大气与环境光学学报
2023, 18(5): 401
中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
精确的甲烷分子实验光谱参数在大气科学和天文探测等领域有着广泛的应用, 特别是谱线的展宽系数及其温度依赖系数对于甲烷分子浓度廓线的研究尤为重要。 精密的实验测量是获得准确谱线参数的重要手段。 采用实验测量获取谱线参数时, 需要在已知实验条件(浓度, 温度, 总压力, 吸收光程以及气体分子种类的混合比等)的情况下, 多次扫描同一波段范围得到多组实验室吸收光谱, 然后利用基于非线性最小二乘法的拟合程序处理这些光谱, 反演获得所需要的光谱参数。 然而, 一般常用的单光谱拟合程序处理实验光谱既费时又容易引起拟合过程中的误差传递。 针对此问题, 采用最小二乘拟合技术和Levenberg-Marquardt迭代算法编写了一款适用于处理由可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)所获得的吸收光谱的多光谱拟合程序。 该程序可同时处理多张实验光谱, 并基于全局拟合方法获得一套光谱参数。 详细介绍了该程序的原理、 使用方法及数据处理过程。 利用多光谱拟合程序中的Voigt线型处理了2 958~2 959 cm-1波数内甲烷(12CH4)分子6条跃迁谱线的实验光谱, 获得了296.0, 251.0, 223.0, 198.0和173.0 K共5组温度下12CH4分子6条谱线的空气展宽系数。 与之前文献报道的该波段内采用单光谱拟合程序得到的相应数据对比结果表明: 获得的各温度下的空气展宽系数与参考文献中相应数据差值的百分比处在-4.97%~1.58%之间, 两者数据整体符合较好, 并且在30组对比数据中, 有4组由单光谱拟合程序得到的空气展宽系数的误差值小于由多光谱拟合程序得到的相应数值, 有2组数据显示由两种方法获得的误差值相等, 其余24组由多光谱拟合程序获得的数据拟合误差小于由单光谱拟合程序获得的相应数值, 表明多光谱拟合程序具有良好的可靠性, 适用于气体分子吸收光谱的处理。
多光谱拟合程序 甲烷 吸收光谱 谱线参数 Multispectrum fitting program Methane Absorption spectrum Line parameter 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3887
1 安庆师范大学物理与电气工程学院, 安徽 安庆 246133
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
基于高分辨率可调谐二极管激光吸收光谱仪(TDLAS)和长程怀特吸收池搭建了一套高分辨率、光程可调吸收光谱测量系统,采用直接吸收光谱技术测量了1.51 μm 波段(6608～6624.3 cm-1) 水分子室温下的吸收光谱。利用非线性拟合程序,获得了57条水分子吸收谱线的线位置、线强和自展宽系数,并与HITRAN 2016数据库中的相应数据进行了比较,结果表明整体实验数据与HITRAN 2016符合较好,证明该光谱测量系统适用于水分子吸收谱线参数研究。
光谱学 光谱参数 吸收光谱 水汽 怀特池 spectroscopy spectrum parameter absorption spectroscopy water vapor White cell
1 安庆师范大学物理与电气工程学院, 安徽 安庆 246133
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
利用宽带光源设计了用于探测甲烷浓度的光声光谱系统,在22 Hz最佳调制频率下对甲烷浓度进行了探测,利用Allan方差分析了系统的稳定性,评估了系统的最低探测浓度。研究结果表明,系统对甲烷浓度(体积比)的探测极限能达到1×10
-6。利用宽带光声光谱系统及基于分布反馈式二极管激光光源和长光程吸收池的直接吸收光谱探测系统同时对甲烷浓度进行探测,得到宽带光声光谱系统对甲烷浓度探测的误差约为8%。
光谱学 浓度探测 光声光谱 甲烷 长程吸收池 激光与光电子学进展
2019, 56(4): 043001
1 安庆师范大学 物理与电气工程学院,安徽 安庆 246133
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
水汽连续吸收广泛存在于红外波段,对于地球辐射平衡和遥感探测有着重要的意义。一般水汽连续吸收的研究大多处于中红外窗口区域, 而在吸收谱带内和近红外窗口区域的研究较少。目前,水汽连续吸收的机理仍然是一个有争议的课题。简要阐述了现有理论及 计算模型的发展历史和研究现状,介绍了几种实验测量方法的原理、优点与不足,并对水汽连续吸收的发展进行了展望。
红外光谱 水汽 连续吸收 辐射平衡 遥感探测 infrared spectrum water vapour continuum radiation budget remote-sensing 大气与环境光学学报
2018, 13(5): 342
1 安庆师范大学物理与电气工程学院, 安徽 安庆 246133
2 安徽理工大学机械工程学院, 安徽 淮南 232001
视频监控或激光成像在大气环境监测中有着广泛应用,然而在雾天条件下获取的图像不可避免地存在视觉质量降低的问题。 针对雾天图像对比度增强以及噪声抑制的需要,提出了一种改进的雾天图像增强算法。首先对原图像进行正反双向的双直 方图均衡处理与融合,然后重复采用上述方法对融合图像的小波分解低频系数矩阵进行增强处理,最后将处理结果和高频系数矩 阵进行小波重构得到输出图像。实验结果表明,该算法处理雾天监控图像能够取得较好的对比度增强与噪声抑制效果。
