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.     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标机构设计

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(星载仪器)搭载于太阳同步轨道卫星上,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。星上定标是成像光谱仪获取数据定量化应用的基础,星载仪器采用太阳光定标方式和标准灯定标方式进行在轨定标。需对星上定标方式采用的定标机构进行分析和合理的设计,以保证星载仪器在轨定标的可靠性和精度。     

成像差分吸收光谱技术的软件研发与数据反演

成像差分吸收光谱技术 (IDOAS) 能够显示污染物的空间分布, 目前已成功运用于地基扫描、机载与星载等 多个平台, 为环境监测及治理提供了有力支撑, 其中地基 IDOAS 主要运用于对某一污染源的探测。分析了成像系统 基于“推扫”方式的工作原理, 并将此技术应用于城市大气边界层污染物分布的探测。为更高效使用差分吸收光谱技术 (DOAS) 反演各种痕量气体成分, 更精确地分析污染气体的时空分布特征, 对 QDoas 软件进行了源码级分析和优化。 在 Windows 平台上, 使用 C++ 和 QT 对 QDoas 代码进行重组, 通过重新提取、整合、改写与优化代码, 实现了更快速 便捷的反演功能模块。为检验模块的反演效果, 以大气中常见的污染物 NO2 和 SO2 为例, 于 2019 年 11 月 6 日在铜 陵富鑫钢铁厂开展了现场观测实验。使用新编软件对观测数据进行数据反演后成功获得污染气体的二维分布信息图, 证实了该软件在实际大气环境监测中的适用性。     

奥运期间北京对流层NO2柱浓度地基多轴差分吸收光谱仪观测与OMI的对比

利用地基多轴差分吸收光谱仪(multi axis differential optical absorption spectroscopy,MAX-DOAS)在2008年北京奥运期间对奥运场馆附近上空对流层NO2进行监测,并与OMI的测量结果进行对比.结果显示;地基MAX-DOAS的NO2结果比OMI结果高,最高达到了2.4倍;二者在无云条件下得到了比较好的相关性(R=0.64),但在阴雨天气条件下,云的存在使得MAX-DOAS结果与OMI卫星数据产生了很大差别,其相关系数仅为0.19,但与LP-DOAS却有很好的一致性,相关系数为0.92.     

地球同步扫描成像吸收光谱仪的要求、设计原理和性能

大气科学所面临的重大问题之一是如何估计和了解自然的和人为的污染对局部、地区和大陆范围内生物质量的影响并对这种影响进行量化。要想了解地区污染在大陆范围内的影响,必须把每天的时间量程与季节和年时间量程联系起来,同时也必须把局部空间与地区和大陆空间范围联系起来。这就要求人们每时每刻都以适当的横向分辨率和垂直方向分辨率对这种污染进行监测。用像TOMS和GOME那样的仪器从低地球轨道平台上对对流层进行观测,这已经证明了探测与空气质量有关的大气成分的可能性。但是,这些仪器在每天的重访时间和对局部云层的统计方面受到了限制。从地球同步轨道上进行测量,这是以适当的横向分辨率从空间观测每日变化的一种实用方法。因此,有人提出了地球同步对流层污染探测仪（GeoTROPE）任务。这种探测仪由两台仪器构成,基中一台是覆盖热红外波段的地球同步傅里叶成像光谱仪（GeoFIS）,另一台是覆盖紫外、可见光和短波红外（UV—VIS—SWIR）谱区的地球同步扫描成像吸收光谱仪（GeoSCIA）。本文简述通过用紫外一可见光一短波红外成像光谱仪测量背散射太阳辐射从地球同步轨道进行对流层遥感的可能性和可行性。GeoSCIA是一台采用二维CCD列阵进行光谱成像和空间成像的中分辨率成像光栅光谱仪。本文对该仪器的要求、设计原理和性能作了介绍,并估计了对流层成分的提取精度。阳光背散射测量结果与GeoFIS的热红外测量结果的综合分析表明,把这些谱区中的观测结果结合起来可以更高的精度测量低至边界层或者云顶高度处的有关成分的浓度。     

被动多轴差分吸收光谱技术监测O4斜柱浓度误差修正方法研究

O4斜柱浓度的准确获取,对气溶胶廓线反演具有重要意义。介绍了基于被动多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）监测O4斜柱浓度的误差修正方法,用于准确获取O4斜柱浓度。通过对比30°仰角O4斜柱浓度MAX-DOAS测量结果和大气辐射传输模型模拟结果,获得修正系数,利用修正系数修正各个角度的斜柱浓度值,消除O4吸收截面不准确造成的反演结果误差,提高了O4斜柱浓度精度。研究方法应用于合肥地区O4斜柱浓度的准确监测,为下一步气溶胶廓线精确反演提供了数据支持。     

被动多轴差分吸收光谱技术监测O4斜柱浓度误差修正方法研究

O₄斜柱浓度的准确获取,对气溶胶廓线反演具有重要意义。介绍了基于被动多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）监测O₄斜柱浓度的误差修正方法,用于准确获取O₄斜柱浓度。通过对比30°仰角O₄斜柱浓度MAX-DOAS测量结果和大气辐射传输模型模拟结果,获得修正系数,利用修正系数修正各个角度的斜柱浓度值,消除O₄吸收截面不准确造成的反演结果误差,提高了O₄斜柱浓度精度。研究方法应用于合肥地区O₄斜柱浓度的准确监测,为下一步气溶胶廓线精确反演提供了数据支持。     

