星载高动态范围差分吸收成像光谱仪成像电路设计及实现

星载差分吸收成像光谱仪通常运行于太阳同步轨道,探测地表反射光的光谱并根据特征气体的谱线吸收强度测量区域内某些痕量气体浓度。第一代星载差分吸收光谱仪受限于探测器性能等原因,探测的动态范围不大,造成暗背景下数据信噪比低,亮背景下像元饱和。随着更大阱深,更高速度的探测器出现,第二代高动态范围的差分吸收成像光谱仪得以实现。本文介绍了高动态范围的差分吸收光谱仪成像电路的研制过程,包括器件选型,电路方案及电路测试,并对测试结果进行了分析。重点讨论了高动态范围的实现,给出了单点测量值的概念,提出了最大单点测量值的计算公式,解释了最大单点测量值与动态范围的关系,并评估了探测器件的单点探测能力,同时规划了未来进一步提高动态范围的方法,从而为同类设备的研制提供参考。

FTIR监测北京地区CO_2和CH_4及其变化分析

近几十年来,温室效应导致地表温度明显上升,其所引起的全球气候变迁问题越来越受到人们的关注。CO2和CH4是大气中主要的两种人为温室气体,对它们进行连续的测量,获取它们长时间变化情况对大气环境科学具有重要的意义。目前国内监测这两种气体的主要手段是气相色谱方法。鉴于傅里叶变换红外光谱技术的优点,使用开放式长光程FTIR系统在北京地区对这两种气体进行了监测。该系统直接测量开放光路中的环境气体的大气吸收光谱,并使用非线性最小二乘方法进行光谱分析,获取待测组分的浓度信息。在实验部分给出了2005年9月4日到2005年9月10日6天中的北京地区CO2及CH4的测量结果,并对两者的变化趋势和相关性进行了分析。

APEC会议前后北京地区PM_(2.5)污染特征及气象影响因素

为分析APEC会议前后北京地区PM_（2.5）变化特征,利用中国科学院大学雁栖湖校区超级站在2014年10—12月的连续观测数据,对APEC会议前后北京地区污染物分布及变化特征、气象影响因素和气团传输路径特征进行了分析.结果表明：APEC会议期间北京地区减排效果显著,ρ（PM_（2.5））平均值比会前下降了60.5%.气象条件对污染物扩散起到积极作用,APEC期间平均风速为1.40 m/s,平均相对湿度为31.9%,近地面气象条件优于APEC会前、会后.北京地区受到外来污染物输送的影响,在2.00-3.00 m/s的南风下易发生来自南部地区的PM_（2.5）和SO2输送.APEC会议期间北京地区主要受来自西北地区的高速、高海拔气团控制,其出现频率为39.6%,远低于APEC会前（15.9%）和会后（20.8%）,而来自南部地区的低速、低海拔污染气团的出现频率仅为2.1%,扩散条件总体良好.研究显示,除了减排措施有效削减了污染物排放以外,有利的气象条件也是APEC会议期间北京地区保持良好空气质量的重要因素.

傅里叶变换红外光谱学方法用于气体定量分析

本文将傅里叶变换红外光谱学方法运用到CO和CO2气体的定量分析中,通过红外光谱仪系统测量得到待测气体的红外透过率光谱,采用非线性最小二乘拟合算法基于红外标准数据库HITRAN中的CO和CO2气体光谱数据分别对测量得到的光谱进行拟合,得出待测气体的浓度。对于密闭样品池CO透过率光谱测量分析结果的相对误差小于5％;对于近距离大气开放光路CO2透过率光谱测量分析的相对误差小于1％,实验结果表明基于FTIR方法进行气体浓度信息的定量分析是可行的。

气溶胶前向散射大气能见度测量系统传递系数的标定及校准方法

分析了气溶胶的前向角散射特性,利用标准的大气透射仪标定前向散射大气能见度测量系统的传递系数。当系统结构发生变化时,传递系数也随之改变,为保证系统测量的准确性和简化系统传递系数的标定过程,提出了一种利用标准漫透射板校准系统传递系数的方法。该方法使用了两块具有相同透射系数的漫透射板,使气溶胶粒子团在前向半球上产生漫散射,此时探测器的测量值即为包含了仪器常数的定值。当系统结构改变时,这个测量值相对于原测量值的变化率作为比例系数代入系统传递系数的计算,实现校准。

基于二极管阵列PDA的紫外可见差分吸收光谱(DOAS)系统的研究

介绍了一种自行研制的长程差分光学吸收光谱(DOAS)系统,该系统采用光电二极管阵列(PDA)作为光谱检测器,代替结构较为复杂的光电倍增管(PMT)加扫描圆盘的SD检测器,并对该系统检测器的偏置、暗电流、噪声、线性以及光谱仪的分辨率、光谱范围等性能进行了测试,同时对SO2,NO2等大气污染物进行了外场的测定,确定出相应光程下该系统测量SO2,NO2的最低检测限。

