基于车载被动差分光学吸收光谱技术的甲醛排放通量遥测研究

甲醛(HCHO)是大气中含量最为丰富的羰基化合物,广泛参与大气中的光化学反应,是一种重要的大气反应活性的指示剂以及城市大气气溶胶的前体物,在大气化学中扮演着重要的角色。本文初步探索了利用车载被动差分光学吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)遥测化工区HCHO的排放通量。该系统以天顶方向的太阳散射光为光源,围绕区域一周连续采样测量,获得采样点上的HCHO的垂直柱密度,并结合测量时间内的车速和风场(风速、风向)信息,计算得出工业区域的HCHO排放通量。利用此技术对北京某化工厂进行观测实验,结果表明在测量时间内该区域的HCHO排放通量的平均值为605kg.h-1。

城市污染气体分布的车载被动差分光学吸收光谱遥测技术研究

介绍了一种基于被动差分光学吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)技术探测城市上空污染气体分布的光学遥测方法。采用安装在汽车上的被动DOAS系统对所测城区进行连续测量,通过DOAS拟合方法处理采集的太阳散射光谱,获得测量点上的污染气体柱密度。同时利用此车载DOAS技术对深圳城区进行了连续六天的观测实验,得到了深圳市上空SO2,NO2的空间分布信息。从观测结果发现,深圳市西边的污染较东边严重,SO2西边浓度均值约是东边的2.0倍,NO2约为3.6倍。并把在坝光点测量的车载DOAS结果与此站点的点式仪器测量结果对比,两种仪器的测量结果具有相关性,SO2的相关系数R2=0.86,NO2的相关系数R2=0.57。实验结果表明车载DOAS的光学遥测方法为城市污染气体分布快速测量提供了一种有效的手段。

大气中NH_3的光学监测技术研究进展

NH3是大气中含量仅次于NO和N2的含氮化合物,也是大气中重要的碱性气体,作为酸性污染物的中和剂,NH3越来越受到人们的重视。文章介绍了大气NH3的主要农业和非农业排放来源,并详细介绍了近年来大气NH3的光谱测量技术(光声光谱技术,量子级联激光吸收光谱技术,傅里叶红外分析技术,可调谐半导体激光器吸收光谱技术以及紫外差分吸收光谱技术)及其进展,总结并分析了这些技术的技术要点、应用领域以及在最近10年对大气NH3的测量结果和研究热点。

可调谐二极管激光光谱技术测量燃烧环境下H_2O浓度的实验设计

水蒸气是碳氢化合物燃烧的主要产物之一,对其浓度进行测量具有重要的意义。在已有理论基础上推导选择了最佳的拟合线型函数(Voigt线型),结合HITRAN数据库选择了在实验室现有条件下理想的吸收线。理论分析了用两条相邻吸收线的线强比计算温度的可行性,在此基础上建立了一套基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的实验装置,为进一步实验打下了良好的基础。

基于主动差分吸收光谱系统获取大气颗粒物光学特性研究

以主动差分吸收光谱遥感技术为基础,在干净大气环境条件下,结合参考光路设计技术,开展了获取近地面气溶胶颗粒物的光谱新方法研究.针对以宽带氙弧灯为光源的主动差分吸收光谱系统固有宽波段特性,建立了解析颗粒物光学厚度模型,获取了大气颗粒物光学特性.最后通过外场实验,获得测量期间气溶胶颗粒物光学厚度,然后采用对数线性回归获取Angstrom波长指数和混浊系数,以及大气能见度数据.主动差分吸收光谱系统用测量光程范围内的大气总的吸收特性,获得监测区域的颗粒物平均水平,更具有代表性和进一步应用价值.

大气环境监测卫星紫外高光谱大气成分探测仪技术发展及应用

大气环境监测卫星是我国民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星。本文介绍了搭载于该卫星的新一代紫外高光谱大气成分探测仪,通过发展紫外高光谱大幅宽高分辨超光谱成像技术,使紫外谱段高光谱大气观测空间分辨率提升一倍,大幅提升气态污染物监测能力,取得良好的应用效果。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的实验室定标

采用四通道凸面光栅成像光谱仪设计了星载大气痕量气体差分吸收光谱仪,该光谱仪用天底推扫方式探测地球地表或天空散射光信号,基于痕量气体对不同谱段光信息的"指纹"吸收和差分吸收光谱算法定量获取大气痕量气体分布。针对该光谱仪的大视场、宽谱段、高分辨率(光谱、空间)等特点,提出了相应的光谱定标和辐射定标方法,建立了定标系统,实现了对载荷的光谱定标和辐射定标,并对其定标的不确定度进行了分析。结果表明,载荷光谱定标不确定度为0.027nm,辐射定标不确定度为2.96%,满足给定的技术指标要求,为载荷的定量反演提供了保证。

被动多轴DOAS技术污染气体垂直柱浓度反演方法研究

介绍了基于太阳散射光的多轴被动差分吸收光谱技术与系统及其在大气污染气体垂直柱浓度监测中的应用.实验中利用夫琅和费光谱作为参考光谱,同时将Ring光谱作为一种吸收结构参与拟合去除太阳光谱中的夫琅和费结构和Ring效应对测量结果的影响,并结合辐射传输模型将污染气体斜柱浓度转换为垂直柱浓度,通过"好运北京"奥运限车期间与OMI卫星的对比实验一致得出限车期间NO2有约20%的下降,证实了本方法的可行性.

