基于离散波长的DOAS算法研究

利用8个离散波长(DW)结合差分吸收光谱(DOAS)技术反演了二氧化氮斜柱浓度,并与使用连续波长的传统DOAS技术进行对比讨论。研究中分别使用地基数据和大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)星载数据验证了DWDOAS技术的可行性。结果显示,与传统DOAS技术相比,使用DW-DOAS反演的两种数据的平均误差都在7%以内,相关性也都在0.9以上,证明DW-DOAS方法在反演痕量气体浓度中具有一定的应用价值。此外,DW-DOAS算法使用少量的光谱信息就能够快速高效地反演二氧化氮斜柱浓度。本工作不仅为后续算法的进一步研究提供了前提与基础,同时还表明基于DW-DOAS算法可以设计更加简单、高效的仪器用于高时空分辨率的二氧化氮监测。

多通道差分吸光度用于颅内血肿快速检测

近红外光密度差异法检测创伤性硬膜血肿具有快速、无创等优点,是近几年组织光学的研究热点,在急救临床上有着重要应用。为了进一步提高对颅脑外伤患者血肿程度的检测精度,采用多通道差分吸光度方法获得头部左右对称吸光度数据,即利用与近红外光源距离不同的5个检测器采集颅脑对称位置的光密度信息,计算对称位置的差分吸光度,利用偏最小二乘法建立脑部光学吸收系数与差分吸光度数据之间的校正模型,实现对颅内硬膜血肿程度的预测。可以检测具有不同头皮颅骨厚度患者是否出现硬膜血肿,也可预测脑血肿程度。模型仿真预测结果显示,所建立预测模型对硬膜血肿部分的光学吸收系数预测平均相对误差为11.16%,对血肿发生深度预测平均相对误差小于1%,基本满足创伤性硬膜血肿程度的无创检测需求。将多通道差分吸光度法引入到脑部血肿近红外光谱无创检测中来,可以明显消除个体差异对检测结果的影响,有效提高脑血肿检测精度,并能实现对患者脑血肿程度的预测,该方法为近红外光谱脑部检测研究提供了新的思路和重要参考。

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.

利用多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO_2

介绍了基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演对流层NO2的方法。利用差分吸收光谱技术(DOAS),扣除太阳夫琅和费结构及Ring效应的影响,拟合得到了大气中NO2的差分斜柱浓度dSCD,结合不同观测方向的测量结果分析得到了对流层大气中NO2的差分斜柱浓度(ΔSCD),结合辐射传输模型SCIATRAN计算得到了大气质量因子(AMF),并进一步计算得到了对流层NO2的垂直柱浓度(VCD)信息。为确保数据的准确性和可比性,将计算结果与长光程差分吸收光谱仪(LP-DOAS)的测量结果进行对比,二者具有较好的一致性,其相关系数R2分别为0.940 27和0.969 24。

基于光学遥测技术的合肥市气溶胶参数观测

为了解合肥市气溶胶光学特性参数,采用太阳光度计CE318对雾霾期间气溶胶进行监测并分析了气溶胶光学厚度(AOD)、Angstorm波长指数(α)、体积谱函数等气溶胶光学特性参数。同时采用多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演了雾霾期间二次气溶胶前体物NO2柱浓度并和固定点测量的颗粒物(PM)浓度进行了对比。分析表明,雾霾期间的气溶胶光学厚度比晴天高,且随波长的增加而减少。Angstorm波长指数在雾霾天气时平均值较高,表明合肥雾霾天气期间气溶胶粒子以细粒子为主。气溶胶前体物NO2浓度变化与雾霾天气空气中颗粒物含量(PM10、PM2.5等)变化一致性较好,表明二次气溶胶可能对气溶胶颗粒浓度有一定影响。

