1 中国民用航空飞行学院理学院, 四川 广汉 618307
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋观测与探测联合实验室, 山东 青岛 266200
研发能够精确、 实时、 原位获取热液甲烷数据的深海甲烷传感器对深海研究具有非常重要的意义。 前期研制的两款深海甲烷光学成像干涉系统, 均利用甲烷辐射光谱开展甲烷状态参数探测和反演。 首先, 以分子光谱辐射理论为基础, 建立了分子辐射光谱与浓度、 温度、 压强的理论关系式, 结合深海高压环境特点, 建立了基于Lorentz线型的深海分子辐射模型, 该模型为利用光谱法定量反演分子浓度、 温度、 压强等状态参数提供理论依据, 同时为深海分子光谱仿真提供有力工具。 接着, 借助HITRAN分子光谱数据库提供的分子基本谱线参数, 挑选出甲烷成像干涉系统的光源谱线。 对比CH4分子与CO2, H2S, H2O等分子的特征吸收谱线, 在5 990~6 150 cm-1波段范围内, CH4谱线强度比CO2, H2S, H2O等三种干扰分子的谱线强度约高2~3个数量级, 且此波段内甲烷六条有效谱线分布均匀, 谱线间距皆约为2~3 nm, 非常适合采用光谱法进行分子状态参数探测, 因此选择谱线干扰较弱、 谱线分布均匀、 谱线间距适中的甲烷六条谱线(1 640.37, 1 642.91, 1 645.56, 1 648.23, 1 650.96和1 653.72 nm)作为甲烷成像干涉探测系统的目标光源谱线。 最后, 基于深海分子辐射模型和HITRAN数据库的甲烷分子基本谱线参数, 人工合成了甲烷任意浓度, 任意温度和任意压强的辐射光谱数据, 并分析了甲烷辐射光谱随浓度、 温度和压强的变化特征。 对于单一中心谱线, 甲烷分子辐亮度随着浓度的升高而线性增大, 随着温度的升高而非线性增大, 随着压强的升高而非线性减小。 对于全波段谱线, 甲烷辐射光谱的全线宽随着浓度、 温度的升高而变宽, 随着压强的升高而变窄。 建立的深海甲烷辐射光谱理论和仿真分析结果, 可以为基于光谱法的海洋原位甲烷传感器的研制和数据反演提供数据支撑和理论依据。
热液甲烷 辐射光谱 HITRAN分子光谱数据库 成像干涉 Hydrothermal methane Emission spectrum HITRAN Imaging interference 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2714
1 中国计量大学机电工程学院, 浙江 杭州 310018
2 中国计量大学现代科技学院, 浙江 杭州 310018
3 中国计量大学光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018
红外甲烷传感器根据朗伯-比尔定律对甲烷的浓度进行检测, 而吸收系数是朗伯-比尔定律中的重要参数, 其受温度和压强的影响变化较大, 其变化会导致浓度测量的误差, 因而研究不同温度、 气压下甲烷吸收系数的变化规律对设计高精度的红外甲烷传感器有重要意义。 文献报道中, 一般采用获得测量甲烷浓度受环境影响的实验数据, 再加以数学处理的方法, 对测量误差进行补偿和修正。 该工作以分子光谱分析理论为基础, 以3 016.49 cm-1波数的甲烷为研究对象, 利用HITRAN数据库的甲烷数据, 设计了Python程序调用HAPI函数, 拟合计算出甲烷吸收系数随温度、 气压的变化规律, 并通过傅里叶红外光谱对甲烷吸收系数的变化规律进行实验验证。 结果表明, 在3 016.49 cm-1处, 水分子(湿度的影响)对于甲烷吸收系数的影响很小, 可以忽略不计; 温度和气压对吸收系数有一定的影响, 当气压为1.0 atm, 温度在-10~50 ℃范围内升高时, 甲烷吸收系数减小, 吸收系数与温度的关系呈线性关系; 当温度为273.15 K时, 气压在0.6~1.2 atm升高时, 甲烷收系数增加, 吸收系数与气压关系呈线性关系。 最后拟合出的吸收系数与温度、 气压的公式, k(T, p)=53.65(±3.24)-0.114 6(±0.010 7)T+21.07(±0.95)p。 实验中甲烷标准气体的浓度分别为1.01%, 2.00%, 3.51%和5.06%, 通入直径为2.5 cm, 长度为8 cm的短光程石英气体池中, 通过改变气体的气压及温度, 从傅里叶红外光谱仪获得甲烷的吸光度, 由于受实验仪器分辨率的影响, 如直接通过吸光度反演甲烷浓度其误差较大, 采用吸收系数与吸光度的比值来判断吸收系数拟合的正确性。 结果表明, 浓度为定值, 气压与温度变化时, 吸收系数与吸光度之比基本为定值, 从而证明了计算拟合出的甲烷吸收系数随温度压强变化的正确性。
甲烷吸收系数 光谱谱线线型轮廓 Lambert-Beer定律 高分辨率透射光谱(HITRAN) Methane absorption coefficient Spectral line profile Beer-Lambert’s law HITRAN 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2462
