基于TDLAS技术1.65μm附近乙烷分子高分辨吸收光谱测量

基于可调谐半导体激光光谱(TDLAS)技术,结合实验室自制程长可达50 m的Herriot池,使用波长计对乙烷吸收谱线进行了准确定标,并根据记录的光谱数据,精确测量了6039～6054 cm-1波段内71条乙烷分子的谱线(中心位置及谱线强度),最小可探测谱线吸收强度为10-25 cm-1/(molecule·cm-2),对结果及误差进行了详细分析,为进一步研究天然气提供了重要参考.     

调制转移光谱的最佳吸收程

调制转移光外差光谱信号的信噪比(SNR)和中心斜率与吸收程等有关.采用吸收程微元叠加法———把吸收程分成n段,计算出每一段产生的调制转移光谱信号元,再对n求和得到总的调制转移光谱信号.利用该方法,理论上研究了调制转移光谱信号相对强度及中心斜率随吸收程的变化,得到最佳吸收程.实验上比较了碘池温度为-15℃时一倍程(40 cm),二倍程(80 cm),三倍程(120 cm)和四倍程(160 cm)的光谱信号信噪比和谱线中心斜率,得到三倍程时信号信噪比和谱线中心斜率为最大,估算得到相应的激光稳频精度为9×10-14(1 s积分时间).通过吸收程优化过程获得的调制转移光谱信号用于激光频率稳定控制,有望获得更高的稳频精度.     

基于激光诱导击穿光谱的塑料鉴别研究

不同种类塑料所含元素及含量不同,通过激光诱导击穿光谱技术结合机器学习算法以塑料基体元素(C、H、O、N)的原子及分子光谱峰值强度对7种塑料进行区分,避免了光谱中大量背景噪声及无关元素的干扰,分类时间较短并取得了较好的识别率,同时又以谱线积分强度对塑料进行鉴别,减弱了光谱波动和谱线线型等对分类的影响。实验结果表明利用谱线积分强度对塑料进行区分的识别正确率较谱线峰值强度有所提升。     

脐橙含铅量的激光诱导击穿光谱检测实验研究

实验利用1064nm Nd:YAG纳秒激光器诱导击穿脐橙样品产生等离子体光谱,用八通道光纤光谱仪测量脐橙的激光诱导击穿光谱(LIBS)特性,通过鉴别分析,选取铅的(PbI 405.78nm)特征谱线作为分析线,测定不同铅浓度下的特征谱线强度,根据谱线强度与浓度的关系,建立定标曲线。实验结果表明,脐橙中重金属铅元素含量较低时,其光谱谱线强度与浓度呈线性关系,其拟合度为0.95;脐橙中重金属铅元素含量较高时,等离子体发射光谱的谱线存在自吸收现象,使其定标曲线向下偏移趋势,呈现曲线关系,其拟合度为0.98。LIBS技术还可以快速分析出水果样品中重金属元素的相对含量,能实际应用于与食品安全相关的领域。     

土壤中微量重金属元素Pb的激光诱导击穿谱

从实验上测定了土壤在可见光谱区的激光诱导击穿光谱(LIBS),对测定的光谱结构进行了分析,并对可观测的谱线进行了归属,得出土壤所含的主要元素和部分微量元素;测定了不同Pb掺杂浓度下土壤中微量元素Pb405.78 nm谱线的强度,采用内标法拟合得到了该分析谱线的激光诱导击穿光谱定标曲线,由定标曲线的拟合结果计算得到Pb元素的检测限质量分数为36.7×10-6。     

天空背景近红外氧气A带光谱测量与分析

为研究被动测距技术中天空背景近红外氧气A带光谱特性,利用高光谱成像光谱仪,对不同天顶角下的天空近红外氧气A带光谱进行测量,并依据被动测距原理,计算出不同天顶角下的天空背景光谱的氧气吸收率。测量结果表明:天空背景光谱在氧气A带中有明显的特征吸收谱线存在,并且天顶角越大天空光谱氧气A带吸收强度越强,氧气吸收率越大。这为后续被动测距的背景抑制和目标光谱准确提取奠定了基础。     

更新升级的通用大气辐射传输软件CART2（特约）

采用HITRAN2016数据库,研制了新的大气分子吸收系数数据库,应用于更新的第二版通用辐射大气传输软件CART2。增加了光谱分辨率为0.1 cm?1的CART2P1程序模块。相对于CART1.0,大气分子吸收考虑了更多的分子弱谱线的吸收,扩展了计算波段。计算结果与LBLRTM和MODTRAN5对比表明,CART2能够精确地模拟大气分子的吸收;计算结果与地基实际测量的红外高分辨率太阳光谱吻合的非常好。具备0.1 cm?1光谱分辨率的CART2计算的大气透过率和环境背景辐射可以分辨出分立的大气分子吸收谱线,能够在中高光谱分辨率的光学工程和有些激光工程的大气传输计算中得到应用。     