地基多轴DOAS仪器的NO_2斜柱浓度对比研究

介绍了两台地基多轴DOAS仪器测量的NO2斜柱浓度的对比研究。利用日本海洋研究开发机构的一套多轴DOAS设备在2009年11月—12月31日期间16d的观测数据,与安光所自主研发的一套多轴DOAS设备测量的NO2差分斜柱浓度进行了对比。通过对比发现,采用自动调整积分时间的方法,与固定积分时间的设置相比仪器具有更高的信噪比;两套仪器的反演结果在小角度下具有比较好的一致性,相关系数高达0.995,但随着角度的增大相关性逐渐变差。在9点至16点时段内相对偏差较小,其中20°方向的结果最为接近,最小偏差仅有12%,但在9点前和16点后二者偏差增大。日方仪器在可见波段的反演结果明显好于紫外波段,反演中的剩余噪声减小了60%以上,同时在可见波段的差分斜柱浓度的计算结果与我们的多轴DOAS在紫外波段的计算结果在全天都具有非常好的一致性。

DOAS技术中差分吸收光学密度获取方法

针对差分吸收光谱技术(DOAS)获取差分吸收光学密度(OD)的技术特点,本文提出采用自适应神经模糊推理系统(ANFIS)来逼近DOAS测量谱中慢变成分,并依次获得痕量气体差分吸收光学密度。该方法根据DOAS系统获得测量谱的特点进行自适应调整网络参数,因此能较精确地分离慢变部分和快变部分。利用SO2样气进行实验,结果表明ANIFIS比多项式函数更为灵活。基于AINFIS网络获取的OD进行浓度反演,提高了DOAS反演精度。

算法融合的差分吸收光谱法烟气SO_2浓度在线监测研究

过去几十年中差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)在大气污染物监测方面取得了成功应用。文章提出了根据差分吸光度最大值(OD′m)设定阈值的思想,将传统DOAS算法与基于卡尔曼滤波的DOAS算法相结合,利用两种算法在相同信噪比下具有不同反演精度的特点,在保证测量精度的前提下提高了DOAS系统的检测极限,较好地解决了短光程下低浓度气体的测量精度问题。在常温常压和流动状态下,对烟气中的SO2浓度测量进行了理论和实验研究。研究结果表明,改进的DOAS算法在OD′m<0.0481时,SO2浓度测量精度较高,测量下限可低于28.6mg·m-3,零点漂移低于2.9mg·m-3;传统DOAS算法在0.0481<OD′m<0.9272时,SO2浓度测量精度较高;两种算法对OD′m>0.9272时的SO2浓度测量都存在较大的误差,必须进行线性度校正。

基于MAX-DOAS的对流层NO_2和气溶胶光学厚度遥测反演

随着全球工业化速度加快和人口的增多,大气环境问题日益突出,NO_2和气溶胶在大气化学中扮演着重要的角色。地基多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)基于被动DOAS原理,近年来已成功应用于大气痕量气体柱浓度和气溶胶光学厚度(AOD)测量方面。基于被动DOAS算法对合肥秸秆燃烧期间NO_2柱浓度以及气溶胶光学厚度进行了观测,并把对流层柱浓度和臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument,OMI)结果进行对比;测量的气溶胶光学厚度和太阳光度计(CE318)进行了对比。结果表明,MAX-DOAS测量结果要高于卫星值,11月6日MAX-DOAS测量NO_2柱浓度日均值为OMI的1.9倍;二者在无云条件下一致性较好;MAX-DOAS反演AOD和太阳光度计结果相关性在0.9以上。

被动多轴差分吸收光谱技术监测O_4斜柱浓度误差修正方法研究

O_4斜柱浓度的准确获取,对气溶胶廓线反演具有重要意义。介绍了基于被动多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)监测O_4斜柱浓度的误差修正方法,用于准确获取O_4斜柱浓度。通过对比30°仰角O_4斜柱浓度MAX-DOAS测量结果和大气辐射传输模型模拟结果,获得修正系数,利用修正系数修正各个角度的斜柱浓度值,消除O_4吸收截面不准确造成的反演结果误差,提高了O_4斜柱浓度精度。研究方法应用于合肥地区O_4斜柱浓度的准确监测,为下一步气溶胶廓线精确反演提供了数据支持。

