机载多轴差分吸收光谱技术获取对流层NO2 垂直柱浓度的研究

介绍了一种基于机载平台获取对流层NO₂垂直柱浓度的多轴差分吸收光谱技术. 研究了利用差分吸收光谱技术结合不同观测角度的测量光谱反演差分斜柱浓度, 并利用辐射传输模型SCIATRAN计算对流层NO₂垂直柱浓度的方法. 研究了不同海拔高度、不同地面反照率以及不同太阳天顶角等条件对天顶和天底两个观测角度的大气质量因子的影响. 报道了该系统在2008年12月10日在珠三角地区的实验结果, 结合天顶和天底两个方向反演得到了珠三角地区对流层NO₂垂直柱浓度的分布信息. 同时还将机载测量结果跟安装在珠海市的一台地基多轴差分吸收光谱仪的结果进行了对比, 二者相差仅为8%. 实验结果表明, 机载多轴DOAS技术可以实现对大区域对流层NO₂浓度的快速获取.     

直射太阳光差分吸收光谱法测量合肥NO2 整层柱浓度

直射太阳光差分吸收光谱技术(DS-DOAS)近 年来成功应用于大气痕量气体的垂直柱浓度测量. 本文研究了基于被动DOAS算法可用于连续测量NO₂整层垂直柱浓度的DS-DOAS技术, 介绍了测量系统的构成.利用统计最小值外推法减少了由参考谱引入的误差.分析了测量结果的误差来源, 估算了误差大小.报道了该系统在合肥地区对NO₂进行的连续11天的测量, 分析了测量结 果.通过实验验证了算法的可行性, 证实了该技术可实现连续测量NO₂整层垂直柱浓度.     

光腔衰荡光谱法测量大气中的NO3和N2O5

本文应用基于二极管激光器的双路光腔衰荡光谱技术,分别对大气中NO₃和N₂O₅浓度进行监测. 通过使用实验室标准样校正有效吸收腔长比R_L和系统的总损耗系数?,并获得了NO₃有效吸收截面. 该装置在时间分辨率为1 s时,对NO₃的测量灵敏度达到1.1 pptv,N₂O₅被在线转换成NO₃,从而被另一路光腔衰荡光谱装置探测. 利用该装置,对合肥市区冬季夜间大气中的NO₃,N₂O₅浓度进行了实时监测. 通过对比一次大气快速清洁过程中氮氧化物、臭氧、PM_2.5等组分的浓度变化,讨论了大气环境下可能影响NO₃及N₂O₅浓度的因素.     

宽带腔增强吸收光谱技术应用于痕量气体探测及气溶胶消光系数测量

基于氙灯的非相干宽带腔增强吸收光谱系统, 并将其应用于痕量气体及气溶胶消光系数的测量. 该系统的探测灵敏度通过测量NO₂在520—560 nm波长范围内的吸收得到验证, 最小可探测灵敏度为1.8× 10^-7cm^-1 (1σ, 0.12 s积分时间, 50次平均), 对应的NO₂探测极限～33 nmol/mol. 结合标准气溶胶粒子发生系统, 测量了不同浓度的单分散硫酸铵气溶胶粒子在532 nm波长处的消光系数, 得到粒径为600 nm的硫酸铵气溶胶的消光截面为1.12× 10^-8cm², 与文献报道值1.167× 10^-8cm²相一致, 验证了气溶胶测量的可行性和准确性.     

大气NO3自由基损耗率和温度的关系

利用差分吸收光谱系统得到了大气NO₃、NO₂和O₃的浓度,基于NO₃损耗率和温度关系,获得了一种判定NO₃对于VOCs的大气氧化能力和清除大气中NO_x能力的新指示剂,该指示剂用动力学常量和单萜烯释放速率与温度关系来研究NO₃的损耗率．新指示剂应用于研究合肥郊区外场观测的NO₃的氧化能力,分析结果表明,在观测期间单萜烯对于NO₃的损耗贡献约为70%～80%.     

