安徽省大气探测技术保障中心，安徽 合肥 230031
利用三波长偏振激光雷达和气溶胶在线监测仪器的协同观测，获取了2021年1月14日—16日寿县国家气候观象台一次沙尘过程气溶胶垂直分布、粒子数浓度、质量浓度、散射特性和能见度观测数据，并结合常规地面气象观测资料，分析了沙尘过程气溶胶微物理、光学特性及垂直分布的阶段性演变特征。结果表明：沙尘过境期间气溶胶粒子总数浓度峰值为5431 cm-3，PM10质量浓度峰值为447.2 μg/m3，PM2.5和PM10的质量浓度比为0.43±0.10。沙尘、霾和晴空阶段下的气溶胶谱分布均可表示为2个细粒模和1个粗粒模的叠加，沙尘阶段气溶胶粒子数显著高于晴空和霾阶段，2个细粒模的粒子几何平均半径基本一致，在粗粒模中，沙尘阶段的粒子几何平均半径为2.24 μm，明显大于晴空阶段的1.74 μm和霾阶段的1.79 μm。沙尘阶段气溶胶总散射系数平均值大于霾阶段和晴空阶段，其后向散射比较小，空气中以较大的沙尘粒子为主。3个波长的气溶胶消光系数垂直分布变化趋势基本一致，沙尘阶段气溶胶层高度扩展至近地面3.0 km，退偏振比基本大于0.1，Angstr?m指数在0.1~0.4范围。
大气光学 气溶胶 谱分布 光学特性 空气污染监测 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1901002
南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
为了获取大气复合污染下臭氧和气溶胶的垂直分布信息，利用紫外多波长激光雷达对河北望都县进行了臭氧和气溶胶的同步观测。结果表明：双波长差分吸收反演算法中大气后向散射项引起的臭氧质量浓度误差最大，最大平均质量浓度误差为16 μg/m³；三波长差分吸收算法可以减小部分气溶胶的影响。基于反演的臭氧质量浓度，对激光雷达三个波长的消光系数进行臭氧吸收的剔除，得到了各波长的气溶胶消光系数，并且气溶胶参数的反演结果与AERONET的气溶胶光学厚度（AOD）数据一致性较好。最后基于紫外多波长激光雷达反演结果、HYSPLIT后向轨迹分析和MERRA-2再分析资料对望都县典型污染天气进行了分析。通过反演300 m处的臭氧质量浓度和300 m以上的AOD，发现二者变化趋势相反，并且AOD对紫外辐射的抑制作用在中午表现最明显。观测期间，望都县大气污染可能受到西北方向污染物输送的影响。
大气光学 激光雷达 臭氧 气溶胶 空气污染监测 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1601001
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
SO2 and NO2 are the most important pollution in atmosphere. An optimized long path (LP) differential optical absorption spectroscopy (DOAS) system of high light intensity at an ultraviolet (UV) wavelength is proposed and used to measure the concentration of SO2 and NO2 simultaneously. In contrast to the traditional DOAS, the system adopted a Y-type optical fiber structure instead of a combination of mirrors in the telescope. The UV light intensity test shows that the light intensity of UV can arrive to above 80% of the max measuring range when the light path reaches 135 m, and the integral time of the spectrograph is only 15 ms. The system is proved to be efficacious through laboratory calibration. The maximum error of SO2 calibration is 4.19%, and is 5.22% for NO2. The error of the SO2 and NO2 mixture calibration is within 10%. Field measurement is implemented in a wastewater treatment plant in winter. The measurement light path is 738 m. The concentration of SO2 varies from 6 μg/m3 (2.26 ppb) to 20 μg/m3 (7.52 ppb), and the concentration of NO2 varies from 100 μg/m3 (53.2 ppb) to 200 μg/m3 (106.4 ppb) approximately. The results are in accordance with the data from a monitoring station nearby in magnitude order and variation tendency mostly.