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。

基于三维荧光光谱技术的多组分分析浓度校准方法研究

水体中污染物质在受到光激发时,不仅发出荧光,而且对荧光具有吸收作用,因此在应用荧光光谱定量分析水体多种污染成分时,导致分析结果不够准确．结合三维荧光光谱技术和PARAFAC算法,提出了一种用于多组分分析的非线性浓度校准模型,通过标样数据估计物质之间对荧光的吸收校准参数,应用于浓度反演中．实验结果表明,运用这种非线性的浓度校准模型可以改善多组分分析的性能,提高分析精度．

典型目标的BRDF实验室测量与模型验证

通过研究典型目标双向反射分布函数实验室测量与建模的方法分析目标的散射特性。给出F4(聚四氟乙烯)粉压制板及所测样品的反射光强度,通过经标定过的反射标准板传递,在半球空间内计算出样品在红外(1．06μm)波段的双向反射分布函数。根据五参数半经验统计模型和遗传算法,对各样片的BRDF进行了优化建模。按照模拟实验数据的标准均方误差最小的标准选择了模型参数．并将实验测量结果与模型输出进行了比对．结果表明该方法是分析目标散射特性的可行性方法。

基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH_4柱浓度遥测研究

介绍了一种基于直射太阳光红外吸收光谱技术的遥测系统，并利用该系统在合肥地区进行了连续观测。从太阳吸收光谱中测量了整层大气透过率，采用逐线积分方法模拟计算了整层大气透过率，基于非线性最小二乘光谱反演算法从实测整层大气透过率中反演了甲烷气体柱浓度和氧气柱浓度，并以氧气柱浓度为内标函数获得了甲烷干空气柱体积混合比，精密度优于2％。将本系统测量的2012年9月25日12：00-15：00CH4干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星的CH4观测结果进行了比较，两者偏差小于1％。可见，该系统和方法是一种有效的甲烷气体柱浓度探测系统和方法，具有较高精度。

利用CE318太阳光度计资料反演合肥气溶胶光学特性

利用2012年9月～2014年8月年合肥市西北郊的CE318型太阳光度计观测资料，分析了合肥地区气溶胶光学厚度（AOD）和Angstrom波长指数（理）的时间变化特征。结果表明，合肥地区AOD全年较高，2012年9月～2013年8月和2013年9月-2014年8月两个时段的年平均值分别为0．60±0．15和0．73±0．23。春季受沙尘天气影响气溶胶波长指数最小，秋季受西北高空气团影响AOD最低。研究了AOD和大气水汽含量之间的关系，结果表明AOD和大气水汽含量呈正相关关系。利用Hysplit风场轨迹模型对各个季节的风场进行了研究，合肥春季主要受西北气流（约42％）影响，夏季风场主要受偏南风场（约50％）影响，秋季受北风风场（约39％）影响较大，冬季受西北高空气团影响较大。CE318和MODIS对比结果表明，两者具有较好的一致性，相关系数在0．7以上。

机动车尾气遥测技术和应用研究

机动车尾气已经成为很多大中城市的主要气体污染源之一,利用基于光谱学的遥测技术可以在不影响车辆正常行驶的条件下快速检测出尾气超标车辆。自行研制的尾气遥测系统结合了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和差分吸收光谱(DOAS)技术,实现了对尾气中CO、CO_2、HC、NO和烟尘等污染物的实时测量,并同时识别牌照和采集车辆行驶信息。

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中,太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度,为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度,石英漫反射板需具有良好的朗伯特性,在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此,在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪,选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板,采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量,得出了四种样品在波长180~880nm、观测角度-70°^+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析,筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品,并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱,石英漫反射板对太阳光的反射特性较好,可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。

多点瓦斯激光传感技术的研究

以甲烷为主要成分的瓦斯气体有易燃易爆特性,在进行高瓦斯矿采掘时极易发生瓦斯爆炸,实时监测矿井瓦斯浓度是煤矿安全预警的重要任务。利用基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的高灵敏度、高选择性、快速响应特点和光纤传感技术的抗电磁干扰、防燃防爆、可远程控制的优点实现了多点瓦斯的实时监测。分析研究了光强变化对气体浓度反演的影响,验证了I2f/I1f的方法能有效的减小监测浓度值的波动,系统瓦斯检测限<0.05%。

差分吸收光谱技术测量氯气的数据处理方法研究

基于差分吸收光谱(DOAS)技术,结合自主搭建的一套小型便携式DOAS实验系统,开展了对氯气的实验测量。在处理氯气的标准截面时,比较了两种不同的高通数字滤波方法:三角函数滤波和多项式拟合滤波。实验证明采用后一处理方法能够更加准确反演出氯气的浓度。模拟计算的结果显示,采用五阶多项式处理的结果的误差较小;在不同样品池内的测量结果显示,利用该方法测量氯气的线性度达到0.996 1;实际的一条谱的反演结果显示拟合谱与测量谱基本重合,且剩余噪声谱的峰峰值最大值<5‰;给出整个实验过程中可能的误差主要来源。综合以上的实验结果表明,利用DOAS技术采用多项式拟合处理的方法可以实现对于氯气的检测。

移相自平衡激光吸收光谱技术的研究

为了提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)直接吸收技术的检测灵敏度,解决自平衡探测技术需要两条环境接近的光路而造成的适用性差的问题。采用了一种移相自平衡吸收光谱技术,该技术将信号经过滤波、放大和移相后,两个相差180°的信号经过反演就可提取出吸收信号,再对吸收信号及代表光强的直流分量信号进行数据处理便可测得气体浓度。分析显示移相自平衡吸收法能解决自平衡吸收法不能适用于同光路检测的原理性缺陷。结果表明,移相自平衡吸收光谱技术对信号的微小变化具有较高的灵敏度,信噪比也比直接吸收法提高了8倍～9倍,更适用于开放光路情况下的气体探测。为TDLAS在长距离气体检测领域提供了一个有效的高灵敏度探测手段,具有广泛的应用前景。

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550nm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。

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SO_2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0.6nm、0.7nm和1.8nm的光谱仪对SO_2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。