NO2分子的光学-光学双色双共振多光子离化谱

以Nd:YAG激光器的二倍频输出光为抽运光，其三倍频输出抽运的光学参量发生/放大器输出光为探测光，利用光学-光学双色双共振多光子离化光谱技术(OODR-MPI),获得了NO₂分子在605—675nm探测光波长范围内的多光子离化激发谱. 通过对NO₂分子离化机理的分析，确定了在此波长区间，NO₂分子经1+3+1双共振多光子过程离化，离化通道为NO₂(X²A₁)hν     

基于LED光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术探测HONO和NO2

介绍了基于近紫外发光二极管LED (中心波长约372 nm,半高宽13 nm) 光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术,同时用于探测痕量气体HONO和NO₂. LED出射光经准直后耦合进入长度为70 cm,由两块高反射率镜片组成的高精密光学腔内. 分别测量了氮气消光谱和氦气消光谱,通过两者瑞利散射截面的差异而引起光谱强度的变化来标定镜片反射率.在360—390 nm反演波段内,镜片反射率在390 nm处最大且为0.99962, 对应测量NO₂/HONO混合物时的最大光程约1.71 km,并利用最小二乘拟合反演出了 HONO和NO₂的浓度值.当光谱采集时间为1000 s时, HONO和NO₂的探测灵敏度(1σ) 分别为0.6 ppbv和1.9 ppbv.实验结果表明,该技术为实现大气痕量气体的高灵敏度在线监测提供了另一种可能的途径.     

旋转光栅式光谱仪的研制与应用

根据光谱仪原理,研制了一种光栅匀速旋转式光谱仪,其特点是测量周期短、灵敏度高、结构简单和操作方便.该仪器可用于各种光谱的在线测量系统中,已成功地用于烟道SO₂浓度检测、空气中NO₂浓度检测和固体染料的荧光光谱测量中.     

合肥上空大气二氧化碳Raman激光雷达探测研究

Raman激光雷达是用于大气成分探测与特性研究的有效工具.介绍了中科院安徽光学精密机械研究所自行研制的一台用于测量低对流层大气CO₂时空分布的Raman激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和对比分析.系统选用波长355 nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N₂和CO₂的Raman后向散射信号与Li-7500型H₂O/CO₂分析仪进行对比标定,通过反演获得了大气CO₂水平与垂直方向时空分布廓线,并且获得了合肥地区大气边界层CO₂的夜变化趋势.结果表明,大气CO₂在空间的分布相对均匀,Raman激光雷达与CO₂分析仪变化趋势一致性较好,能够对大气CO₂时空分布进行有效、连续的观测.     

退火对He注入及随后208Pb27+辐照的Al2O3单晶PL谱的影响

利用高能离子研究了110 keV 的He⁺注入Al₂O₃单晶及随后230 MeV的²⁰⁸Pb²⁷⁺辐照并在不同温度条件下退火样品的光致发光的特性. 从测试结果可以清楚地看到在375 nm，390 nm，413 nm 和450 nm 出现了强烈的发光峰. 经过600 K退火2 h后测试结果显示，390 nm发光峰增强剧烈，而别的发光峰显示不明显. 在900 K退火条件下，390 nm的发光峰开始减弱相反在510 nm出现了较强的发光峰，到1100 K退火完毕后390 nm的发光峰完全消失，而510 nm的发光峰相对增强. 从辐照样品的FTIR谱中看到，波数在460—510 cm^-1间的吸收是振动模式，经过离子辐照后，吸收带展宽，随着辐照量的增大，Al₂O₃振动吸收峰消失，说明Al₂O₃振动模式被完全破坏. 1000—1300 cm^-1之间为Al-O-Al桥氧的伸缩振动模式，辐照后吸收带向高波数方向移动. 退火后的FTIR谱变化不大.     

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.     

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。     

噪音信号对夜间对流层臭氧探测准确度的影响

本文探讨在背景噪音影响下,差分吸收激光雷达测量臭氧的不确定性:背景噪音对臭氧浓度廓线的影响正比于背景噪音强度、强吸收波长和弱吸收波长的回波信号强度比.理论计算结果表明:合适的回波信号强度比可以使激光雷达背景信号对夜间臭氧探测浓度的影响变得非常小,可以忽略不计.实验结果表明:用波长对(280 nm,285 nm)对大气臭氧进行观测时,适当调节两波长回波信号强度比为0.96时,背景信号对臭氧浓度探测的影响小到可以忽略的程度.模拟分析和实验观测结果相接近,证实了理论推算的合理性.在背景噪音强度未知的情况下,通过调整强吸收和弱吸收两波长的激光脉冲的能量,在示波器上得到适合的回波信号强度比值,可以抑制背景噪音信号对臭氧探测结果的影响,确保夜间臭氧测量的准确性.     

Experimental and theoretical studies related to a dye laser differential lidar system for the determination of atmospheric So2 and NO2 concentrations

Laboratory measurements of the absorption coefficients of NO₂ at wavelengths suitable for the operation of differential absorption lidar (DIAL) systems, at around 446 nm and 489 nm are reported. Such measurements are necessary for the valid determination of absolute levels of concentration of NO₂ in the atmosphere and have been made in order to assess anomalies in existing data. A theoretical assessment of some of the optional systems currently available for the application of DIAL to the measurement of atmospheric concentrations of SO₂ is described.     

