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。     

碘分子吸收稳定中红外差频激光频率

差频光源用于大气分子稳定同位素丰度研究需要频率稳定的连续输出的空闲光。基于连续可调谐钛宝石激光器和单频连续Nd:YAG激光器建立差频系统,为了稳定差频系统产生的红外光源的波长,利用MgO:PPLN作为倍频晶体,采用有多普勒展宽的碘分子吸收稳频方法,结合数字比例-积分-微分(PID)反馈控制技术,将Nd:YAG激光器的频率漂移量稳定在1.2MHz/h内,稳定度为4.26×10-9。实验结果表明:增加对压电陶瓷(PZT)的调制电压时,Nd:YAG激光在1h内的频率漂移量迅速减小,超过1V后漂移量趋于稳定;改变对PZT调制频率没有获得较高的稳定度。将频率稳定后的Nd:YAG激光用于产生3.42μm附近的差频光源,通过对低压下CH4气体分子吸收谱线的测量,去卷积运算得到差频系统的线宽约为6.9MHz。实验结果既为该方法用于稳定激光频率提供了重要的参考,又为痕量气体探测提供了频率稳定的差频光源。     

便携式天然气泄漏遥感探测的研究

传统的天然气管道泄漏检测技术效率低、速度慢,难以满足实际应用的需要.近年来以近红外二极管激光吸收光谱为基础的光学传感器由于具有灵敏度高、体积小、重量轻和无需维护等优点而得到了广泛的应用.实验以可调谐二极管激光吸收光谱和谐波探测技术为基础,开展便携式天然气管道泄漏遥感探测技术的研究.其中使用多种常见物质作散射体,模拟野外现场背景,进行气体泄漏的探测,并获得较好的探测极限.整套系统仅重5 kg,具有良好的便携性.     

适用于大气分子低温光谱实验的低温吸收池

设计研制了一套可控温低温吸收池装置,用于系统研究大气分子的低温光谱参数。在之前研制的低温池的基础上,对新研制的低温池的杜瓦瓶与样品池的安装方式,样品池的构造材料以及具体的制冷方法进行了改进,提高了温度稳定性和均匀性。实验显示:在0.5h监测时间内温度波动小于±0.3K,温度梯度约为0.03K/cm。基于新型低温池,结合可调谐半导体激光吸收光谱技术,开展了6 358.654cm-1处二氧化碳低温精细光谱测试,获得了二氧化碳吸收谱线的自展宽系数及其温度依赖系数(n=0.738±0.014),并与相关文献报道的温度依赖系数进行了对比验证。结果表明,该装置可以满足大气分子低温光谱实验的需要。     

整层大气透过率获取方法研究进展及相关问题探讨

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参量,在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测、特别是光电工程等领域,都需要对大气透过率进行深入的研究。文中详细讨论了整层大气透过率的获取原理和方法,分析了不同获取方法的最新进展和存在的相关问题,对比分析了软件仿真计算和直接测量的优缺点,并对后续的研究工作进行了展望。     

枪钻刀具新型过载保护装置

枪钻刀具在深孔加工过程中,无法观察其加工状态,若钻头过度磨损,且没有及时更换刀具,就可能引起机床损坏或工件报废。为解决此问题,本文介绍了专用机械式新型过载保护装置对刀具进行保护,该装置根据枪钻刀具磨损状态和切削阻力,逐渐压缩其内部弹簧,促使枪钻刀具相对钻柄产生位移;当位移距离达到设定数值时,电感传感器传输信号到数控系统,发出报警信号,机床自动退刀并停机,提醒人员更换刀具。     

红外波段水汽连续吸收研究进展

水汽连续吸收广泛存在于红外波段,对于地球辐射平衡和遥感探测有着重要的意义。一般水汽连续吸收的研究大多处于中红外“窗口”区域,而在吸收谱带内和近红外“窗口”区域的研究较少。目前,水汽连续吸收的机理仍然是一个有争议的课题。论文简要阐述了现有理论及计算模型的发展历史和研究现状,介绍了几种实验测量方法的原理、优点与不足,并对水汽连续吸收的发展进行了展望。