基于小波多尺度分析大气边界层高度提取方法研究

大气边界层物理演变特征及复杂边界层结构对大气污染过程的影响机制研究中,迫切需要边界层精细化结构的探测手段。通常使用梯度法和小波协方差变换法的方式进行边界层高度提取,但由于该方式容易受到噪声和气溶胶层结构的影响,实验误差较大。提出使用小波多尺度分析方法细化边界层特征结构,从而筛选出有效的细节信息,提高对探索边界层高度的准确性。此外,基于GBQ L-01激光雷达设备实测合肥地区全天气溶胶分布情况,使用小波多尺度分析方法分析对应的平行分量距离平方矫正信号、垂直分量距离平方矫正信号和退偏振比全天分布情况。实验结果表明,该方法准确性高,与梯度法、小波协方差法相比具有更高的稳定性与连续性。对特殊时间点进行数据分析,明确主要影响边界层高度的主要因素,并确定各个时间段的大气边界层高度值。

基于TDLAS平衡差分技术的CO气体检测

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)结合平衡差分探测技术测量了1.578μm附近的CO气体3-0带P(4)跃迁在不同压强和不同浓度下的吸收光谱信号。由于平衡差分探测方法可以有效地抑制激光光强波动、温度漂移和机械振动等共模噪声,从而提高了光谱探测灵敏度。通过与直接吸收信号相比,平衡差分的信噪比提高了3.4倍,探测极限为87ppmv。测量了浓度为1%压强为40,55,70和85Torr时的CO气体,结果显示在70Torr时其光谱信号最强。并且,利用直接吸收和平衡差分技术测量了不同浓度的CO气体在总压强在70Torr时的光谱信号,发现平衡差分技术光谱强度与浓度的关系线性度符合较好,其测量误差小于5%。为了进一步验证系统的稳定性,连续采集了324s的光谱信号,最后通过Allan方差分析,发现本实验系统的最佳探测时间为38s,探测极限为47.8ppmv。

小波降噪对TDLAS干涉抑制的研究

基于多光程吸收池的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)系统在检测过程中容易出现噪声干扰,影响着其实际检测性能。针对这种干扰的特征进行分析,提出利用小波降噪法来改善TDLAS系统的探测性能。首先依据理论研究结果选择合适的小波函数和分解层数,然后通过这种小波对叠加干扰的仿真信号进行滤波,结果表明这种降噪技术具有良好的去噪效果。最后利用小波降噪技术处理了实验采集的不同浓度气体的直接吸收光谱(DAS)和二次谐波信号,相比于原信号,降噪后信号的信噪比从0.4增加到259,系统的检测限也达到7×10^(-6),表明小波降噪方法在气体光谱检测中具有较高的应用价值。

基于经验模态分解的可调谐半导体激光吸收光谱中干涉条纹的抑制

提出了基于经验模态分解(EMD)的多次去噪方法来降低多光程吸收光谱中的干涉噪声。从理论上分析并确定了降噪的次数,对采用直接吸收和波长调制二次谐波光谱技术探测得到的不同体积分数的CO2谱线进行了多次EMD降噪处理,并与多次平均和低通滤波的降噪方法进行了对比。结果表明:多次EMD去噪能更有效地滤除光谱信号中的干涉噪声和随机噪声,且降噪后的信号幅值与待测气体的体积分数满足较好的线性关系,系统的探测灵敏度能达到3.5×10-5。测量了不同压强和温度下CO2标准气体的光谱信号,经多次EMD去噪处理后的光谱信号,其干涉的幅值相对于去噪前减小了近两个量级,信噪比增大了约两个量级。