L625差分吸收激光雷达探测对流层臭氧

介绍了用于探测对流层大气臭氧的L6 2 5差分吸收激光雷达系统 ,叙述了该激光雷达的结构、探测大气臭氧的原理和数据处理方法。利用波长对 2 89～ 2 99nm和 2 89～ 30 8nm对合肥上空中、上部对流层的臭氧进行了对比测量。测量结果表明 ,这两对波长的测量结果差别约在 10 %左右。分析了 2 89～ 30 8nm波长对测量臭氧的结果和误差。 10km以下 ,2 89～ 30 8nm波长对测量的对流层臭氧统计误差绝对值一般小于 2× 10 11molecules/cm3 ,忽略气溶胶影响引起的相对系统误差一般小于 4 %。给出和分析了合肥地区对流层 5～ 15km臭氧柱含量的季节变化特征 ,柱含量最大的月份一般出现在第二季度 ,柱含量最小的月份一般出现在第三季度。     

新型镧配合物的合成与荧光性质

在氮气保护下,以无水乙醇为溶剂,制备了硝酸镧与4-氨基-1,2,4-三氮唑缩对二甲氨基苯甲醛(L)配合物,单晶结构分析确定其组成为LaL_3(NO_3)_3·(H_2O)_2·(C_2H_5OH)_2,配合物中La~(3+)分别与3个硝酸根、2个水分子和2个分子乙醇中的氧原子配位,配位数为10,并与4-氨基-1,2,4-三氮唑缩对二甲氨基苯甲醛以氢键形式结合形成立体结构分子.通过元素分析、红外光谱、固体荧光光谱等手段对合成的配体及配合物进行了表征.实验结果表明,4-氨基-1,2,4-三氮唑缩对二甲氨基苯甲醛是一种多晶粉末状的发光材料,固体荧光谱图显示荧光发射峰在451 nm处,为蓝色荧光,色纯度高,荧光量子效率高,而合成的配合物的荧光发射峰则红移至464 nm左右,同时荧光强度显著增强近一倍.     

Cl-离子修饰Ce3+掺杂SiO2材料发光峰的蓝移

采用溶胶凝胶技术通过添加Ce(NO3)3制备了掺杂Ce3 离子的纳米SiO2材料,进行了不同温度的氯化处理。采用电子能谱、吸收光谱以及荧光光谱对Cl-离子修饰Ce3 掺杂SiO2材料的成分及光学性能进行分析、测试,研究Cl-离子修饰对掺杂SiO2材料中Ce3 离子光学性能的影响。测试结果表明,经过氯化处理不仅可以明显提高Ce3 离子掺杂SiO2材料的发光强度,还可以使发光和激发波长产生明显的变化,发光波长由445 nm蓝移至390 nm,激发波长由326 nm蓝移至290 nm左右。这种转化具有可逆性,将经氯化处理的样品重新在空气中处理后,发光强度减弱,发光和激发波长也恢复到氯化处理前的位置。     

Evaluation of dual differential absorption lidar based on Raman-shifted Nd:YAG or KrF laser for tropospheric ozone measurements

Based on Raman-shifted Nd:YAG or KrF laser, a method of three-wavelength Dual DIfferential Absorption Lidar (DIAL) for tropospheric ozone measurements is proposed. A theoretical analysis and numerical simulations of the measurement error have been performed. The results show that this method can reduce the error in ozone measurements caused by the aerosol layer in the troposphere by a factor of ten. The proposed method is also shown to be insensitive to aerosol optical properties, and therefore, one does not need to know the wavelength dependence of aerosol scattering. The dual-DIAL with 277.1, 291.8, 313.2 nm radiation based on a Raman-shifted KrF laser can be used both during day- and night-time. The dual-DIAL with 289.0, 299.1, 316.1 nm radiation based on Raman-shifted Nd:YAG laser can only be used during night-time.     

对流层低层臭氧的差分吸收激光雷达测量

利用紫外差分吸收(DIAL)激光雷达对北京南郊对流层低层臭氧垂直分布进行了测量,将探测结果与探空气球同时测量的结果进行了对比,取得了较为一致的分布趋势。选择北京南郊地区晴好天气探测的结果进行了统计分析,结果表明:近地面层内随高度增加,臭氧体积混合比逐渐减小;距地面0.5~1.5 km内平均臭氧体积混合比具有明显的日变化趋势,最大值出现在午后14点左右,相对太阳辐射最强时刻具有明显的滞后性;日平均最大体积混合比低于410-8,体积混合比起伏小于3.210-9。