快速腔长扫描光腔衰荡光谱仪及其中痕量气体测量中的应用

基于PZT快速腔长扫描技术和可调谐连续DFB激光器,搭建了一套快速腔长扫描光腔衰荡光谱探测装置,通过PZT快速腔长扫描实现激光单纵模与光腔纵模的模式匹配与破坏,以完成腔内光信号的独立衰减以及对此衰减过程快慢的测量。实验表明该装置不仅测量灵敏度高达10^-9量级,而且稳定性强,装置简单且易于操作。通过对CH₄气体在1653.72 nm 附近的吸收光谱测量,并用HITRAN数据库模拟校准,验证了该装置的定量测量能力。利用该装置通过固定激光波长测量吸收峰中心值方法对大气中CH4气体含量变化进行了探测。     

一种快速扫描伺服系统的设计与实现

针对某雷达天线需要快速机械扫描的需求,设计并实现了一种快速扫描伺服系统.硬件设计上,采用了直流力矩电机直接驱动,选择了高分辨率的增量式码盘同时完成测速和测角.软件控制策略上,采用了反馈加指令前馈的复合控制方式,利用非线性跟踪微分器完成了对码盘速度信号的平滑滤波,另外还设计了一种光滑的合成位置扫描指令.文中首先给出了系统软硬件的详细设计过程,然后进行了系统仿真和实测验证.仿真和实测结果表明,设计的扫描伺服系统不仅实现了对快速位置扫描指令的高精度跟踪,而且做到了低机械噪声的快速扫描.     

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。     

差分吸收光谱技术在气溶胶监测领域的应用研究

介绍了差分吸收光谱(DOAS)技术在气溶胶监测领域的应用.在研究、分析国外学者的研究基础上,提出采用单光路法并结合大气在550 nm处的能见度校准的方法测量气溶胶消光系数的研究计划.通过实验验证,该方法成功解析出大气气溶胶消光系数.     

DOAS技术中光学密度计算方法对测量结果的影响

差分光学吸收光谱技术(DOAS)中,通过不同高通滤波方法获得差分光学密度,与经过相同数字滤波处理的实验室的标准参考谱作最小二乘拟合,反演出各种气体的浓度.通过几种平滑滤波和多项式滤波对相同测量信号进行光谱分析,比较其反演浓度的精度、残差的标准方差和峰峰值.结果表明,3点500次平滑滤波重复两次的高通滤波方法各项指标都优于其它方法,能有效地提高测量精确度和降低检测下限.     

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.     

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.     

基于差分吸收光谱技术(DOAS)的气态汞污染测量

中国大气汞污染严重,是全球范围大气汞污染最为严重的区域之一.汞主要以单质形式长时间存在于大气中,并可进行长距离传输.对差分吸收光谱技术(DOAS)应用于大气汞测量的可行性进行了研究.首先,通过测量不同长度的饱和汞蒸气样品池对光谱的吸收,了解汞共振线的吸收情况;并分析了汞样气对高分辨率光谱仪的响应;最后,利用现有仪器对大气汞吸收进行了测量,确定了主要干扰气体及大气汞测量对仪器光谱分辨率的要求,为进一步的大气汞测量及燃煤烟气中高浓度汞测量提供了先期技术支持.     

DOAS谱线波长配准存在的问题及解决方法

由于系统光学部分的干扰(衍射光栅的不完善和光谱仪散射光)的存在，引起测量谱线的抖动．这将在差分光学吸收光谱(DOAS)谱线信号中产生人为结构，这些结构与污染气体的特征差分吸收区很难区分开，这种噪声的显著特点是在一段时间内是稳定的，因此它的值不能通过通常的时间平均消除掉。然而，当灯光源直接照射接收系统(不通过空气光路)时，灯信号中的人为结构与从实测光路信号谱中的相似结构具有很大的相关性．因此应用实测光路信号除以灯谱信号在很大的程度上消除噪声的影响．但是采用该方法时，若所使用的光源谱线结构起伏较大，对灯谱和信号谱的坐标一致性要求将非常高，否则对吸收光谱的计算会带来更多的影响．本文通过对该问题的研究提出了两种解决方案，通过实验证明可以有效地减小谱线偏移带来的分析误差．     

"GF-5"卫星差分吸收光谱仪热控设计及验证

差分光谱仪是一种基于空间测量的精密光学仪器,整个寿命周期内对光机系统及探测器有较高的温度稳定性要求。为保证光路的精度,需要光学安装板 温度梯度小于2℃;为降低温度波动对信号的干扰,整轨温度波动要求小于2℃。光谱仪周边有多台载荷不同程度的遮挡,热环境复杂,给热控设计 带来较大困难。结合光谱仪热控需求及结构特点,详细分析了轨道外热流,采用对地面作为光学箱散热面、光学底板等温化设计、 以向阳面为电子学散热面、电子学箱与光学箱隔热等热控措施,实现了光谱仪高稳定性温控要求。热平衡试验与在轨数据表明, 光谱仪热控设计合理可行,能够满足在轨探测的温度指标。为后续型号光学遥感仪器高精度、高稳定的热控设计打下良好的基础。     

基于被动差分吸收光谱技术对重庆市大气污染物区域输送的探测研究

在重庆市大气污染区域输送通道上设置龙市站、超级站、南坪站三个观测站点,利用基于被动DOAS技术的MAX-DOAS地基多轴差分吸收光谱仪对SO2和NO2垂直柱浓度进行连续探测,实时获取两种大气污染物的时空分布和区域性输送过程,并将MAX-DOAS探测结果与当地API数据进行了对比分析。探测结果显示,龙市站、超级站、南坪站NO2垂直柱浓度均值分别为5.90×1015、18.96×1015、17.82×1015molec./cm2,超级站最高,龙市站最低;SO2垂直柱浓度均值分别为16.46×1015、18.35×1015、55.56×1015molec./cm2,南坪站最高,龙市站最低;分析研究表明,NO2受本地交通排放源影响为主,SO2则受周边工业污染源排放的影响较大。