中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environmental trace gases monitoring instrument, EMI)于2018年5月9日成功发射升空,目前在轨运行状态良好,能够有效获取全球紫外-可见波段地球大 气散射光信号(Digital number, DN)值(0级数据)。为对遥感数据定量化应用, EMI输出的DN值需要完成光谱定标、几何定位、辐亮度定标等处理, 得到1级数据产品,1级数据用于反演获取全球大气NO2、SO2和O3等2级产品,进而应用于定量监测全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程。
星载成像光谱仪 遥感数据定量分析 全球痕量大气监测 spaceborne imaging spectrometer remote sensing data quantitative application global trace gas monitoring
1 东南大学能源与环境学院, 江苏 南京 210096
2 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室, 上海 200240
NH3是大气二次细颗粒物的主要前驱物之一,NH3浓度的准确测量对于大气环境监测和保护具有重要意义。近红外波段激光器的成本较低,但采用其测量NH3时,普遍存在受环境中H2O、CO2气体干扰以及吸收光程较短等问题。为克服环境中H2O、CO2干扰气体的影响,筛选出中心波数为6521.97 cm
-1的吸收谱线,利用该谱线对大气环境中痕量NH3的浓度进行测量。该谱线不受环境中CO2吸收的影响,且在低压条件下与H2O吸收谱线的重叠范围较小,通过多峰拟合可以准确提取出NH3的光谱吸收率。基于分布反馈式激光器搭建了一套腔衰荡吸收光谱测量装置,在该装置中,衰荡光腔由一对反射率高达99.996%的高反镜构成,空腔衰荡时间约96 μs,有效吸收光程可达1.6×10
4 m。利用该装置对大气环境中痕量NH3的浓度进行测量,结果表明:该测量系统的探测灵敏度可以达到3.9×10
-10。
光谱学 大气监测 腔衰荡光谱技术 氨气 光学学报
2018, 38(11): 1130001
浙江大学能源工程学院热能工程研究所, 浙江 杭州 310027
雾霾天气已经影响到了人们的日常生活, 对雾霾成分进行测量非常重要, 雾霾的主要构成成分为SO2和NO2及颗粒物。 目前对气体及颗粒物浓度进行同时测量的研究还很少, 用差分吸收光谱法(DOAS)对同时测量气体及颗粒污染物浓度进行了探索性研究。 通过对多组不同配比的SO2, NO2及颗粒物组成成分的吸收光谱进行了模拟, 由DOAS方法反演了各组分的浓度。 模拟单一组分时, 气体浓度从100变化至1 000 ppm, SO2浓度反演误差不大于0.17%, NO2误差不大于0.64%, 颗粒尺寸从100变化至500 nm, 浓度反演误差不大于2.08%。 模拟气体多组分时, SO2浓度与NO2浓度比在1∶10到5∶1的范围内时, 误差均较小, SO2误差不超过8%, NO2误差不超过5%, 然SO2与NO2浓度之比大于10, NO2的反演误差高于10%。 模拟同时测量SO2, NO2及颗粒物浓度时, 气体浓度的反演误差均在10%以内, 而颗粒物浓度的反演误差对系统的信噪比依赖较大, 当信噪比在40 dB以上时, 误差在10%以内, 而信噪比低于30 dB时, 误差高于20%。 通过上述研究结果表明, 差分吸收光谱法能很好地同时测量多种气体及颗粒物浓度, 用来测量分析雾霾成分。 然测量环境气体吸收差异过大时, 强吸收气体对弱吸收气体影响很大, 信噪比较低时, 颗粒浓度反演的误差也大为增加, 需要更好的滤波及去噪方法。
颗粒物 大气监测 DOAS DOAS SO2 SO2 NO2 NO2 Particle Air monitor 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 3830
1 中国科学技术大学,合肥微尺度国家实验室, 安徽 合肥 230026
2 中国计量研究院, 北京 100013
基于通讯波段的分布式反馈半导体激光器(DFB),搭建了一套光腔衰荡光谱仪(CRDS).衰荡光腔由一对反射率高于99.997%的高反镜组成,衰荡腔长约为130 cm,空腔衰荡时间约为150 μs.当光谱平均次数达到1 000次时,光谱仪灵敏度(最小可探测吸收系数)达到5×10-12 cm-1.利用热隔绝的方式稳定衰荡腔长,并使用衰荡光腔自身作为光学标准具,来标定光谱的频率:利用反馈式光谱扫描程序步进改变激光器频率,使之与衰荡腔的纵模频率逐一匹配,从而实现所测得光谱的自动标定.通过测量一氧化碳分子在1.565 μm附近的吸收光谱,测定气体中一氧化碳的含量.将光谱测量结果和标准样品中的一氧化碳含量进行对比,对装置的定量精度进行了检验,表明其对一氧化碳的探测极限达4 ppbv.利用该装置对实际大气中一氧化碳的含量进行了实时监测.
光腔衰荡光谱 DFB半导体激光器 一氧化碳 大气监测 Cavity ring down spectroscopy DFB diode lasers CO Atmospheric monitoring
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
针对开展环境空气中的痕量污染气体监测研究的需求, 综述了目前应用较广的光谱遥感监测技术。阐述了利用光学遥感技术监测大气环境的工作原理, 详细介绍了几种主流的大气监测技术, 包括傅里叶变换红外光谱技术, 差分吸收光谱技术, 激光长程吸收技术, 可调谐激光二极管吸收光谱技术, 差分吸收激光雷达技术, 指出了上述监测方法的特点并对它们的优缺点进行了分析与比较。
光学遥感 光谱遥感 大气监测 光谱技术 optical remote sensing spectral remote sensing atmosphere monitoring spectroscopy
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
建立了包含总控计算机、大气探测设备测控机及网络交换机在内的大气探测设备网络通信控制系统。该系 统采用Windows Socket实现了通信功能,为了避免通信中阻塞的发生,选择了异步通信机制。根据系统的具 体要求设计了通信协议,运用XML统一了各测控机测量的大气参数的格式。最终实现了对各种大气探测设 备的集中控制,以及对采集到的各种大气参数的集中获取。
大气监测 Socket通信 数据包 atmospheric monitoring Socket communication data package XML XML
华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074
研究将激光感生击穿光谱技术用于元素定量分析的可行性。利用Nd∶YAG激光器发出的激光与一个大气压下的空气相互作用产生激光等离子体，等离子体的光经单色仪分光后转化为电信号进入计算机，存储了600～800nm的等离子体光谱数据。利用自由定标模型对等离子体进行了分析。在延迟时间8μs、采样门宽0．4μs时，利用二维波尔兹曼平面得到了大气等离子体处于局部热平衡时的温度(1．62×10K)。在假设空气全部由N和O组成的条件下由自由定标模型得到了空气中氧的含量(20．75%)和氮的含量(79．25%)。试验结果与实际吻合得很好。实验证实了用激光感生击穿光谱对大气进行定量分析是可行的，为大气污染监测研究和试验工作奠定了基础。
激光感生击穿光谱 大气监测 等离子体 光谱 自由定标模型 laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) air monitoring plasma spectroscopy calibration-free model
天津大学精密仪器与光电子工程学院, 激光与光电子研究所, 教育部光电信息技术科学重点实验室, 天津 300072
从传统大气污染监测手段的局限性入手,简要介绍先进的光谱大气监测技术,并对紫外及可见光的差分吸收光谱技术(DOAS)进行详细的理论分析, 建立该系统的结构框架,并设计DOAS系统, 给出实验数据,准确地反映出真实污染。
大气监测 开路监测
