680 nm波段,浓度低于50 μg·mL^-1时,番茄红素的荧光强度随着浓度的增加而呈线性增加。当浓度高于60 μg·mL^-1时,荧光强度因为番茄红素分子间的相互作用而下降。     

可调谐半导体激光吸收光谱法对高温甲烷的测量研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种具有高灵敏度、高分辨率、快速检测特点的气体检测技术,已广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测。研究了利用TDLAS技术测量高温下甲烷浓度的实验方法,使用可加热的静态吸收池对在1653.72nm波长附近R(3)支转动跃迁的吸收线进行了测量,并计算了吸收线强。分别在相同温度不同浓度和相同浓度不同温度的两种条件下进行了实验。结果表明,利用直接吸收的方法,在实验室可以得到370K时的最小可探测限为100×10-6,500K时的最小可探测限为245×10-6(吸收池长度为10cm),可以应用在燃烧控制及喷焰气体浓度测量等多个领域。     

差分吸收光谱技术测量氯气的数据处理方法研究

基于差分吸收光谱(DOAS)技术,结合自主搭建的一套小型便携式DOAS实验系统,开展了对氯气的实验测量。在处理氯气的标准截面时,比较了两种不同的高通数字滤波方法：三角函数滤波和多项式拟合滤波。实验证明采用后一处理方法能够更加准确反演出氯气的浓度。模拟计算的结果显示,采用五阶多项式处理的结果的误差较小;在不同样品池内的测量结果显示,利用该方法测量氯气的线性度达到0.996 1;实际的一条谱的反演结果显示拟合谱与测量谱基本重合,且剩余噪声谱的峰峰值最大值<5‰;给出整个实验过程中可能的误差主要来源。综合以上的实验结果表明,利用DOAS技术采用多项式拟合处理的方法可以实现对于氯气的检测。     

NO紫外宽带吸收光谱的非线性响应及实验

紫外宽带吸收光谱(UV-BAS)作为一种气体定量检测技术,常用于检测NO等气态污染物,然而光谱仪对真实光谱的展宽作用会导致吸收率随光学厚度的变化偏离线性关系.本文针对NO吸收光谱的非线性效应进行了理论与实验研究,通过建立NO吸收率峰值非线性数据库,提供了一种基于插值多项式的NO浓度测量方法.首先理论推导出吸收率随光学厚度的非线性变化关系.通过对单谱线进行仿真分析,探究仪器展宽给非线性变化关系带来的影响;然后定量计算不同仪器展宽下γ (0, 0)谱带吸收率峰值随光学厚度的变化关系,并给出多项式模型的非线性表达式并建立系数数据库,同时对同一展宽不同NO振动谱带的非线性问题进行了比较与分析.最后,通过采用不同展宽光谱仪实验测量NO吸收光谱并对上述理论研究结果进行验证,吸收率峰值实验结果与理论计算的相对误差小于4%,与数据库插值多项式的误差小于8%,证明了理论计算的准确性与数据库的可靠性.     

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在线监测大气CO浓度

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)同时具有直接吸收光谱(DAS)可测量吸收率函数和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点,本文首先采用WM-DAS光谱,在50 cm光程和室温低压下,CO分子近红外4300.7 cm^-1谱线吸收率检测限低至4×10^-7(200 s);然后结合120 m长光程Herriott池,在室温大气压下,吸收率函数拟合残差标准差达到5.1×10^-5(1 s).最后利用长光程WM-DAS测量系统,对不同浓度(体积分数为0.44×10^-6—9.6×10^-6)CO进行了动态测量,并将其与腔衰荡光谱(CRDS)进行比较;实验结果表明:本文采用的长光程WM-DAS与CRDS方法测量结果相同,其中长光程WM-DAS系统CO浓度检测限低至0.9×10^-9(200 s),系统简单且测量速度远快于CRDS.与此同时,利用建立的长光程WM-DAS测量系统连续监测1个月时间内大气痕量CO浓度及其变化趋势,测量结果与中国环境监测总站测量结题高度一致.     

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     

颗粒物环境下用于气体吸收光谱测量的气固两相高温样品池系统

设计了一种气固两相高温光学样品池,模拟同时存在颗粒物的气体探测环境,并通过搭建可调谐二极管激光吸收光谱测量系统,对颗粒物环境下的温度与乙炔体积分数测量技术进行研究。使用质量流量计配置体积分数为0.1%～1%的乙炔气体,并设计颗粒物播撒装置,将直径为125μm的石英砂颗粒与不同体积分数的乙炔气体混合通入样品池,在样品池外侧设置纤维加热腔进行温度控制,产生不同温度的样品环境。使用中心波长为1540 nm的DFB激光器,通过对6489.07 cm^-1与6490.02 cm^-1位置处的一对乙炔吸收谱线进行同时探测,实现了对温度与乙炔体积分数的同时测量。分析发现,500～1000 K温度范围内的温度测量一致性R²≈0.998,相对平均标准偏差为3.05%,乙炔体积分数测量一致性R²≈0.995,相对平均标准偏差为2.65%。此系统满足颗粒物环境下气体光谱探测研究的需求,可为气固两相环境下的光谱探测技术研究提供参考。