差分吸收光谱检测H2S气体的反演算法

传统差分吸收光谱法(DOAS)对于H2S气体浓度检测原理简单,检测精准,反应速度较快,但在低浓度、光程较短的环境中会产生较大的误差。本文在传统的差分吸收算法的基础上,采用遗传算法对低浓度H2S气体进行反演,但遗传算法容易发生过早收敛,从而陷入局部最优,因此设计了灾变优化后的遗传算法对H2S气体浓度进行反演。结果表明,该方法对低浓度H2S气体有较高的测量精确度,与传统的差分吸收光谱法结合可得到更宽的检测范围。     

基于便携式差分吸收光谱系统的单环芳香烃测量研究

差分吸收光谱技术(DOAS)是利用气体分子在紫外/可见波段的特征吸收来精确解析其浓度的光学方法.目前,该方法在大气污染成分探测方面有着广泛的应用.采用自行研制的便携式差分吸收光谱系统测量污染源区的单环芳香烃有机物,研究了影响单环芳香烃光谱反演的主要干扰因素,分析比较了去除O2干扰的相对和绝对浓度反演方法,给出便携式差分吸收光谱系统在光程为24 m条件下系统的检测限,并在化工厂区进行了单环芳香烃浓度的实际测量,结果表明便携式差分吸收光谱系统可应用于挥发性有机物污染源、污染泄露的应急监测.     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪0~1数据处理研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environmental trace gases monitoring instrument, EMI)于2018年5月9日成功发射升空,目前在轨运行状态良好,能够有效获取全球紫外-可见波段地球大气散射光信号(Digital number, DN)值(0级数据)。为对遥感数据定量化应用, EMI输出的DN值需要完成光谱定标、几何定位、辐亮度定标等处理,得到1级数据产品,1级数据用于反演获取全球大气NO$_2$、SO$_2$和O$_3$等2级产品,进而应用于定量监测全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程。     

差分光学吸收光谱(DOAS)技术在烟气监测中的应用研究

本文将差分光学吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscoy,DOAS)技术中的浓度反演方法运用到烟气中NO、NO2、NH3和SO2的监测.利用它们在200～250 nm附近具有不同强度吸收的特性,测量烟气的吸收光谱,用DOAS方法反演出NO、NO2、NH3和SO2分子的浓度,这种方法消除了烟气中烟尘、水汽和其它成分的影响,使在线实时测量成为可能,在实验室内对不同气体分子浓度样气进行了测量和浓度反演,经过现场对比测量证明这种方法是正确的.     

成像差分吸收光谱系统设计及应用

被动差分吸收光谱技术(DOAS)是一种以太阳散射光为光源,利用不同气体分子的特征吸收来实现气体定性定量测量的方法。成像光谱技术作为一种新型光电探测技术,能同时获取观测区域的空间信息和光谱信息,该技术与DOAS结合构成了成像差分吸收光谱系统(IDOAS),可实现对气体的二维成像测量。设计了基于凸面光栅Offner成像光谱仪、面阵CCD、紫外镜头和扫描旋转台的成像差分吸收光谱系统,描述了系统的组成并着重介绍了Offner成像光谱仪的光学设计。针对该系统开发了基于MFC框架的软件系统,实现了探测器参数设置、数据采集与显示、数据存储、电机扫描控制、多波段成像、图谱合一等功能。利用该系统对发电厂烟羽排放进行外场测量,采用被动差分吸收光谱方法对采集的太阳散射光谱进行处理获得SO_2柱浓度,实验证明系统运行稳定可靠,可用于污染气体的二维成像解析。     

差分光学吸收光谱系统中标准吸收截面数据处理方法研究

本文介绍了差分光学吸收光谱法（DOAS）测量大气污染气体浓度的基本原理,描述了在测量光谱分析中所做的一些必要处理。介绍了卷积在DOAS方法中对污染物浓度反演的应用,通过与其它处理方法的光谱数据对比,证明了卷积处理光谱数据可以提高污染物浓度反演的精度。     