傅里叶变换红外光谱仪复数光谱误差分析及辐射定标方法研究

主要讨论了傅里叶变换红外光谱仪的相位偏移产生的原因,并且用严密的数学推导证明了相位偏移与复数光谱之间的关系。同时还分析了傅里叶变换光谱仪辐射量偏移产生的原因,并提出了复数光谱的辐亮度定标方法,该方法能够对辐射量偏移进行校正。实验数据与理论值的对比证明这种定标方法具有很高的精度。

开放式长光程傅里叶变换红外光谱系统在环境气体分析中的应用

设计了一套用于环境气体分析的长开放光路傅里叶变换红外光谱系统。该系统具有往返250 m的开放式长距离采样光程,使用一台分辨率为1 cm-1的傅里叶变换红外光谱仪测量采样路径内的大气透过率光谱,然后进行非线性最小二乘光谱拟合,计算出待测组分浓度。实验部分通过选择特定波段分析了污染空气中CH4,CO,N2O和CO2的浓度,拟合残差的均方根误差小于1%。结果表明,该系统的结构简单,光路易于校准,环境适应性良好,测量速度快,采样范围广,可用于探测大气中一些重要的痕量和微量组分,开展较大区域的环境气体的监测和研究。

广州亚运期间鹤山大气颗粒物及碳组分的分析

2010年11月广州亚运会期间,在鹤山连续测量了PM10、PM2.5及PM2.5中有机碳(OC)、元素碳(EC)的质量浓度,结合气象数据综合分析了该地区上述各种污染物的污染特征。研究结果表明:鹤山大气颗粒物以PM2.5为主,PM10和PM2.5具有较好的相关性(R2=0.72),其中PM2.5污染较严重;与国内外其他城市相比,鹤山OC、EC质量浓度处于中等偏高水平;OC和EC质量浓度的相关性较差(相关系数R2=0.32),OC/EC质量浓度比值远大于2,说明鹤山大气OC、EC来源较复杂,同时存在严重的二次污染;估算的二次有机碳(SOC)占OC总质量的66.5%。各种气象因素中,风速对污染物的质量浓度影响最大,秸秆燃烧等人类活动对其也有显著影响。

傅里叶变换红外光谱法被动遥测大气中VOC

采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对大气中挥发性有机物(VOC)进行了被动遥测实验,提出了在复杂背景下定量遥测污染气体光谱的算法,讨论了被动FTIR的探测极限。这种测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景光谱的情况下得到目标气体柱数密度和目标气体等效辐射温度。

基于前向近红外散射光谱测量雾和雨天大气消光的应用研究

在可见和近红外区,由于大气的吸收作用忽略不计,大气消光由散射决定,主要贡献来自于雾滴、雨滴、其他形式降水和小粒子。基于前向近红外散射光谱的前向散射式能见度仪（FVM）采用近红外的LED光源照射到约100mL的空气体积上,并测量前向30°～36°范围内的粒子的散射光强。由于该前向角范围内,雾滴和霾粒子的散射相函数不受粒子尺寸分布的影响,经过波长校正后,散射强度与大气消光系数成正比,该散射消光比通过对比标准人工观测值获得。然而,在把雾和霾的散射消光比应用到雨天测量时,会产生难以接受的误差。要得到雨天消光的准确测量,就需要找到适合雨滴的散射消光比。基于Mie散射理论计算了不同尺寸分布下的雾滴和雨滴的散射相函数,并对雾天和雨天下FVM的测量值与人工实际观测值进行了对比分析,发现FVM在雨天的消光要比人工观测值高出约20%～60%。根据测量结果,可以定出FVM在雨天测量的校准系数,因此,基于前向近红外散射光谱的FVM不仅能够测量雾天的大气消光,还能对雨天的消光进行较准确的估算。

傅里叶变换红外光谱(FTIR)非线性多点定标方法研究

给出了线性定标和非线性多点定标的具体算法,并且应用加拿大BOMEM公司的MR-154傅里叶变换红外光谱仪,液氮制冷型中红外MCT探测器测量了中国科学院上海技术物理研究所研制的HFY-300A型黑体在几种不同温度下的辐射谱,其中的一些辐射谱用于定标,用其中的一个特定温度下的辐射谱来检验定标结果。结果表明这种非线性多点定标方法非常可靠,理论辐射谱与定标后辐射谱相对偏差集中在0.2%附近,最大相对偏差仍小于0.4%。

机载FTIR被动遥测大气痕量气体

介绍了以各种地物为背景的机载傅里叶变换红外光谱法(FTIR)被动遥测大气中痕量气体飞行测量试验,讨论了相应的被动下视遥测技术,复杂背景下大气痕量气体红外特征光谱信息获取方法和浓度反演算法模型,定量分析了飞行试验区域内高度1 000 m以下边界层内大气中痕量气体CO和N2O的平均浓度。这种遥测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景辐射光谱的情况下对大尺度区域内大气痕量气体进行快速、机动遥感遥测,以及突发性大气污染事故的应急监测。

