3.53μm激光外差太阳光谱测量系统

激光外差技术具有高光谱分辨率特性,常用于地球大气探测研究,尤其是测量整层大气透过率及气体浓度反演。本论文设计了以窄线宽3.53μm分布反馈式带间级联激光器作为本振光源的激光外差系统,实现了整层大气中水汽和甲烷气体吸收光谱的测量,系统光谱分辨率达到0.002cm-1,信噪比为24.9dB,达到多普勒线型吸收谱线的测量要求。利用自行搭建的测量系统测量了3.53μm波段整层大气透过率,与辐射传输软件仿真分析结果进行对比,其绝对差值小于0.1,实测透过率与仿真透过率具有相同的变化趋势。该系统结合最小二乘法实现了实际大气中水汽和甲烷的同步反演,合肥地区春季水汽和甲烷的柱浓度均值分别为1.20g/cm2和1.31mg/cm2。通过对3.53μm激光外差太阳光谱测量系统的研究,掌握了调提高光谱分辨率和信噪比的方法,为获取大气分子更加准确的吸收谱线和气体浓度反演奠定了基础。     

3.66μm激光外差光谱仪设计与水汽柱浓度反演

激光外差光谱测量技术具有光谱分辨率高、探测灵敏度高、成本低等特点,近年来在温室气体探测、激光大气传输等领域得到了广泛的应用。以3.66 μm 分布反馈式带间级联激光器作为本振光源搭建了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,实现了水汽吸收光谱的实时测量,并利用最优估算法对整层大气中的水汽柱浓度进行了反演,得到合肥地区2019年5月22日和23日的水汽柱浓度。反演结果与同步进行观测的傅里叶变换光谱仪EM27/SUN测量结果变化趋势一致,相关性优于0.8,偏差小于15%。研究结果表明,搭建的激光外差测量装置能够实现大气中水汽吸收光谱的实时测量以及水汽柱浓度的精确反演,同时为后续的水汽浓度廓线测量与研究奠定了基础。     

地表气压对温室气体柱总量反演的敏感性分析及敦煌地区温室气体的柱总量观测

地表气压对温室气体浓度反演具有非常重要的影响。利用地基便携式傅里叶变换光谱仪EM27/SUN观测了敦煌地区H2O,CO2,CH4及CO气体分子的浓度,获得了2018年6月27日到7月21日敦煌地区大气中XH2O,XCO2,XCH4及XCO的时间序列,结合敦煌观测数据,定量分析了地表气压对气体柱-平均摩尔分数Xgas(column-averaged dry air mole fractions, DMFs)反演的影响。结果表明:XH2O,XCO2,XCH4及XCO与地表气压密切相关,相关系数均高于0.99,柱总量随地表气压的变化快慢决定柱-平均摩尔分数随地表气压的变化趋势。相比较CO2,CH4及CO分子,XH2O对地表气压的敏感性较弱,地表气压改变1 hPa,XH2O,XCO2,XCH4及XCO分别变化0.027 8%,0.065 9%,0.068 6%和0.062%;观测期间,H2O,CO2的浓度变化幅度波动较大,XCH4,XCO变化较小,XH2O平均值在2 000×10-6~6 000×10-6变化,而XCO2平均值在407.27×10-6~417.60×10-6变化,敦煌站点XH2O,XCO2,XCH4及XCO的测量精度分别为2.3%,0.14%,0.12%及1.7%,XCO2及XCH4的测量精度均优于TCCON网的测量精度;与GOSAT卫星数据对比结果显示,地基反演的XCO2,XCH4值均偏大,XCO2的绝对偏差为7.07×10-6,XCH4的绝对偏差为0.025×10-6;与WACCM数据对比显示,地基反演XCO2结果多数大于WACCM值,最大绝对偏差可以达到8.0×10-6,地基反演XCH4值小于WACCM值,最大绝对偏差为0.032×10-6。实时观测数据更能反映当地的具体情况,研究结果可为我国温暖带干旱性气候温室气体源与汇的研究提供数据支撑和理论基础。     

FPGA主控型数字锁相放大器设计及光谱测量EI北大核心CSCD

针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO_(2)浓度低的特点,结合波长调制TDLAS技术,设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器,实现锁相放大和数据采集功能一体化,并将其成功应用于低浓度CO_(2)检测中。为解决低浓度CO_(2)吸收微弱、噪声强等问题,设计了高精度ADC模块,电压分辨率可达0.3 mV;基于DDS原理内部产生正余弦参考信号,保证谐波信号单一性,且实现参考信号频率可调节,覆盖范围1~40 kHz;改进了CIC滤波器,并通过降采样级联FIR滤波器的方式,以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波,积分时间200μs~20 ms可调;基于CORDIC算法实现平方和开根运算,相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化,基于Qt实现上位机并结合串口通信,使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下,测量了CO_(2)在2μm波段的吸收光谱,获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6,相较于直接吸收信噪比8.8,提高约11.7倍;设计并开展低浓度CO_(2)标定实验,获取二次谐波信号幅值和CO_(2)浓度之间的线性关系,相关度为0.996;在纯氮气条件下,利用Allan方差评估了系统性能,平均时间为2 s时,系统检测下限1.30 ppm(1 ppm=10−6),平均时间为180 s时,系统检测下限0.19 ppm;分析了系统响应时间,可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明,设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点,可满足传输内通道中低浓度CO_(2)的检测需求。     

V形结构离轴积分腔吸收光谱测量装置设计与研究

以2μm窄线宽分布式反馈(DFB)激光器为光源，搭建了一套新型V形结构离轴积分腔吸收光谱实验装置。利用LightTools光学仿真软件对实验光路进行模拟仿真和优化分析，获得了V形腔内的高反射镜表面光斑分布规律，选择合适的入射角度可很好地提高镜面利用效率，并进一步确定了在V形结构双边对称且单边臂长为25 cm的情况下，腔体最佳夹角为23.06°。根据设计加工腔体并搭建吸收光谱实验装置，使用体积分数为400×10^-6的CO₂标准气体在4991.258 cm^-1处对装置进行了实验研究，标定了高反镜的实际反射率和V形腔的有效光程。通过测量装置的Allan方差评估了实验装置的性能，实验结果表明，当平均时间为375 s时，装置检测限可达0.35×10^-6。利用该装置在4986.9955 cm^-1处对室内NH₃分子进行测量，获得了NH₃的吸收谱线，同时使用Savitzky-Golay算法对光谱数据进行平滑处理，获得了46.06的信噪比，展示了V形结...