大气中甲醛差分吸收光谱测量方法研究

差分吸收光谱技术(DOAS)由于时间分辨率高、高灵敏度和操作费用低等特点非常适合对大气中痕量气体HCHO进行实时追踪.对HCHO的测量方法和数据反演进行了研究,通过增大信噪比,扣除背景杂散光等手段对其进行了准确测量;详细介绍了数据的处理方法,包括反演波段的选择、干扰结构的去除、数据处理流程和谱线的非线性处理.对不同波段反演HCHO的干扰因素、反演浓度结果和反演准确度进行了分析与对比,结果显示,314～332 nm是HCHO浓度反演的最佳波段.对广州市的HCHO进行了实时、连续监测,并取得了有效数据.     

烟道污染气体SO_2的差分光学吸收光谱测量

研究了利用差分光学吸收光谱(DOAS)技术测量烟道污染气体SO2的方法.介绍了差分吸收光谱的基本原理和数据处理方法.讨论并分析了测量过程中光谱波段的选择.以氘灯作为光源,分别利用光谱分辨率为0.6 nm、0.7 nm和1.8 nm的光谱仪对SO2的吸收光谱进行了测量,分析了光谱分辨率对测量结果的影响.DOAS方法分析的是吸收光谱的高频部分,避免了烟尘、水汽等对测量结果的影响,可以利用差分光学吸收光谱对烟道污染气体进行检测.     

基于MATLAB洛伦兹线型非线性拟合算法实现

可调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术具有高选择性、高分辨率和速度快等优点,已经在环境检测、工业过程检测等方面得到广泛应用.主要分析洛伦兹线型拟合,研究Levenberg-Marquardt算法的原理及实现步骤,基于Levenberg-Marquardt算法实现吸收谱线的洛伦兹线型拟合.对六组不同浓度的CO2标准气体进行浓度反演,反演浓度与实际浓度的相关系数达0.9928,表明洛伦兹线型拟合可以准确反演出气体的浓度,对TDLAS技术中浓度的反演具有实际的指导意义.     

基于外调制激光差分检测NO2气体浓度研究

NO2是大气污染的主要污染物之一,是形成光化学烟雾与酸雨的主要因素之一。吸收光谱法是有害气体检测的重要手段与发展方向。本文采用差分方法,采用蓝光激光外调制,建立实验系统,进行NO2气体浓度定点和局部测量,使信噪比不受探测器、放大器及背景噪声的限制,可有效提高气体检测灵敏度。通过光谱分析,实验光谱与标准光谱拟合、浓度反演计算等数据处理过程,取得了较好的实验结果,验证了检测系统的有效件。     

一种气体的微弱红外光谱特征提取方法

被动傅里叶变换红外遥测技术可以测量大部分污染气体,亮温光谱法能够在无需背景信息的前提下实现目标特征提取与识别。在野外进行实测时, 存在背景物体辐射、大气中成分辐射、仪器噪声等信号。当目标信号弱于这些信号时,亮温光谱法难以直接从实测光谱中提取目标特征。针对这一问题,提出了一种基于非负矩阵分解的光谱特征提取方法,在被动红外遥测模型基础上,通过对整个亮温光谱进行分析,得到目标光谱特征。实际测量以SO$_2$为目标气体进行野外实验,对该方法进行了验证,结果表明,在目标信号较弱的亮温光谱中仍然能够提取到SO$_2$的光谱特征,证明了方法的有效性。     

基于激光雷达观测网的杭州及周边地区颗粒物污染特征研究

激光雷达观测网是研究区域大气颗粒物污染分布特征的有力工具。长三角地区激光雷达观测网部分站点的激光雷达资料与地面气象数据、PM2.5、PM10质量浓度数据,以及HYSPLIT后向轨迹模型模拟的后向轨迹相结合,对2016年9月杭州及其周边地区一次颗粒物污染的来源和成因进行了分析。分析结果表明,9月8日杭州颗粒物污染过程是该地区局地污染与高空输送共同作用的结果,且粗粒子主要来源于西北方向。杭州地区SO$_2$浓度整体较低,PM2.5浓度与NO$_2$浓度呈正相关,细颗粒物主要以硝酸盐为主。较高的NO$_2$浓度和高湿度、低风速的不利气象条件,是该地区局地细粒子快速增长的主要原因。     