大气NO_2柱浓度多轴差分吸收光谱测量技术及应用

介绍了以太阳散射光为光源的多轴差分吸收光谱技术(Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy,简称MAX-DOAS),以及MAX-DOAS仪器试验应用。试验中选取中午仪器测量的天顶散射光光谱为参考光谱即Fraunhofer参考光谱,并将测量光谱进行消噪、波长校准以及去除Fraunhofer结构处理。利用分子吸收光学厚度和Ring效应光学厚度对处理后的测量光谱进行最小二乘法拟合,反演出了大气NO2差分斜柱浓度(Differential Slant Column Densities,简称DSCD)。分析了天津武清NO2的差分斜柱浓度反演结果,用简单快捷的几何法将NO2差分斜柱浓度转化成对流层垂直柱浓度(Vertical Column Densities,简称VCD)。研究表明,MAX-DOAS可以有效地监测污染地区对流层NO2的垂直柱浓度。

基于被动差分吸收光谱技术对大气污染物的监测研究

被动差分吸收光谱技术是一种新兴发展的大气光学探测技术,可用于区域大气污染监测和大气成分垂直探测。基于被动差分吸收光谱分析技术,利用重庆大气超级站MAX-DOAS监测仪,于2011年5至8月对重庆主城区大气中的SO2、NO2垂直柱浓度进行了监测分析,研究得出:NO2垂直柱浓度变化趋势与当地API指数基本一致;NO2、SO2垂直柱浓度有明显日变化特征;MAX-DOAS监测结果与OMI卫星数据对比的相关系数为0.759。

激光在等离子体中的坍塌行径

从椭圆偏振激光场波包所满足的非线性控制方程出发,利用场论方法,构造该非线性方程的拉格朗日密度函数,得到激光场波包的能量集中具有准粒子特性,并给出守恒的粒子数、动量和能量。讨论了调制不稳定发展后期的波包坍塌动力学问题,利用归一化的粒子数密度分布作为权重,分析了激光场的波包。结果表明,激光场波包的尺度在有限的时间进程中,将塌缩到一个很小的值,证明了激光场具有塌缩行径。

Ag-S共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构及光催化性能研究

采用Ag,S对锐钛矿相TiO_2进行了替位掺杂,构建了Ag,S单掺杂以及Ag-S共掺杂锐钛矿相TiO_2三种杂质体系,并采用第一性原理计算了杂质体系的电子结构、差分电荷密度、能带结构、态密度以及光学性质.研究结果表明:Ag,S单掺杂或Ag-S共掺杂TiO_2后,杂质体系的总能比未掺杂时低,杂质体系结构稳定;Ag,S单掺杂TiO_2后由于分别在杂质体系中引入了Ag-4d电子轨道与S-3p电子轨道,在带隙中形成了浅杂质能级,导致吸收光红移;Ag-S共掺杂TiO_2后,在Ag与S之间形成了稳定的共价键,结构更稳定,且由于Ag-4d与S-3p电子轨道的协同作用,使得带隙间形成了三条明显的浅杂质能级,吸收光谱红移最明显.证明了Ag-S共掺杂锐钛矿相TiO_2后,结构更稳定,提高TiO_2电子迁移率的同时拓展了TiO_2的光吸收范围.

基于差分光密度差异的组织内异质体的快速定位方法

基于近红外光谱法对组织内的异质体进行无创检测时,光源-探测器(S-D)相对于异质体的位置对检测效果有着重要影响。为实现对组织内异质体的快速定位,该研究基于一源多探的检测结构针对不同水平位置、不同深度和不同直径的异质体进行光密度分布有限元分析,计算各探测器之间的差分光密度差异。仿真实验结果表明,根据多探测器形成的差分光密度差异曲线可快速定位组织内异质体的水平位置。曲线的高斯拟合特征量与异质体的水平位置、深度和直径有着强相关性。基于差分光密度差异曲线可以实现组织内感兴趣区域的快速定位,对采用近红外光谱法的组织肿瘤检测、光学脑功能成像等领域的源-探位置放置提供重要参考,提高其检测精度。

开放实验设计:利用地基DOAS技术测量大气中NO_(2)浓度

光电类开放实验是学生在熟悉一定专业知识基础上,利用光电检测技术及系统对光学量和非光物理量进行测量的实验.设计“利用地基DOAS技术测量大气中NO_(2)浓度”开放实验,目的是使学生掌握和了解差分吸收光谱技术的基本原理和操作,通过光谱仪性能测试增加学生对光电器件的了解,最终学会太阳散射光谱的测量和分析.该实验可以增加学生的知识储备,培养学生的实践和独立解决问题能力.