飞秒激光诱导Zn等离子体发射光谱时间演化特性

利用增强电荷耦合器(ICCD)光谱探测系统对飞秒激光诱导的Zn等离子体发射光谱进行时间分辨的采集和分析,研究飞秒激光等离子体光谱及其参量的时间演化特性。分析Zn等离子体的连续谱和特征谱的谱线强度随时间的演化,发现连续谱先出现且寿命只有100 ns,随后出现特征谱,对应于不同跃迁的谱强度不同。同时由谱线的展宽和强度及其跃迁能级的相关参数等得到电子密度和温度随时间的演化规律。对谱线频移进行了分析,研究发现在等离子体膨胀初期Zn原子特征谱线(Zn I)481.0 nm的特征谱线存在较大红移,可达到0.23 nm,延时300 ns后,红移变得很小。频移随电子密度的变化近似呈线性关系。     

双谱线内标对激光诱导击穿光谱稳定性的改善

为了改善激光诱导击穿光谱稳定性,提出了一种双谱线内标算法,采用分析谱线强度与两条内标谱线强度之和归一化的方式提高分析光谱的稳定性。以钢铁中的硅元素谱线Si Ⅰ 288.16nm为例,对算法进行了数值计算和模拟,最后以锰和铜谱线为例对算法的普遍性进行了验证。结果表明,在激光诱导等离子典型温度和电子数密度区域,采用双谱线内标算法比普通内标法能更有效地改善分析谱线的稳定性。     

基于太赫兹衰减全反射光谱的固体乳糖测试

利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了固态α-乳糖的光谱特性,首先实验以传统透射式光谱技术为基准,获得了0.53 THz,1.36 THz 2个较强的吸收峰;其次,取剂量分别为1.8 mg+2.56 mg与1.8 mg的α-乳糖,利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线,在0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰,增加样品剂量对0.53 THz,1.36 THz处吸收强度未产生影响;最后取相同剂量的2份α-乳糖,一份过筛至75μm,另一份未过筛,利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线,在0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰;减小样品颗粒度,在0.53 THz,1.36 THz附近吸收强度增加。     

基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱技术研究

介绍了基于量子级联激光器的脉内光谱技术,一个长激发脉冲应用在中心波长为7.85 μm脉冲量子级联激光器上,用于快速波长扫描,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在1273.7 cm-1的N2O 吸收谱线.     

卫星遥感气溶胶光学厚度在北京2008年地面空气质量监测上的应用

利用卫星遥感地面空气质量是近年来随着空间遥感手段的进步而发展起来的一项新技术,如何利用卫星遥感的大气气溶胶光学厚度产品来定量评估地面空气质量是个难题.利用高分辨率的大气气溶胶光学厚度产品,经过垂直分布的订正和湿度影响的订正,分别得到地面气溶胶消光系数和地面"干"气溶胶消光系数.通过与地面PM10质量浓度的相关分析表明,地面气溶胶消光系数具有比大气气溶胶光学厚度更高的相关系数,而经过湿度订正的"干"气溶胶消光系数具有比前两者更高的相关系数.利用华北地区"干"气溶胶消光系数的分布评估了2008年夏季气溶胶变化情况,与往年同期相比,地面气溶胶消光季节平均下降约17%～20%,而华北平原其他城市和地区则没有显著变化,说明北京地区气溶胶浓度的下降与局地减排有直接关系.     

北京机场奥运期间C2H4变化特性

大气中的挥发性有机物是空气中影响人体健康的重要污染物,它们在光化学烟雾、酸雨、全球变暖等环境问题中也起到重要作用.使用傅里叶变换红外光谱测量了奥运期间首都机场C2H4浓度变化,通过最小二乘法拟合得到C2H4在不同时间段内的浓度值.C2H4/C2H6值的变化趋势是晚上较高,白天较低,受汽车尾气影响.C2H4浓度变化则是受机动车和飞机尾气的共同影响.奥运会期间C2H4浓度变化受飞机影响很大,浓度变化和飞机架次相关性很好.     

奥运期间北京SO2、NO2、O3以及PM10污染水平及变化特征分析

结合遥感所、云岗镇、燕山石化及首都机场4个站点2008年6月至9月期间SO2、NO2、O3以及PM10的监测结果,对北京奥运期间主要污染物浓度水平和变化特征进行分析.PM10为北京市的主要污染物,各时段市区站点PM10均明显高于市郊站点,城郊差异从7月1日至7月19日以及7月20日至8月24日时段的50%减少至8月8日至8月24日以及9月6日至9月17日时段的25%左右.城郊各阶段PM10日变化的差异主要表现在凌晨至11:00前后的时段.一次污染物SO2和NO2均达到国家大气环境质量二级标准,随着减排措施的实施,降幅均超过14%.从日变化曲线来看,各站点NO2基本呈双峰型特征,SO2在燕山石化和云岗镇站点表现出双峰态.O3作为光化学烟雾的指示剂,各站点O3呈现出白天高、夜晚低的日变化特征.云岗镇和燕山石化的O3日变化表现出明显的双峰型.4个站点O3在实施减排措施的初始阶段呈现出升高的趋势, 7月20日后的统计数据表明后期O3浓度持续下降,平均日变化最大值和最小值的比值减小.各个污染物浓度在8月8日至8月24日时段下降最为显著.相比于7月1日至7月19日减排措施实施的起始阶段,各站点在7月20日至8月24日奥运期间SO2、NO2、O3和PM10降低幅度分别为14%～33%,15%～61%,2.5%～14%和10%～12%.     