NH3的腔增强吸收光谱检测技术

为了研究腔增强吸收光谱技术是否能用于NH₃气体浓度的检测,采用扫描腔长的方法,以分布反馈式可调谐半导体激光器作光源,用两块高反射率平凹透镜（反射率约为99.9%,曲率半径约为1m）组成的光学谐振腔作吸收池,搭建腔增强吸收光谱装置。在34cm长的吸收池内测量NH₃气体分子在1.5μm附近的弱吸收谱线;通过不断增加NH₃气体浓度来改变腔内压强,每充入一次NH₃都测量并保存一次吸收光谱。通过数据处理,分析谱线宽度随气体浓度变化的关系以及吸收度随腔内压强增加的变化情况,发现都能呈现出良好的线性关系,并对残差噪声进行统计分析,得到了3.3×10-8cm-1的最小探测灵敏度。结果表明,高探测灵敏度的腔增强吸收光谱技术,可以实现NH₃气体浓度的测量,并能得到较好的探测精度。     

Intra-Cavity Absorption Sensors for Gas Detection Using Wavelength Sweep Technique

Wavelength sweep technique (WST) is introduced into intra-cavity fiber laser (ICFL) for low concentration gas detection. The limitation induced by noise can be eliminated using this method, and the performance of the system is improved. The sensitivity of the system is reduced to less than 300 ppm. With WST, sweeping characteristic of the ICFL can be described according to known gas absorption spectra.     

Wavelength Sweep of Intracavity Fiber Laser for Low Concentration Gas Detection

Wavelength sweep technique (WST) is introduced into intracavity fiber laser (ICFL) for low concentration gas detection. The limitation induced by noise can be eliminated using this method, and the performance of the system is improved. The sensitivity of the system is reduced to less than 200 ppm. With WST, the sweeping characteristic of the ICFL can be described according to known gas absorption spectra.      

基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法

针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm^-1。系统对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度的检测量程分...     

基于自编码网络特征降维的轻量级入侵检测模型

基于支持向量机(SVM)的入侵检测方法受时间和空间复杂度约束,在高维特征空间计算时面临“维数灾害”的问题.为此,本文提出一种基于自编码网络的支持向量机入侵检测模型(AN-SVM).首先,该模型采用多层无监督的限制玻尔兹曼机(RBM)将高维、非线性的原始数据映射至低维空间,建立高维空间和低维空间的双向映射自编码网络结构,进而运用基于反向传播网络的自编码网络权值微调算法重构低维空间数据的最优高维表示,从而获得原始数据的相应最优低维表示;最后,采用SVM分类算法对所学习到的最优低维表示进行入侵识别.实验结果表明,AN-SVM模型降低了入侵检测模型中分类的训练时间和测试时间,并且分类效果优于传统算法,是一种可行且高效的轻量级入侵检测模型.     

逐线积分气体吸收模型及其在FTIR气体检测中的应用

介绍了一种精确的逐线积分痕量气体吸收模型,该模型适用于中红外波段大气环境中痕量气体和污染气体检测的理论研究和工程应用。该模型利用HITRAN光谱数据库,考虑了展宽、线翼截断、温度修正及光谱分辨率变化等情况,可以有效地模拟大气环境中多种气体的红外吸收特征。文中详细描述了模型的算法细节,并给出了模型计算的结果与傅里叶变换光谱仪(FTIR)实测数据的对比,还举例介绍了吸收模型在FTIR气体探测技术中的实际应用,并使用该模型对测量的红外傅里叶变换光谱进行了定量分析,模拟了计算校准谱,并与实测光谱进行了非线性最小二乘拟合,实现了在无需测量校准气体的情况下同时对多种气体进行浓度的反演。