air pollution monitoring DOAS sulfur dioxide nitrogen dioxide optical fiber Chinese Optics Letters
2020, 18(2): 021201
1 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院, 北京 100124
2 清华大学精密仪器系, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
3 北京工业大学环境与能源工程学院, 北京 100124
傅里叶红外光谱法具有测量速度快、 信噪比高、 检测范围广等优势, 在针对污染源废气排放的快速检测及长时间在线监测中具有巨大的发展潜力。 水汽是红外光谱污染气体检测中的主要干扰物, 影响NOX, SO2等重要污染物的检测, 差减水汽背景谱消除光谱中水汽干扰可提高这些污染物的检测精度, 具有重要意义。 气体光谱中水汽吸收峰由于受到水分子团簇、 仪器线型函数等影响, 通过数值方法对其计算的误差较大; 为此, 水汽背景谱一般需采用同一台光谱仪实测获得。 主要有两种方法: 第一种是通过反复调节水汽/氮气混合气中的水汽浓度, 使水汽背景谱中的水汽吸收峰与污染气体光谱中水汽吸收峰相同, 此方法耗时较长, 且受环境条件制约很难在现场检测中使用; 第二种方法是预先测量不同浓度的水汽光谱, 在检测污染气体时选取两幅与污染气体光谱中水汽吸收峰最为接近且将其夹在中间的水汽光谱作为参考谱, 使用这两幅参考谱线性拟合与污染气体光谱中水汽吸收峰相同的水汽背景谱, 此方法可获得高度近似的水汽背景谱, 但当前缺乏相关自动算法妨碍了其在快速自动消除水汽干扰方面的应用。 为此, 提出一种选取水汽参考谱及拟合水汽背景谱的自动算法, 用于自动差减消除水汽干扰。 在参考谱选取中, 使用污染气体光谱依次减去浓度由低至高的水汽光谱, 依据差减后光谱中水汽吸收峰所在波数的吸光度正负性来选取参考谱。 在水汽背景谱计算中, 基于迭代最小二乘法逐步剔除光谱中受污染物吸收峰干扰的波数, 采用剩余波数上的数据拟合水汽背景谱, 使其与污染气体光谱中水汽吸收峰相一致。 使用水汽背景谱对污染气体光谱进行差减即可消除污染气体光谱中的水汽干扰。 对含有NO2的污染气体光谱进行了差减消除水汽干扰实验, 结果表明所提出的自动算法可快速准确消除水汽干扰; NO2在消除水汽干扰后可由其位于1 629 cm-1的强吸收峰检测, 相比消除水汽干扰前使用不受水汽干扰的位于2 917 cm-1的弱吸收峰检测, 其检出限得到了大幅提高。
污染气体检测 水汽干扰 傅里叶红外光谱 最小二乘法 Air pollution monitoring Water vapor interference FTIR Least square method
1 上海交通大学航空航天学院, 上海 200240
2 上海卫星工程研究所十五室, 上海 201108
3 上海市气象科学研究所卫星遥感应用技术研究室, 上海 200030
霾监测是环境治理中的关键技术之一。目前地面观测站进行霾监测的耗费较大,基于多光谱遥感的霾识别精度较低。将深度学习用于高光谱遥感数据的霾监测,提出一种基于深度残差网络的高光谱霾监测方法,利用深度网络提取霾光谱曲线特征,再使用残差学习等方法降低网络训练难度,得到了霾监测模型。苏州地区Hyperion高光谱数据集上的实验表明,与其他遥感霾监测方法相比,所提方法的霾识别精度更高。
遥感 大气污染监测 霾监测 深度残差网络 高光谱遥感 深度学习 机器学习 光学学报
2017, 37(11): 1128001
杭州电子科技大学通信工程学院, 浙江 杭州 310018
根据CCD侧向散射激光雷达(Clidar)及Mie散射理论,建立侧向散射光强分布与PM2.5浓度的关系模型,并分析测量误差。在研究过程中,搭建以波长为532 nm的激光器为光源、CCD为接收器的Clidar PM2.5浓度测量系统装置;将获取的侧向散射回波信号图与BAM-1020颗粒物监测仪记录的PM2.5浓度进行对比,建立高、低增益下各等级模型的关系式。将高、低增益各等级模型的PM2.5预测值与实际测量结果进行对比,得到各模型的平均误差、残差方差和综合偏差率统计量,并确定最佳反演精度模型的增益和等级i值。结果表明:当PM2.5浓度在0~70 μg m
-3范围内时,高增益模型的反演精度高于低增益模型;对于高增益模型,S(20)模型的反演精度最高。
大气光学 大气污染监测 激光雷达 侧向散射 PM2.5 测量误差 光学学报
2017, 37(12): 1201003
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 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
城市近地面气溶胶的分布随时空快速变化, 常用的地基定点监测只能获取区域内有限位置的气溶胶质量浓度, 大致反映区域内气溶胶的分布情况。为确定气溶胶和污染物在城市近地面水平路径上的分布情况,利用微脉冲激光雷达(MPL)、粒子计数器、能见度仪和颗粒物质量浓度监测仪获得的气溶胶数据, 根据Mie散射理论建立了气溶胶消光系数、粒子谱分布和质量浓度等参数的数学模型, 反演得到了水平路径上的气溶胶质量浓度分布。该方法可以以测量点为中心进行0~6 km的360°的水平扫描, 具有监测范围大、分辨率高的优点。最后开展了气溶胶水平分布的实际测量, 获得了距离6 km长的水平路径上近地面气溶胶质量浓度的实时分布。这为研究城市气溶胶的污染来源和动态变化提供了有效的数据支持。