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
星光掩星技术中, 利用三维射线追踪方法模拟从地面到110 km高度红外辐射在大气中传输的路线。 其中, 设置频率为3.95×1014 Hz, 地球形状为椭球状, 模型为中性大气, 且已知在地固系中目标恒星的三维位置坐标和低轨卫星轨道数据。 再利用HITRAN数据库中高分辨率的氧分子吸收线参数, 包括吸收线强度、 低能态能量等, 以天狼星的红外光谱作为原始的接收光谱, 即去除地球大气的吸收散射等的作用, 光谱能量随着波长的增大而降低, 计算接收光谱在近红外氧气分子吸收A带(755～774 nm)的透过率。 考虑到仪器小型化, 选择氧气的特征吸收谱线760和762 nm, 计算两谱线位置的大气透过率随高度的变化, 并通过透过率计算接收光谱的信噪比, 进行仪器设计的指导。 另外, 由于大气折射作用, 必须将所得透过率进行折射修正。 通过仿真计算可知: 利用近红外波段755～774 nm, 计算了80, 100和110 km三个高度的大气透过率, 其随高度的逐渐增高而趋近于1。 相比0.2 nm光谱分辨率, 0.1 nm分辨率条件下大气透过率的变化范围更大, 为0.28～1, 在110 km透过率为0.987, 且探测的精确度可小一位。 折射引起的透过率在60 km以上等于1, 因此60 km以上可以忽略大气折射对大气透过率的影响, 无需进行折射修正。 利用760和762 nm的特征吸收线, 得到光强度信噪比均大于100, 且当分辨率为0.1 nm时, 光强度信噪比的值更小, 说明氧气对光谱的吸收作用更强。 两种分辨率条件下所得相邻两高度的光子数变化量差别不大且大于1。 最后, 根据以上结果, 可确定望远镜、 CCD、 光谱分辨率、 积分时间等参数, 用以研究和测试星光掩星的反演算法, 形成探测氧气从地面到110 km高度数密度变化的小型化仪器, 也可预先分析探测误差等。
星光掩星 三维射线追踪 近红外 透过率 Stellar occultation Three-dimensional ray tracing HITRAN HITRAN Near infrared Transmittance 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2092
光电信息控制和安全技术重点实验室, 天津 300308
利用HITRAN 2004数据库提取出的相关分子谱线数据, 给出了计算非均匀气体吸收和发射特性的普遍方法。以此为基础, 结合大气分层数据, 计算了红外波段穿越大气任意路径的透过率。此种方法也可以用于飞行器尾焰辐射或其他类型的气体特性计算。
非均匀气体 吸收率 发射率 HITRAN HITRAN non-uniform gas absorptivity emissivity
1 河南省日立信股份有限公司, 河南 郑州 450001
2 郑州大学物理工程学院, 河南 郑州 450001
对TDLAS直接吸收信号进行仿真研究, 能够充分了解TDLAS直接吸收的过程以及各个物理参量的变化对吸收信号的影响。首先全面研究分析了TDLAS直接吸收方法的理论基础及算法, 给出了基于朗伯-比尔定率的气体吸收线强、吸收截面、浓度、线型函数以及气体总体配分函数等参量的表达式及计算步骤。基于HITRAN光谱数据库, 利用MATLAB程序对TDLAS直接吸收过程进行了仿真, 计算得到了一定温度、压力、浓度等条件下的吸收谱数据。以H2O为研究对象, 仿真了其在各个线型下的吸收谱, 并与商用软件Hitran-PC的结果进行比较, 结果显示两者在Lorentz线型下的最大误差小于0.5%, 在Gauss线型下的最大误差小于2.5%, 在Voigt线型下的最大误差小于1%, 因此验证了仿真算法及结果的正确性。还对不同压力和温度下ν2+ν3谱带H2O的吸收谱进行了仿真, 研究了吸收谱随压力和温度变化规律。在低压范围, 多普勒展宽占主导, 线宽随压力变化很小, 而幅度随压力增大而增大, 在高压范围, 碰撞展宽占主导, 线宽随压力增大而增大, 而幅度则随压力增大而趋于定值。最后还给出了大气环境温度范围内的温度修正曲线。该研究可以为TDLAS直接吸收方法的实际应用提供理论参考和指导。
可调谐二极管激光吸收光谱 直接吸收 仿真 吸收谱 Tunable diode laser absorption spectroscopy Direct absorption HITRAN HITRAN Simulation Absorption spectroscopy
1 西安电子科技大学 物理与光电工程学院,西安 710071
2 西安工业大学 光电工程学院,西安 710021
基于HITRAN数据库,对比了大气主要成份分子对THz波段的吸收.从Mie理论出发,结合雾滴粒子谱分布,分析了不同波长信号雾滴粒子群的平均体系散射特性.采用蒙特卡罗方法,得到了红外波段和THz波段雾天气的透过率、反射率,以及前向、后向散射强度.结果表明：THz波段内,频率越低,透过率越高,反射率越低,后向散射强度越小;相同传输距离下,THz波段比红外波段具有更好的透射能力;相同散射角下,红外波段信号前向散射强度大于THz波段.该研究结果对THz技术在大气空间中的应用具有重要意义.