图像增强 直方图均衡 雾天监控图像 小波域 image enhancement histogram equalization fog surveillance image wavelet domain 大气与环境光学学报
2018, 13(4): 309
1 安徽工程大学数理学院, 安徽 芜湖 241000
2 中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
基于二极管激光波长调制光谱技术建立了一套参数主动控制的痕量气体实时在线探测系统。为提高系统的实时在线测量性能和测量精度,在模拟温度与压强对痕量气体浓度探测影响的基础上,待测气体的温度、压强和流量被主动控制,并能保持长期稳定性。小波去噪和卡尔曼滤波数字降噪技术被联合应用于系统。以CO2分子吸收为例的实验结果表明,小波去噪的应用将吸收光谱的信噪比提高了30%左右,卡尔曼滤波的应用将CO2体积分数的测量精度由2.5×10
-7提高至7×10
-8。Allan方差结果给出了系统的稳定时间,约为60 s。实测实验室内CO2浓度的结果表明,该测量系统具有良好的稳定性和可靠性,能够很好地监测痕量气体浓度的变化。
光谱学 激光吸收光谱 二次谐波 痕量气体 浓度反演
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
3 Laboratoire de Physicochimiedel’Atmosphère, Université du Littoral Cte d’Opale, 189A, Av, Maurice Schumann, 59140 Dunkerque, France
吸收光谱技术用于痕量气体浓度监测, 特别是在气体分子稳定同位素丰度探测中, 吸收谱线参数的准确性非常重要, 目前普遍使用的HITRAN数据库中给出的各项参数具有一定的不确定性。 为利用2.0 μm激光波段进行CO2浓度及其同位素丰度探测, 需要对该波段的CO2吸收谱线参数进行校准, 采用窄线宽分布反馈式二极管激光器作为光源, 结合自行搭建的谱线参数测量系统, 采集了2.0 μm波段10条CO2吸收谱线, 获得了各谱线的位置、 强度、 自加宽系数和N2加宽系数, 并与HITRAN2012数据库中相应的数据进行对比发现两者之间吻合较好, CO2谱线强度和自加宽系数相对偏差均小于2%。 实测实验室大气的CO2浓度为440 ppm, 13CO2的丰度值δ为-9‰。 测量结果为该波段应用于CO2浓度及13CO2同位素丰度的实时在线探测提供了重要参考依据。
激光吸收光谱 谱线参数测量 同位素丰度 Tunable diode laser absorption spectroscopy Measurement of absorption parameters Isotope abundance 光谱学与光谱分析
2014, 34(11): 2881
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气成分与光学重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气物理化学研究室,安徽 合肥 230031
设计研制了一套可控温低温吸收池装置,用于系统研究大气分子的低温光谱参数。在之前研制的低温池的基础上,对新研制的低温池的杜瓦瓶与样品池的安装方式,样品池的构造材料以及具体的制冷方法进行了改进,提高了温度稳定性和均匀性。实验显示：在0.5 h监测时间内温度波动小于±0.3 K,温度梯度约为0.03 K/cm。基于新型低温池,结合可调谐半导体激光吸收光谱技术,开展了6 358.654 cm-1处二氧化碳低温精细光谱测试,获得了二氧化碳吸收谱线的自展宽系数及其温度依赖系数(n=0.738±0.014),并与相关文献报道的温度依赖系数进行了对比验证。结果表明,该装置可以满足大气分子低温光谱实验的需要。
低温吸收池 低温光谱参数 大气分子 二氧化碳 温度相关 吸收光谱仪 cryogenic absorption cell low temperature spectroscopic parameter atmospheric molecule carbon dioxide temperature dependence absorptive spectrometer 光学 精密工程
2014, 22(10): 2617
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院福建物质结构研究所, 福建 福州 350002
4 法国滨海大学大气物理化学实验室, 法国 敦刻尔克 59140
差频光源用于大气分子稳定同位素丰度研究需要频率稳定的连续输出的空闲光。基于连续可调谐钛宝石激光器和单频连续NdYAG激光器建立差频系统，为了稳定差频系统产生的红外光源的波长，利用MgOPPLN作为倍频晶体，采用有多普勒展宽的碘分子吸收稳频方法，结合数字比例积分微分(PID)反馈控制技术，将NdYAG激光器的频率漂移量稳定在1.2 MHz/h内，稳定度为4.26×10－9。实验结果表明：增加对压电陶瓷(PZT)的调制电压时，NdYAG激光在1 h内的频率漂移量迅速减小，超过1 V后漂移量趋于稳定；改变对PZT调制频率没有获得较高的稳定度。将频率稳定后的NdYAG激光用于产生3.42 μm附近的差频光源，通过对低压下CH4气体分子吸收谱线的测量，去卷积运算得到差频系统的线宽约为6.9 MHz。实验结果既为该方法用于稳定激光频率提供了重要的参考，又为痕量气体探测提供了频率稳定的差频光源。
非线性光学 激光稳频 数字比例积分微分技术 一次谐波 差频产生