大气光学 气溶胶探测 激光雷达 空气污染监测 质量浓度 atmospheric optics aerosol detection micro pluse lidar air pollution monitoring mass concentration
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
搭建了基于近红外连续激光器的高灵敏度快速扫描光腔衰荡光谱仪(SC-CRDS)。通过压电陶瓷(PZT)快速扫描腔长，并用跟踪电路使腔长自动跟踪激光波长变化，实现衰荡光谱的快速测量。利用CH4在1653.73 nm (6046.95 cm-1)附近的光谱吸收峰，用该装置对CH4气体含量进行测量。通过测量多个光谱点确定吸收线中心吸收峰值和激光波长，并反馈补偿激光中心波长使其稳定在吸收线，成功解决了由于激光器波长/频率严重漂移导致的不能持续准确测量问题。利用标准浓度的CH4样品校准其1653.73 nm 吸收峰谱线强度。该光腔衰荡光谱仪装置结构简单，性能稳定，CH4浓度检测限达到1.0×10-9，可用于长时间监测室外空气中的CH4浓度。
光谱学 高灵敏度光学探测 光腔衰荡光谱 空气污染监测 激光传感器 甲烷
Author Affiliations
Abstract
An adaptive filter for cancelling noise contained in the direct absorption spectra is reported. This technique takes advantage of the periodical nature of the repetitively scanned spectral signal, and requires no prior knowledge of the detailed properties of noises. An experimental system devised for measuring CH4 is used to test the performance of the filter. The measurement results show that the signal-to-noise (S/N) value is improved by a factor of 2. A higher enhancement factor of the S/N value of 5.4 is obtained through open-air measurement owing to higher distortions of the raw data. In addition, the response time of this filter, which characterizes the real-time detection ability of the system, is nine times shorter than that of a conventional signal averaging solution, under the condition that the filter order is 100.
300.6260 Spectroscopy, diode lasers 280.1120 Air pollution monitoring Chinese Optics Letters
2013, 11(7): 073001
Author Affiliations
Abstract
A quantum cascade (QC) laser-based spectrometer is developed to measure trace gases in air. The proposed spectrometer is tested for N2O, and the results presented in this letter. This system takes advantage of recent technology in QC lasers by utilizing intra-pulse scan spectroscopy, which allows high sensitive measurement. Without calibration gases, the gas concentration can be calculated with scan integration and the corresponding values from the HITRAN04 database. By analyzing the Allan variance, a detection limit of 2 ppb is obtained. Continuous measurement of N2O sampled from ambient air shows the applicability of the proposed system for the field measurements of gases of environmental concern.
140.5965 Semiconductor lasers, quantum cascade 300.6340 Spectroscopy, infrared 280.1120 Air pollution monitoring Chinese Optics Letters
2012, 10(4): 041404