太赫兹 雾 多重散射 蒙特卡罗法 HITRAN数据库 Terahertz Fog Multiple scattering Monte Carlo method HITRAN database 光子学报
2014, 43(10): 1001001
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 中国科学院大学, 北京 100049
高分辨透射率谱线(HITRAN)数据库是构建各种大气辐射传输模式的基本参数，其分子谱线参数的改进，有助于提高大气辐射传输的计算精度。简述了最近几个版本的HITRAN数据库，比较7种大气分子（H2O、CO2、O3、CO、CH4、NO和OH）在不同版本HITRAN数据库中的红外波段谱线参数差异，计算了其在局域热平衡和非局域热平衡条件下的总内配分函数；利用高层大气辐射传输软件(SHARC)，分析了不同HITRAN数据库对以上7种大气分子在2~40 μm波段的光谱透射率和热辐射的影响特性。结果表明：在切线高度为30 km处，0.5 cm-1光谱分辨率条件下，不同HITRAN数据库在600~750 cm-1，950~1150 cm-1，3600~3800 cm-1波段的平均透射率的相对偏差分别为0.23%，0.39%，0.34%，在单个波数上的最大相对偏差达16%；不同HITRAN数据库在550~750 cm-1，1490~1690 cm-1，3600~3800 cm-1波段的积分辐射相对偏差分别为1.95%，1.65%，15.94%。HITRAN08数据库中的谱线参数最为准确，包含了许多分子弱谱线，对窄波带内高层大气的分子吸收和热辐射有一定影响。
大气光学 非局域热平衡 分子吸收 光谱辐射 上层大气
大气折射率的精确信息在光波传播研究中至关重要，水汽折射率是其研究的一个重点。利用HITRAN数据库提供的线谱信息计算了波长在0.3~20 μm范围内标准条件下的水汽折射率，针对该数据库缺乏高能谱线的缺点，利用非线性拟合的方法创建了一条新的紫外伪谱，以表征水汽的紫外能谱及光致电离能谱，提高了水汽折射率的计算精度。计算结果表明，水汽在中红外波段有两个强吸收带：2.4~3.3 μm，4.8~8.8 μm。针对水汽这两个较强的吸收带，以Gross线形为原函数，拟合得到了一个波长覆盖范围比较广的标准水汽色散公式，比较实验测量数据和旧的色散公式可知，拟合公式和实验数据吻合比较好。
大气光学 水汽折射率 HITRAN数据库 色散 光学学报
2012, 32(s1): s101001
在IDL程序语言中实现Mie理论的数值算法，利用HITRAN资料提供的气溶胶粒子复折射指数，计算分析了沙尘、黑炭2种气溶胶粒子在不同半径(1μm，2.5μm和10μm)时，对波长为400nm和860nm光的散射效率以及散射相函数矩阵元素。结果表明：黑炭与沙尘有明显的光学性质差别，沙尘粒子不仅散射效率大于黑碳，而且后向散射比黑碳粒子强。 2种粒子对400 nm和860 nm太阳光的偏振也不同，可以利用此特性鉴别这2种气溶胶。
黑碳粒子 沙尘粒子 气溶胶 Mie理论 black carbon dust aerosol HITRAN HITRAN Mie theory
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽,合肥,230031
在乙炔燃烧火焰中,OH的紫外发射谱在306.417 nm与306.821 nm处的发射峰(G0,G1)对温度变化非常敏感,通过分析OH发射谱特征能够获取关于火焰温度的信息.利用HITRAN提供的分子光谱数据库,模拟计算了OH在1000～3000K温度范围的发射光谱,分析了发射峰强度随温度变化的规律,得到温度与强度的经验关系式.测量了乙炔燃烧火焰的紫外辐射光谱,计算出乙炔燃烧火焰的温度.
温度 乙炔 HITRAN OH
