非线性最小二乘法在傅里叶变换红外光谱定量分析中的误差估计

根据统计学的参数估计理论,提出在傅里叶变换红外光谱定量分析中使用非线性最小二乘法进行浓度反演的参数误差估计方法。实验中,通过光谱平均次数来控制噪声水平,以此来评估不同噪声水平下混合气体中各组分反演结果的估计误差。结果表明,对于自研抽取式傅里叶变换红外光谱仪,8次平均光谱即可满足反演误差小于3%的需求,64次平均光谱的反演结果配合估计误差可以实现对平均浓度的覆盖率达到100%。随着噪声水平的降低,仪器、环境等非噪声因素的扰动是估计误差的主要部分。该方法在优化光谱定量分析的参数配置和指导光谱仪器系统设计等诸多方面具有重要的应用前景。

我国温室气体监测技术应用及减排措施

二氧化碳、甲烷等温室气体的过度排放会引发全球变暖等一系列环境问题,对温室气体进行监测具有重要意义,世界各国正在积极开展温室气体监测以及减排工作。尽管我国温室气体监测工作及技术起步晚于国外,但近几十年来,我国监测技术尤其是光学监测技术发展迅速,光谱学技术已然成为我国监测温室气体的重要方法,并在多场景、多领域得到应用。利用光学技术,通过大气本底观测、地面排放监测、地基观测以及高空探测等多种探测方式,能够获得温室气体空间分布、时序变化以及源汇信息,帮助理解温室气体变化的环境效应,为我国温室气体减排控排工作提供数据支持。为应对温室气体过度排放带来的环境问题,中国各级政府及机关出台了多项相关政策,针对工业、交通运输以及农业等不同行业提出了各种减排措施,并取得了一定的减排成效。

基于大气廓线合成背景的目标气云透过率反演

天空向下热红外辐射具有随时空变化而变化的特性,当扫描傅里叶变换红外遥测成像系统以天空为背景对目标气云进行成像扫描时,各扫描像素对应的背景辐射差异较大且没有恒定的基线,因而影响目标气云透过率的精确反演.针对这类问题,提出了基于大气廓线合成背景的目标气云透过率反演方法,首先采用实测地点的温度、湿度、压强和臭氧廓线及大气模式生成天空红外背景,以解决化工园区内难以实时测量纯净天空红外背景谱的问题,其次验证了天空红外背景与天顶角余弦逐波数存在连续可导的关系,使得少量具有天顶角梯度的天空红外背景即可快速插值生成任意仰角位置的天空红外背景谱.本文以中分辨率大气辐射传输模型(MODTRAN)软件仿真和SF6气体的遥测成像实验进行了方法验证,所提方法可以快速生成梯度仰角内任意角度对应的天空红外背景谱,准确反演出各扫描像素的目标气云透过率,反演得到的SF6柱浓度气云分布与实际分布一致,相关性达到0.99979.

便携式FTIR的机动车尾气检测方法

随着汽车排放标准的提高,相关VOC标准从总烃检测变为非甲烷碳氢化合物(NMHC)检测;随着含氧燃料的增加,增加了非甲烷有机气体(NMOG)测量。针对国内汽车尾气分析仪分析组分单一、精度有限、VOCs检测过程复杂等问题,提出了基于便携式FTIR的机动车尾气检测方法,基于立体角镜优化FTIR光学系统结构,提高动镜扫描速度,设计便携式且满足抗振动需求的快速FTIR光谱仪。FTIR红外光源输出波段范围为2~20μm,分辨率为0.5 cm^(-1),扫描速度1 Hz,气体池光程为10 m,采用斯特林探测器,其光谱响应范围为600~6000 cm^(-1)。选择CH_(4),C_(2)H_(2),C_(2)H_(4),C_(2)H_(6),C_(3)H_(6),n-C_(5)H_(12),i-C_(5)H_(12),C_(7)H_(8),HCHO,C_(2)H_(5)OH,CH_(3)CHO这些典型HC化合物作为VOC气体检测的替代物。通过标准谱确定尾气成分的波段为900~1100和2700~3100 cm^(-1),涵盖所有待测气体吸收波段。基于AVL台架测试,开展NEDC和WLTC工况实验测试,测试车辆为丰田威驰,测试油品为92号国五。便携式FTIR采用抽取方式进行尾气测量,原始的废气样本来自安装在排气管延长部分的多孔探头,前端安装样气取样装置,主要包括颗粒物过滤和除水汽装置,以防止污染FTIR光学系统。实验表明FTIR可以有效快速测量汽车尾气中CO,CH_(4),NO和主要HC化合物,在FTIR检测限0.5μmol·mol^(-1)下会引入噪声信号,浓度可信度降低。通过分析可以看出输出气体平均浓度降级排列依次是:CO,C_(2)H_(4),CH_(4),NO,i-C_(5)H_(12),C_(2)H_(6),C_(7)H_(8),n-C_(5)H_(12),C_(2)H_(5)OH,CH_(3)CHO。从3个循环的NEDC工况可以看出,每种气体排放呈现一致的规律性变化。针对CO进行了SEMTECH-DS与FTIR测量数据的时间序列比较,结果呈现了较好的规律一致性,但是由于FTIR和SEMTECH-DS测量技术和取样稀释系统不同导致二者浓度差异较大。与传统尾气检测技术相比,便携式FTIR测量系统对瞬态事件有良好的响应,可以在线进行多组分浓度实时测量获取机动车的瞬时排放数据,在满足新规测试要求下,也可以为后期的机动车在实际道路上的排放特征分析和模拟提供可靠的数据支持。

基于页岩气返排液中污染气体浓度及扩散模型研究

针对页岩气开发过程中污染气体浓度与扩散分布不确定性问题,利用自主设计并搭建的开放光路傅里叶变换红外光谱(FTIR)测量系统,对返排液中污染气体进行浓度反演,并通过返排液流速及污染源大小,计算出污染源源强.结合现场环境,建立参考坐标,对高斯扩散模型进行数学推导,构建污染源面源扩散模型并进行仿真分析.结果表明:源强、距离、风速、大气稳定度影响气体浓度扩散.对返排液进行80 h连续测量,确定主要污染气体浓度及面源源强.实验结果表明:返排液排放的主要污染气体为丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫;对应的最大浓度分别4.689,25.494,30.324,0.656,4.620 mg/m^(3).最大面源源强分别为1.9872,10.9750,12.8513,0.2707,1.9064 g/s.结合风速及日间环境情况,选取大气稳定度,将源强代入面源扩散模型,进行污染气体扩散浓度构建,实现对不同污染气体不同位置上浓度分布的实时监测.相对于传统测量方法,利用FTIR方法并结合面源扩散模型,不仅能够实现对污染源的非接触远距离在线测量,还能对污染气体分布进行安全区域划分.