差分吸收激光雷达测量环境SO2

提出了一种新的差分吸收激光雷达(DIAL)技术探测大气环境SO2。利用Nd：YAG激光器的四倍频266．0nm抽运甲烷和氘气，可以获得它们的一级斯托克斯拉曼频移波长288．38nm和289．04nm。SO2对波长为289．04nm的激光吸收较强，对288．38nm的激光吸收较弱，波长对288．38nm和289．04nm可用于大气SO2的测量。利用这种技术，建立了一台测量大气SO2的差分吸收激光雷达，并进行了实际测量和初步研究，对激光雷达测量SO2误差的主要来源进行了分析．并估计了测量误差的大小。差分吸收激光雷达的测量结果与仪器测量结果相比具有可比性。     

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.     

基于傅里叶变换的差分吸收光谱法测量NH_3和SO_2浓度的实验研究

针对氨气(NH3)和二氧化硫(SO2)气体吸收谱线在196~214 nm波段区域存在谱线重叠的问题,在采用傅里叶变换的差分吸收光谱法测量气体浓度基础上,采用分波段方法,解决NH3和SO2特征频谱相互串扰对测量的影响,采用非线性修正方法,解决在SO2高浓度情况下出现的非线性吸收对NH3气体测量的影响,采用经验模态分解(EMD)降噪处理方法,提高信噪比,最终实现对NH3和SO2气体浓度的同时准确测量。实验结果显示,NH3各个浓度测量误差均在±0.15 m L/m3以内,相对误差不超过±1.5%,最低可探测浓度为1.5 m L/m3;SO2各个浓度测量误差均在±2 m L/m3以内,相对误差不超过±1%,最低可探测浓度为16 m L/m3。     

基于非线性AgGaSe2晶体的光纤 SO2传感器

根据SO2气体的吸收光谱,选择波长为1268nm的单极性半导体激光器和波长为1083nm的分布反馈式半导体激光器,经光纤耦合作为泵浦光并通过周期性极化的AgGaSe2晶体叠加,产生对SO2具有强吸收的7.4μm连续差频光,研制出一种光纤传感器,实现了对二氧化硫气体的检测.该传感器具有检测灵敏度高、稳定性好、结构简单及可在线测量等特点.实验结果表明,这种传感器的检测灵敏度为7.5×10-4.     

污染气体SO2和NO2紫外和可见光谱吸收截面测量

本文用我们自己研制的光谱测量系统测量了常温下的SO2在250～330nm波段和NO2在280～600nm波段的吸收截面,波长分辨率优于0.1nm,该测量结果可适用于传统低光谱分辨率仪器遥感大气污染气体含量,也可为激光差分吸收测量或激光雷达测量污染气体含量提供参考。     

大气污染物SO2的光声探测

以波长为266nm的激光为激发光源,采用脉冲光声光谱技术,用自制的光声探测装置对SO2分子的光声吸收特性进行了实验研究,获得了室温、665Pa气压的实验条件下声音在SO2气体中的传播速度.通过测量光声信号随实验条件的变化发现,光声信号强度随激光能量的增加而增大,随缓冲气体压强升高而增大,缓冲气压增加到约2.66×104Pa时出现饱和现象.在标准大气压情况下,测量了痕量SO2气体的浓度,采用这套光声探测装置,SO2气体探测灵敏度可以达到9.1×10-6.     

基于中红外量子级联激光器的SO2 和SO3 检测研究

二氧化硫 (SO2) 和三氧化硫 (SO3) 是工业废气排放中的重要物质, 对环境和人体健康危害很大, 但对于他们 在排放过程中的原位-在线测量一直是个挑战。采用可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 技术, 基于 7.16 µm 量子级 联激光器 (QCL) 对 SO2 和 SO3 进行同时检测, 通过波长调制光谱技术提高测量系统的灵敏度和鲁棒性。在高温低压 条件下采用单光程-小体积的气体吸收池利用 TDLAS 同时测量 SO2 和 SO3 的吸收谱线, 测量的 SO2 和 SO3 的吸收 光谱充分分离, 从而确保了测量的准确性。同时, 修正了温度变化对 SO2 气体浓度测量的影响, 并提出了用已知浓度 的 SO2 来定标未知浓度的 SO3 气体。 Allan 方差分析表明, 在 34 s 的积分时间内, SO2 的最小检测限达到了1.98×10−6 cm3·cm−3, SO3 可探测的最低浓度为 1.575 ×10−6 cm3·cm−3。系统的上升响应时间约为 16 s, 下降响应时间约为 18 s。     

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.     