FTIR被动遥测热烟羽中污染气体

文章介绍和讨论了傅里叶变换红外光谱法(FTIR)在大气环境下被动遥测热烟羽中污染气体的原理及相关技术;提出了辐射光谱、测量区域内大气透过率谱的算法模型,以及应用非线性最小二乘拟合算法实现气体浓度反演的方法。实际遥测了工厂燃煤锅炉烟囱排放的污染气体,对SO2和CO2气体浓度进行了定量分析。实验结果表明该技术在工业烟囱及其他燃烧源污染排放的应急监测方面具有极大的应用前景。

基于DSP的傅里叶变换红外光谱仪动镜控制系统设计

在直线扫描式高精度傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪系统的研制过程中,为了达到光谱图的质量和分辨率要求,提出了一种利用DSP芯片TMS320F28335作为控制器,直线电机运动平台带动动镜的系统设计方法。介绍了FTIR的优点以及TMS320F28335的性能特点,分析了FTIR系统的原理,详细阐述了电机控制系统的设计方案,给出了DSP、电机驱动器以及电机模块之间的硬件接口电路和软件实现方法。实验证明,该电机控制系统具有很好的稳定性和很高的运动精度,其位置运动精度能够达到0.1μm,保证动镜做稳定可靠的直线运动。

FTIR遥测大气中CO_2浓度变化及研究其影响因素

通过FTIR遥测北京空气中CO2浓度的变化,发现北京秋季白天CO2浓度的升高主要是由于机动车尾气的排放所引起的。CO2在白天由于光合作用和对流传输,浓度相对较低,浓度值为410μg.mL-1左右。而晚上则由于土壤和生物呼吸以及工业生产等产生的CO2在近地层大气中积累,CO2浓度值偏高,为610μg.mL-1左右。温度越高,CO2的浓度越低,而风速越小,公路边的CO2浓度越高。CO2浓度变化还受到湿度、风速等其他天气条件的影响。

基于EMD的激光雷达信号去噪方法

针对激光雷达回波信号较弱易于被各种噪声污染的特点,本文提出利用经验模态来模态分解(EMD)这一非线性、非平稳信号处理方法,对Mie散射激光雷达信号进行多尺度分解。该方法是利用信号内部时间尺度的变化做能量与频率的解析,采用这种方法能够将噪声污染的激光雷达信号分解成若干个线性、稳态的本征函数(IMF),通过对本征函数的重构,去除包含高频噪声的IMFs,从而达到去噪目的。实验结果表明,这种方法的去噪能力强,并且具有自适应的特点,从而说明了这种方法在信号去噪中的优势。

星载差分吸收光谱仪CCD成像电路的设计及实施

星载差分吸收光谱仪通过获取地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光辐射,监测大气痕量气体的全球分布。载荷使用4片面阵CCD作为探测器,对地观测、实时测量紫外可见波段光谱信息。其中CCD成像电路是电子学部件的核心,该电路的设计除完成通用CCD成像电路功能以外,还针对卫星空间有限和航天元件受限等特殊情况,采用了单板四通道、数字像元合并的方案。本文讨论了载荷CCD成像电路的设计实施过程,并重点论述了单板四通道和数字像元合并的设计特点。

用于反演云层高度的记忆式滑动窗口积分算法

记忆式滑动窗口积分算法选取一定宽度的窗口,从地面开始滑动,对窗口内的信号进行积分,根据积分值和前一时刻的云层信息来反演云层高度。该算法可消除信号中的噪声,叠加放大信号中的云层信息,将云层与气溶胶加以区分。用该算法处理了Vaisala云高仪的数据,并与云高仪的结果进行了对比,结果表明,记忆式滑动窗口积分算法在反演尝云层信息信息时具有较高的准确性和可靠性。

SOF-FTIR在化工厂区氨气排放通量测量中的应用

介绍了一种化工厂区污染气体排放通量实时监测的新方法,即太阳掩星法傅里叶变换红外光谱技术(SOF-FTIR),提出了复杂条件下的背景谱、测量谱和污染区域周边大气透过率谱获取模型。通过对欲监测的污染源区域周边做闭合环路连续测量以获得测量光谱,最终应用非线性最小二乘拟合算法对污染源区域污染气体的柱浓度信息进行反演,并结合实验时气象参数以及GPS信息得到该区域污染气体的排放通量。运用此方法实际遥测了某化工厂区氨气的排放情况,并对氨气气体浓度分布及排放通量进行了定量分析。相对于传统的FTIR监测方法,该方法操作简单、机动性强,在污染气体区域监测以及其他污染源污染排放应急监测等应用领域具有良好的应用前景。