以SLED为光源的甲烷浓度检测系统的研究

研究和讨论一种易于实现的光谱吸收型光纤气体传感系统。采用超亮度发光二极管作为光源,通过光源调制实现气体体积分数的谐波检测,显著提高检测的灵敏度。同时,采用差分结构,有效消除由光纤和传感头的不稳定引起的检测误差。设计SLED的恒温恒流控制系统,提高系统分辨率和检测精度。

天山南北绿洲城市郊区冬季NO_2垂直柱浓度的变化研究

为研究天山南北绿洲城市郊区冬季NO_2垂直柱浓度(VCD)的变化特征,选择乌鲁木齐郊区三道坝镇、博乐郊区84团和库尔勒郊区西尼尔镇为观测站点,采用地基多轴差分吸收光谱仪(MAX DOAS)观测NO_2VCD。结果表明:(1)天山南北绿洲城市郊区冬季NO_2VCD呈早晚双峰型,峰值出现在9:00和18:00,3地平均NO_2VCD早、晚峰值分别为(8.361±5.105)×10^(15)、(8.590±3.298)×10^(15) molec/cm^2;(2)通过对NO_2VCD和云量的二次曲线拟合,发现云量大于0.3%时,NO_2VCD与云量呈正相关;(3)月均NO_2VCD呈现三道坝镇>84团>西尼尔镇,三道坝镇与西尼尔镇、三道坝镇与84团的NO_2VCD差异显著。

新疆绿洲城市夏季农田区对流层NO_2垂直柱浓度特征分析

2014年夏季6~8月利用地基多轴差分吸收光谱仪(MAX DOAS)在新疆绿洲城市乌鲁木齐市三道坝镇、库尔勒市西尼尔镇及博乐市84团农田区观测的NO_2垂直柱浓度(VCD)数据,结合同期的气象数据分析了NO_2VCD的变化特征。研究表明:1NO_2气体的日变化规律在乌鲁木齐市和库尔勒市农田区呈波浪式多峰特征,博乐市农田区呈明显的双峰形式,且峰值除了库尔勒市在午后外,乌鲁木齐市和博乐市均出现在早晚时段;2新疆绿洲城市农田区在夏季6月(3.327×1015molec/cm^2)的NO_2VCD最高,其次是7月(2.002×1015molec/cm^2),最低是8月(1.656×1015molec/cm2);3NO_2VCD与气温、水汽压气象要素密切相关;由于城市间地势、格局的差异,库尔勒市的NO_2浓度与风速呈显著正相关,乌鲁木齐市、博乐市的NO_2浓度与风速相关性不显著。

基于多轴差分吸收光谱技术测量青岛市大气水汽垂直柱浓度及垂直分布

本文研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)在可见蓝光波段(434.0-451.5 nm)对大气水汽垂直柱浓度和垂直廓线的反演方法.首先,针对水汽吸收峰较窄且较密的问题,采用和仪器狭缝函数卷积的方法获取适用于MAX-DOAS的水汽吸收参考截面,并采用修正系数法校正了水汽饱和吸收效应在此波段对反演的影响.其次,研究了非线性最优估算法痕量气体廓线反演算法(Pri AM算法)中气溶胶状态和先验廓线的线型对水汽反演结果的影响.结果表明,气溶胶线型变化对水汽廓线反演结果的影响可忽略,而高气溶胶状态会使反演结果差异变大,但均在廓线反演总误差范围内,这表明, Pri AM算法对水汽廓线反演仍具有适用性.采用该方法在青岛市鳌山区域站开展连续观测实验,并将观测的水汽垂直柱浓度结果和欧洲中期天气预报中心日均值数据对比, R2=0.93;将反演的水汽廓线近地面浓度与欧洲中期天气预报中心和怀俄明大学探空数据对比, R2分别大于0.70和0.66,结果表明了Pri AM算法对大气水汽廓线反演的准确性较高.最后,分析了青岛市水汽垂直分布特征:青岛市水汽主要分布在1.5 km以下.