差分吸收激光雷达测量NO2浓度的实验研究

介绍了差分吸收激光雷达测量大气中物质成份及浓度的测量原理,并利用差分吸收激光雷达测量了3.5 km内NO2的浓度分布,测量结果表明,使用双通道可调谐的Ti:Sapphire激光器的一组波长（448.2 nm和446.8 nm）可以获得比较精确的NO2的浓度随距离的分布。     

大气光学遥感监测技术现状与发展趋势

针对开展环境空气中的痕量污染气体监测研究的需求,综述了目前应用较广的光谱遥感监测技术。阐述了利用光学遥感技术监测大气环境的工作原理,详细介绍了几种主流的大气监测技术,包括傅里叶变换红外光谱技术,差分吸收光谱技术,激光长程吸收技术,可调谐激光二极管吸收光谱技术,差分吸收激光雷达技术,指出了上述监测方法的特点并对它们的优缺点进行了分析与比较。     

差分吸收激光雷达测量NO2浓度的实验研究

 介绍了差分吸收激光雷达测量大气中物质成份及浓度的测量原理，并利用差分吸收激光雷达测量了3.5 km内NO₂的浓度分布，测量结果表明，使用双通道可调谐的Ti:Sapphire激光器的一组波长（448.2 nm和446.8 nm）可以获得比较精确的NO₂的浓度随距离的分布。     

激光雷达在大气测量中的应用

 从６０年代初期激光雷达问世以来,在短短３０余年中,激光雷达技术得到了飞速的发展,其应用领域也越发广泛,涉及科学研究、军事工程和国民经济许多部分。特别是应用激光雷达技术在完全大气测量等项工作中显示出这一技术独有的特性和突出的发展前景。激光雷达对大气的测量工作是通过射向大气中的激光与大气中的气溶胶及大气分子的作用而产生后向散射且被探测器接收而实现的。如图１所示：从激光雷达到被反射至接收器的信号携带着被测物质有关的信息（吸收、散射等）,通过对这些信息进行分析便可得到所需的物理量（温度、速度、密度等）。     

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.     

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。     

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。     

基于匹配算法的脉冲差分吸收CO2激光雷达的稳频研究

利用差分吸收激光雷达探测大气CO₂, 可以获得其浓度的垂直分布, 对于研究碳源、碳汇的过程有重要意义. 设计了一套种子注入的脉冲差频激光器系统, 作为差分吸收激光雷达的激光光源. 针对脉冲差分吸收CO₂激光雷达on波长的高精度稳频的研究空白, 本文提出一种基于匹配的on波长的连续稳频算法. 其基本思想是采用分子饱和吸收法, 测量通过双路吸收池后的差分信号, 计算其光学厚度值(optical depth, OD), 获得实测的伪吸收谱, 当监测到on波长发漂移后, 进行连续的波长调节, 获取其OD值, 最后基于一维的图像匹配算法, 将OD值作为灰度值, 利用图像匹配原理, 进行OD值匹配, 确定当前输出波长在伪吸收谱中的位置, 进而调节至on波长, 实现on波长的连续、稳定输出. 实验结果表明, 提出的稳频算法能够很好的满足高精度的稳频要求, 同时差平方和法在该应用中是最优的, 稳频精度可达到0.3 pm.     

差分吸收光谱技术监测气溶胶光学厚度及大气能见度的研究

介绍了一种基于闪烁氙灯光源、利用差分光谱吸收(DOAS)技术监测大气气溶胶的新方法。提出用大气能见度确定系统校正参量的可行做法,解决了差分光谱吸收探测气溶胶领域原始光强难以测量的难题。并对350~650 nm范围内的气溶胶光学厚度进行反演,通过与多道太阳光度计的对比证实方法的可行性,实验中发现气溶胶光学厚度与悬浮颗粒物(SPM)浓度具有很好的相关性。同时,利用气溶胶550 nm处的消光系数确定大气能见度。     

3.4μm处NO2吸收光谱特性及在差分吸收激光雷达中的应用

为使中红外差分吸收激光雷达能够精确测量NO_2气体浓度,对NO_2在中红外波段的吸收光谱特性进行测量分析.采用光参量放大激光器的λon和光参量振荡激光器λoff两路激光分别进行吸收谱线测量实验.用谱线宽小于0.05nm的λon激光测量了NO_2气体在3 410～3 433nm的吸收光谱,计算得到其吸收截面,采集分析了NO_2在291K、308K、363K三个温度下的光谱特性,用谱线宽约为10nm的λoff激光采集了3 400～3 435nm的吸收谱线.测量结果表明,在3 410～3 433nm波段,温度和吸收截面值呈负相关,测量的谱线与HITRAN数据库相关系数达到0.92以上;针对λoff激光下的吸收谱线,采用了改进的卷积修正方法,测量结果和拟合结果相关系数为0.97.将实测的on和off波长处的吸收截面应用于使用该波长对的中红外差分吸收激光雷达仿真上,拟合差分吸收激光雷达系统浓度测量误差,验证了基于该波长对的差分吸收激光雷达方案的可行性.     

