LED温度波动对差分吸收光谱技术测量NO_2的影响研究

研究了中心波长分别为370nm(近紫外)、452nm(蓝光)和660nm(红光)三种无标准具结构的发光二极管(LED)光源温度波动对差分吸收光谱技术(DOAS)测量NO2的影响。利用温度10℃时的LED灯谱构造NO2吸收谱,将其他温度下测得的LED谱作为灯谱,以此得到不同温度波动下的NO2差分光学密度,再拟合NO2差分吸收截面到差分光学密度,结果发现拟合残差的峰-峰值与LED温度波动幅度均近似成线性关系,相关性分别为0.995,0.945和0.989;斜率分别为1.12×10-3,5.25×10-5和7.45×10-4℃-1。拟合结果表明,蓝光LED温度波动对DOAS反演影响最小,基本上不影响探测灵敏度,而近紫外和红光LED温度波动对DOAS测量较为敏感,温度波动会导致探测灵敏度的下降。将温度特性相似的有、无标准具结构的两种蓝光LED的反演结果进行了比较,结果显示标准具结构会大幅度增加温度波动对DOAS反演的影响。

基于目标反射光的大气NO2夜间遥测系统研究

针对夜间大气NO2的连续和准确测量问题,搭建了一套基于目标反射光的大气NO2夜间探测系统。该系统主要由发射单元和信号接收单元构成,其光源采用波长为445 nm的3.5 W大功率半导体激光器。根据NO2气体在440~450 nm之间的激光差分吸收特性,确定NO2的激光探测波长为λon=444.8 nm和λoff=446.7 nm。首先针对半导体激光器波长及光强对温度与电流的敏感性进行了研究,由此确定波长及光强与温度、电流之间的定量关系;再根据建立的定量关系,通过控制半导体激光器温度稳定的同时改变电流实现激光波长的调节,并在探测过程中消去调节波长带来激光光强变化的影响;然后基于构建的系统开展NO2样气实验,计算了NO2差分吸收截面拟合值。在系统参数确定的基础上,分别于安徽大学与科学岛(中国科学院合肥物质科学研究院园区)开展外场实验,成功获得两观测点近地面NO2夜间浓度信息,并将其分别与国控站点数据以及科学岛长光程差分吸收光谱技术(LP-DOAS)数据进行对比,发现本系统的观测数据与国控站点的数据以及LP-DOAS的数据变化趋势呈现出较好的一致性,决定系数分别为0.902与0.891,验证了本系统的准确性和可靠性。此外,还开展了NO2垂直分布探测实验,成功获得了不同高度的NO2浓度值,证明了该系统在NO2垂直分布探测方面的可行性。

LED光源DOAS方法的夜间NO_2气体浓度遥测研究

针对现有利用自然光源的被动DOAS测量方法无法实现夜间对NO_2等痕量气体进行垂直分布探测的问题,提出构建一种基于窄带光源蓝光LED技术的DOAS测量NO_2的方法,搭建了仪器系统,成功地实现了夜间对NO_2气体浓度的测量。该系统主要分为灯源发射系统和望远镜接收系统两部分,采用主波长为450nm的LED作为光源,通过望远镜采集发光束的散射光,利用光纤耦合将望远镜接收到的散射光导入光谱仪中,结合DOAS原理运用计算机进行处理。DOAS的理论基础是朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,据此原理可将数据处理过程概述如下:首先采集相对干净光谱作为背景参考谱,用实际测量大气谱除以参考谱,利用数字高通滤波去除慢变化部分,然后取对数,即可获得光学厚度;其次将仪器函数与NO_2的高分辨率截面卷积,得到与所用仪器相匹配的低分辨率吸收截面;最后将差分吸收截面与处理后的差分光学厚度相结合,运用最小二乘法拟合并结合光程L即可获得NO_2浓度值。同时可通过调节灯源光速发射角度及望远镜接收角度,测出不同位置处NO_2浓度值,进而给出NO_2气体浓度的立体分布信息。在算法确定的情况下, LED灯谱质量对仪器系统的可靠性显得尤为重要。由于LED光谱受温度及驱动电流影响较大,为了保证LED处于最佳工作状态,开展了LED光谱温度及驱动电流敏感性实验。测试结果表明,要确保采集到的光谱稳定且具有较高质量, LED工作温度应低于20℃,驱动电流需控制在1.5 A以内,且两者波动范围较小。实验中, LED实际工作温度为10～15℃,驱动电流为1.4 A,控制精度±1 mA,能够满足实验要求。为了提高LED阵列密度、获得更加集中的发光束, LED底座基板采用正六边形结构,每块正六边形基板上7只LED串联,各个基板之间并联。经计算较采用矩形结构,其空间利用率提高了8%。各基板工作电流1.4 A,最大电压23.8 V,易于扩展,维护方便。为了验证方案可行性及系统的可靠性,进行了实验室测试及外场实验。实验室采用NO_2样气浓度为1 642.86 mg·m^(-3),不确定度5%。系统测量结果为1 607.54 mg·m^(-3),与标定值误差为2.15%,在标定的不确定度范围以内,经计算系统检测线为0.014 3 mg·m^(-3)(6.942 ppb),因此可认为测量结果准确。将外场实验测量结果与同时段国控站点给出的NO_2数据进行了对比,对应时间段结果偏差均在10%以内,两组数据线性拟合一致性较好,相关系数达0.967,表明该系统所测NO_2结果较准确。研究结果表明,在确保LED光源稳定的基础上,采用基于窄带光源蓝光LED的DOAS方法能够实现夜间对NO_2气体垂直分布情况测量。为大气痕量气体垂直分布测量、特别是在夜间条件下对痕量气体立体分布测量提供了一种新的思路。

非相干宽带腔增强吸收光谱技术应用于大气中HONO和NO2的实时探测

介绍了基于紫外LED光源的非相干宽带腔增强吸收光谱装置,并将其应用于实际大气中的HONO和NO2浓度的探测。中心波长为365nm的UV-LED出射光被耦合到~1.76m长,由两片高反射率镜片组成的光学谐振腔内,透过腔的光由便携式CCD光谱仪接收。高反射率镜片的反射率由NO2和O2-O2的吸收谱来校正,在353~376nm的测量范围内,最高反射率为0.999 17。在120s的采集时间内,HONO和NO2的探测极限（1σ）分别为0.6和1.8ppbv。将该装置测量的连续56h大气中NO2浓度的变化与配备蓝光转换器的NOx分析仪测量的结果进行比较,线性相关系数R2=0.89,斜率为1.09,截距为3.45。基于该装置探测了实验室大气中的HONO和NO2昼夜浓度变化,24h内的HONO浓度在0~5.3ppbv之间波动,平均浓度为1.8ppbv,NO2浓度变化范围为5~51ppbv,平均浓度为21.9ppbv。

化学放大法测量大气过氧自由基的技术进展

大气过氧自由基(RO_2)是大气化学过程中的关键中间体自由基,在对流层光化学反应中占有重要地位,因此,对相关测量技术的研究具有极其重要的意义。化学放大法是RO_2测量中最常用的方法之一,是一种间接测量方法,通过在反应系统中加入过量的CO、NO气体,将低浓度、不易测量的过氧自由基通过链式反应转化为高浓度、易测量的NO_2进行测量,NO_2测量的准确性对化学放大法很重要。对化学放大法进行了总结,并着重分析了其中用于NO_2测量的方法,分析了现有方法的优点与不足,并对未来的发展作了展望。