海洋大气湍流对激光通信系统性能的影响分析

大气湍流引起光波强度在光束截面内的闪烁,降低了激光通信系统的信噪比.应用基于Rytov近似的激光大气传输光强起伏理论模型,在局地均匀各向同性Kolmogolov湍流谱的假设条件下,对大气湍流引起的光强起伏进行了分析.并从信号检测理论出发,将大气湍流与激光通信系统误码率指标相结合.分析结果表明,在典型的海洋大气湍流环境下,以误码率指标衡量,随着C2n的增加,激光通信系统的有效作用距离大大缩短,当C2n达到5×10-15m-2/3时,通信的有效距离不足2 km,当C2n达到3×10-14m-2/3时,通信的有效距离降至1 km以下.     

北京奥运期间的碳黑气溶胶观测研究

2008年7～8月在北京市奥体中心的遥感所站点连续实时监测碳黑气溶胶(BC),研究其在北京奥运期间的变化特征和来源.奥运会前BC平均质量浓度约为4.58μg/m3,而奥运会期间其平均浓度约为3.07μg/m3,下降比约为33.0%,这说明减排措施有效降低了BC的排放总量.同步监测的可吸入颗粒物(PM10)与BC一致性较好,相关系数为0.86,BC约占PM10的1.9%.比对2007年同期BC浓度数据,也证实了北京地区在实行各项减排措施后,BC的污染情况有较大好转.     

奥运期间北京及周边地区霾天空气质量监测

北京的空气质量尤其是夏天经常出现的霾天污染状况,是奥运期间全世界共同关注的问题.2008年8月奥运期间,中国科学院开展了北京及周边地区奥运大气环境监测工作,具体包括地面连续点监测,地基监测和卫星遥感监测等不同形式的监测.卫星监测可以获得霾天大区域分布的范围和光学厚度状况;遥感所超级站监测结果显示奥运期间北京及周边地区霾天的平均水汽含量为68.84%,只比非霾天的64.61%高4.23%.地基监测结果还表明:霾天光学厚度大多在1.0以上,能见度基本在5 km左右;8月非霾天可吸入颗粒物浓度PM2.5和PM10浓度分别为29.58 μg/m3和76.05 μg/m3,但霾天的PM2.5和PM10浓度则分别为68.08 μg/m3和178.81 μg/m3.NO2对流层柱浓度监测结果表明,北京市城区仍然是NO2主要排放源,和天津、唐山,以及河北、山东、山西、河南等地部分地区共同构成NO2对流层柱浓度高值区.根据监测结果分析和模式风廓线后向轨迹数据等分析,北京霾天是在充足的水汽和稳定的大气环境条件下,可溶性细粒子经过吸湿增长后促使能见度急剧下降而成.如超级站的监测结果表明PM10的质量消光截面在空气相对湿度达到95%时有一个迅速增大的过程.     

北京奥运期间石化工业区多组分污染气体的开放光程FTIR监测

利用自行研制的开放光程傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量系统于2008奥运期间对北京燕山地区大气中的HCHO,CH4,CH3OH,C2H6,C2H4,C2H2和CH3COCH3气体进行了连续监测,介绍了系统的组成及光谱数据处理方法,并对浓度测量结果进行了分析。研究结果显示,7月20日限行措施实施后,除C2H4外,其他气体日平均浓度均有明显下降,平均幅度约29%,奥运期间平均降幅达34%,受局部气象条件引起的本底浓度暂时性波动影响,监测指标物中,C2H4平均浓度分别增加6.09%和19.66%,但其日变化幅度明显下降,表明北京市奥运期间的控制减排措施有效。     

近地面中短程激光测距的大气传输特性研究

对激光测距过程中大气吸收和散射、大气湍流的影响进行了研究,并分析了常见的1.06μm近地面中短程激光测距的大气传输特点,为激光测距机的设计和应用提供了参考.     

空气动力学粒径谱与微量振荡天平颗粒物质量浓度的测量比较

空气动力学粒径谱仪和微量振荡天平法测尘仪的工作原理不同,数据表示形式不同.用APS3321空气动力学粒径谱仪对北京2008年冬、春、夏进行大气颗粒物粒径分布和质量浓度测量,同步使用3台R&P1400a的微量振荡天平法测尘仪分别测量空气中的PM10、PM2.5和PM1.0的质量浓度,对两种方法测量的数据进行相关比较,获得微量振荡天平法测尘仪与空气动力学粒径谱仪的测量数据的相关性,建立了回归方程.