差分吸收法测量大气压强的误差研究

用级数近似Ｖｏｉｇｔ函数，导出了水平和垂路径吸收系数随压强变化的解析式。分析用数值模拟差分吸收法测量大气压强时激光频移和带宽的影响，计算表明前者是测压误差的主要来源之一。     

一种不含自由参数的正电子吸收势

在准自由电子气模型的基础上得到一种不含自由参数的正电子吸收势，把它作为光学势的虚部，计算了能量在最小非弹性阀值到１００ｅＶ范围内正电子被Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ原子散射的总截面和能量为２００ｅＶ和３００ｅＶ时的散射微分截面，计算结果与实验进行了比较。     

温度对二氧化硫紫外差分吸收特性影响的实验研究

为应用差分吸收光谱法(DOAS)技术于火电厂等固定污染源的排放监测,需要研究温度等因素对SO2污染气体紫外差分吸收特性的影响。对SO2在其紫外280-320 nm差分特征波段,温度从30-400℃差分吸收特性进行的实验研究表明,温度升高使得差分光谱峰值减小峰谷值上升, 210℃与390℃相对于30℃的差分吸收计算浓度相对误差为 -40％和-70％左右,但整个差分结构吸收频率没有发生变化。     

非线性回归法确定差分吸收光谱缓变结构提高NO_2浓度反演精度

分析了差分吸收光谱法反演大气二氧化氮(NO2)浓度过程中任意选择缓变吸收结构表达式对反演结果的影响。传统的二氧化氮浓度反演中直接用比值光谱的低阶拟合曲线代替缓变吸收信息,阶次选择任意,数值模拟发现这种方法会给反演结果带来很大的误差(最大在40%以上)。本文提出以二氧化氮吸收截面为参考,通过对比值光谱的非线性回归,确定缓变吸收信息的表达式。此方法避免了拟合多项式选择的任意性,提高了二氧化氮浓度反演的准确性,数值模拟结果误差不超过1%,并以此获得了合理的二氧化氮浓度实测值。     

大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统设计与性能仿真

为持续获得对流层低层高精度、高时空分辨率的水汽浓度分布数据,提出了一套改进的大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统方案.详细描述了系统主要组成部分,对主要误差进行了分析与估计,并提出了一种差分吸收截面实时测量装置用于补偿发射激光器带来的测量误差.针对该系统,并结合上海地区不同季节的水汽浓度状况,对935 nm水汽吸收带中四个水汽吸收峰的差分光学厚度、雪崩二极管的倍增系数M与回波信噪比的关系、水汽浓度随机测量误差等进行了详细的仿真与分析.仿真结果表明,根据不同的季节和天气状况,可以选择不同的吸收峰以达到最佳探测效果;在300—5000 m高度范围内,最大可以达到300 m的垂直分辨率与5 min的时间分辨率,水汽浓度随机测量误差不超过18%.     

差分吸收光谱法监测NO2浓度技术研究

差分吸收光谱(DOAS)是利用气体分子对光谱具有特殊吸收这一特性来测量气体浓度的一种测量技术.本文介绍了DOAS法的基本测量原理,分析了DOAS的数据处理方法,并用DOAS法进行了不同情况时NO2气体浓度测量的实验研究.     

有色光学玻璃光谱吸收特性的测量

提供了用WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪测量有色光学玻璃光谱吸收特性的一种简单和直观的方法;给出了实验原理和仪器配置;提供了对滤光片和中性玻璃光谱吸收特性的测量结果。     

Initial flight test results of differential absorption barometric radar for remote sensing of sea surface air pressure

The accuracy of numerical weather model predictions of the intensity and track of tropical storms may be significantly improved by large spatial coverage and frequent sampling of sea surface barometry. The availability of a radar operating at moderate-to-strong O₂ absorption bands in the frequency range 50∼56 GHz to remotely measure surface barometric pressure may provide such capability. At these frequencies, the strength of radar echoes from water surfaces has a strong gradient with frequencies owing to the absorption of atmospheric O₂. Our recent research has developed a technique based on the use of a dual-frequency, O₂-band radar to estimate surface barometric pressure from the measured attenuation due to O₂. The ratio of reflected radar signals at multiple wavelengths is used to minimize the effect of microwave absorption by liquid water and water vapor in the atmosphere, and the influences of sea surface reflection over the frequency of operation. A demonstration instrument has been developed to verify the differential O₂ absorption measurement approach. Recent test flights to evaluate the in-flight performance of the demonstration instrument have been completed. The measured radar return and differential O₂ absorption show good agreement with the modeled results. These flight test results are consistent with our instrumentation goal of ±5 mb uncertainty and indicate that our proposed differential absorption measurement approach may provide a useful measurement of sea surface pressure. Future test flights will provide higher altitude data and assess the precision of the sea surface pressure measurement for the existing demonstration radar.     

铁原子团簇的红外与微波吸收性能

以文献［１］中提出的金属原子团簇的电子能谱和吸收光谱理论为指导，对铁原子团簇的红外与微波吸收性能进行了实验测定。实验结果证明这个理论是正确的。测试结果表明：纳米级铁原子团簇材料具有很强的红外吸收性能，微米级铁原子团簇材料具有很强的微波吸收性能，与文献［３］中的理论相符。     

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中,太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度,为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度,石英漫反射板需具有良好的朗伯特性,在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此,在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪,选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板,采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量,得出了四种样品在波长180～880 nm、观测角度-70°～+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析,筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品,并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱,石英漫反射板对太阳光的反射特性较好,可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。