长光程差分吸收光谱法测量大气SO2浓度研究

差分吸收光谱技术测量空气中痕量气体浓度时,结果准确性受标准差分吸收截面和仪器函数影响.为此,提出采用多种浓度样气计算差分吸收截面的方法,将测得的差分吸收截面应用于实验室SO2样气的测量,得到SO2气体浓度相对误差为1.67％;现场测量大气中SO2气体浓度最大值为66.73ppb,最小值为12.49ppb,日平均浓度为28.2ppb,符合当地实际.实验表明,该方法能够准确测量大气中SO2气体浓度.     

激光SO2烟气自动遥测系统研究

对于SO2烟气的现有监测技术是采样分析系统,属化学手段.即采集一定量SO2烟气,利用特征化学方法,反演出SO2实际浓度,再调节治理技术中的相关环节,以控制SO2排放.但这种监测方法费时费力,无法实现实时在线控制.而且所测数据有很大的离散失真,难以作为治理技术的依据. 我们采用紫外吸收光谱技术,利用激光光源在开路大气中的气体吸收,根据SO2的特征吸收谱线,从而获得实时SO2的浓度.系统采用光纤系统,无接触测量,实现真正意义上的遥测. 根据比尔朗伯吸收定律,介质对光的吸收仅由介质浓度,介质厚度(即光通过的路径长度)和介质的吸收特性决定.在气象条件(温度、气压、湿度、风速和风向等)波动不大的前提下,吸收程度与介质的浓度呈线性关系,对于SO2,由于火力发电烟囱的高度为200 m左右,采样系统较难完成监测浓度的任务. 我们使用光纤系统,可以同时完成背景测量和背景扣除,从而获得SO2的纯吸收谱线,能够连续稳定地监测高浓度烟气SO2的实时浓度,利用自主开发的处理软件,可以在一分钟之内完成一个测量周期,所获得的数据真实、准确,为SO2治理技术实现实时反馈控制奠定了基础.(PE19)     

1.06μm直接接收米散射测风激光雷达的性能分析

介绍了基于Fabry2Perot 标准具的直接接收米散射1064nm 测风激光雷达的工作原理, 设计了利用该原理进行风场测量的激光雷达,并估算了该系统的设计性能,进行了系统测量误差分析,结果表明:高度在10km 内和风速测量的动态范围内的误差小于2m/ s ,测量精度随径向测量速度的增大而下降,在低对流层的测量精度、分辨率和测量时间在目前的系统参数条件下还可以提高。     

星载测风激光雷达系统鉴频器性能模拟比较

模拟了基于355nm波长双边缘FP（Fabry-Perot）鉴频器和基于532nm波长碘分子鉴频器的星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差,以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0-5km高度范围,532nm碘分子鉴频器系统测风误差低于355nm 双边缘FP系统,而对于距地面5km以上大气范围,FP系统风速误差比碘分子鉴频器系统低25%。     

接收光路光束发散角对多普勒测风激光雷达测量精度的影响

介绍了已研制的基于Fabry-Perot标准具直接探测多普勒激光雷达的风速测量原理,讨论了接收光路光束发散角对测风激光雷达系统测量精度的影响.数值计算结果表明当接收光路光束发散角小于1 mrad时,由于光束发散引起的多普勒速度测量相对误差可以控制在5%之内,并在实测光路发散角的基础上分析了系统的测量误差,结果显示,在5 km时最大测量速度误差为0.6 m/s.     

自适应滤波在拉曼激光雷达数据处理中的应用

在拉曼(Raman)激光雷达探测CO2实验中所采集的拉曼回波信号具有比较大的统计误差,有效减小统计误差,获得较高的探测精度是非常重要的工作.利用自适应滤波器对拉曼回波信号分段进行数据处理,可得到在分段的各个空间间隔内的随距离几乎不变的CO2混合比统计误差,经过自适应滤波器对信号进行处理后,Raman激光雷达对合肥地区夜晚CO2气体浓度探测达到比较高的测量精度,在1.5～5 km高度范围内,CO2浓度统计误差最大为2.5%,5～8 km统计误差最大为5%,8～10 km统计误差最大为10%.利用此技术也可以量化估计在较高的空间分辨率下满足探测精度要求的激光脉冲数.     

临近空间多普勒激光雷达技术及其应用（特邀）

研制了车载钠荧光散射多普勒激光雷达和车载532 nm瑞利散射多普勒激光雷达用于测量临近空间大气温度和风场。在钠荧光散射多普勒激光雷达中使用了三频比率多普勒测量方法获得80~100 km的温度和风场。在532 nm瑞利散射多普勒激光雷达中,使用碘分子吸收线边缘技术测量70 km 以下的风场,使用积分方法测量80 km以下的温度。在距离分辨率为1 km、时间分辨率为1 h情况下,40 km处的大气温度、风速测量不确定度约为0.2 K和0.4 m/s;70 km处约为1.5 K和5.5 m/s;92 km处约为0.3 K和1.0 m/s。这两部激光雷达已经在北京、青海、甘肃等地进行了长期观测,应用于临近空间环境特性研究。     

脉冲调制激光雷达水下成像系统

针对水下目标探测应用场景,给出了相应的532 nm波长激光雷达系统参数,结合条纹管激光雷达和载波调制激光雷达的优点,设计研制了一套水下三维成像增程激光雷达原理样机。相对于常见的微波调制激光产生高频脉冲的方案,该原理样机采取调Q技术压缩激光脉冲,再结合F-P腔的特性产生高频激光脉冲,具有峰值功率高和输出能量高的优点。实验结果表明,该原理样机在清水环境中成像距离优于20 m,能够捕捉到13 m处直径9 mm的目标细节;在浊水环境中的信号处理增程能力达到81.4%,相对距离分辨误差为0.01 m。所获得的实验结果为进一步提升水下激光雷达的成像距离和分辨率进而发展水下成像装备奠定了基础。     

合肥上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

为研究中层大气分布情况,采用自行研制的532 nm瑞利（Rayleigh）散射激光雷达,对合肥地区（31.90 N,117.170 E）25~40 km高度范围内的大气密度和温度廓线分布进行观测。将瑞利散射激光雷达所测结果与NRLMSISE-00大气模型数据进行对比,以验证瑞利散射激光雷达性能及数据处理方法的可靠性。通过数据对比得出,在25~40 km高度范围内,瑞利散射激光雷达获得的大气密度值与NRLMSISE-00大气模型密度值的比值为0.99~1.03;瑞利散射激光雷达所测温度值与NRLMSISE-00大气模型数据的温度偏差均值约为2.8 K,其中38 km以下两者温度偏差约为1.6 K。数据对比说明,瑞利散射激光雷达观测值与NRLMSISE-00大气模型数据具有较一致的密度分布特征和温度分布特征,瑞利散射激光雷达的观测结果能够较真实地反映合肥上空25~40 km高度范围内的大气密度和温度分布。     

海洋激光雷达测量水体剖面偏振信号的仿真模拟

基于蒙特卡洛模拟方法,建立了一个水中激光偏振辐射传输模型,用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波,分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层,其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm,接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号,并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明,由于激光在水中的多次散射过程,随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大,激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低,导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例,中浓度散射层情况下,在散射层上（0~10 m）、散射层中（10~30 m）和散射层下（30~40 m）的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%;在散射层中,低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时,退偏振比相对误差逐渐增大,在中浓度散射层情况下,其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明,偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时,由于多次散射过程的影响,传统的退偏振比算法会引入较大误差,有必要在反演算法中对其进行校正,以提高激光雷达的探测精度。     

星载海洋激光雷达叶绿素剖面探测能力估算

为了评估和分析星载海洋激光雷达探测全球海洋光学参数的性能，依据激光雷达方程和蒙特卡罗模型结果模拟计算激光传输信号，开发了星载海洋激光雷达仿真模拟系统。仿真模拟系统由正向模拟、数据反演与误差分析三部分组成，能够模拟激光发射、传输和探测的全过程。根据给定的激光雷达参数，模拟了443 nm、486.1 nm和532 nm波长在地中海、印度洋、南大洋与太平洋四个典型海区的探测信号。研究结果表明，443 nm和486 nm波长的探测深度在各个海区均比较接近，并且均比532 nm更深。在给定的激光雷达参数情况下，486.1 nm波长在太平洋和南大洋的探测深度分别为120 m和70 m，在地中海和印度洋的探测深度均为约100 m。叶绿素a浓度在以上海区的探测深度分别约为80 m、50 m和70 m。     

用车载差分吸收激光雷达系统遥测二氧化硫

介绍了自行研制的车载差分吸收激光雷达系统，此台雷达被用于监测大气污染如二氧化硫等。利用此台雷达在北京和合肥进行了实地测量，给出了对二氧化硫测量的典型结果并进行讨论分析。