1 河北工业大学机械工程学院, 天津 300401
2 华北电力大学能源动力与机械工程学院, 河北 保定 071003
利用差分吸收光谱法(DOAS)可以实现污染气体的在线监测。 为了提高监测精度, 通常利用傅里叶变换滤波法(FFT)处理差分吸收光谱数据, 但是因其频率分辨率的限制, 影响其幅值精度, 导致气体浓度的测量误差较大。 提出了一种将FFT和FT相结合的差分光谱数据处理方法(FFT+FT), 首先对差分吸收光谱数据做FFT变换, 得到其全景谱, 再对峰值点附近的频谱用改进的连续FT进行细化, 提高特征吸收频段的分辨率, 对幅值误差进行补偿, 从而提高气体浓度在线监测的精度。 实验配制了不同浓度的SO2和NO2气体, 当细化倍数为15时, SO2和NO2气体的最大测量误差不超过3.68%和3.17%, 相对于FFT法, 平均误差分别降低了1.82%和1.45%; 相对于传统的多项式拟合法, 平均误差分别降低了14.9%和1.80%; 对恒定浓度的SO2和NO2气体分别进行了多次测量, 验证了FFT+FT方法的稳定性。 分析了细化倍数对测量精度的影响, 当细化倍数小于15时, 浓度测量误差随着细化倍数的增加而降低; 当细化倍数从15增加到20时, 误差反而逐渐变大, 在大于20以后, 误差出现波动, 且都大于细化倍数为15时的测量误差。 由于细化倍数太大, 使谱线过于密集, 找到频谱序列最大值的概率降低了, 因此在有噪声的情况下采用该法进行频谱校正时, 会出现细化倍数加大而测量精度反而降低的现象。 确定了最优细化倍数, 在确保测量精度前提下, 使频谱细化的计算量最小, 满足DOAS法实时在线监测气体浓度的要求。
差分吸收光谱法 频谱细化 连续细化傅里叶变换分析(FFT+FT) Differential optical absorption spectroscopy Spectrum zoom Fast Fourier transformation and fourer transformation 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2116
华北电力大学机械工程系, 河北 保定 071003
苯-甲苯-二甲苯(BTX)是大气挥发性有机物(VOCs)的重要组成成份, 人类长期暴露在苯系物的环境中致癌风险将极大提高。 利用BTX在紫外波段有明显的光谱吸收特征, 选取250~275 nm作为研究波段, 该波段可将BTX的主要特征吸收包含在内。 设计了一套由标准BTX液体制备标准气态BTX的装置, 采用连续紫外光源和差分吸收光谱技术分别对单组分苯与BTX混合气体进行连续监测研究。 为最大程度去除外界噪声干扰, 分别采用小波变换滤波和多项式平滑滤波法, 并对两种方法的去噪效果进行评价。 研究表明尽管传统处理吸收光谱噪声的方法常采用多项式平滑滤波, 但该方法会使吸收截面上的细节信息或高频分量丢失。 而小波变换滤波具有良好的时频局域化特性, 能通过伸缩和平移对信号进行多分辨率分析并可聚焦到信号的任意细节, 更能保持光谱谱线的特征结构且信噪比优于多项式平滑滤波。 通过实验获得了BTX的吸收截面并与HITRAN数据库吸收截面对比, 发现若直接采用HITRAN数据库中吸收截面值将造成由于温度与压强变化导致的浓度反演误差。 为了能够与实际监测环境相符合, 采用实验室获取的吸收截面作为标准吸收截面。 对单组分苯浓度的反演分别采用积分面积法和最小二乘法, 研究表明两种方法的测量精度均能满足环保监测法规要求, 且最小二乘法更加稳定、 精度更高。 针对BTX混合气体的测量, 采用通过浓度值反演差分吸光度的方法进而逐一反演苯-甲苯-二甲苯的浓度值。 研究发现对BTX混合物的浓度反演时二甲苯测量误差均在2%以下, 但对甲苯和苯的测量误差逐渐增大, 苯浓度的反演最大误差达到了9.07%, 苯的测量精度受到了二甲苯、 甲苯测量精度以及苯光谱特征吸收波段的影响。
苯-甲苯-二甲苯(BTX) 差分吸收光谱法 小波变换滤波 积分面积法 最小二乘法 监测 Benzene-toluene-xylene (BTX) Differential optical absorption spectroscopy (DOAS) Wavelet transform filtering Integral area method Least square method Monitoring
上海理工大学能源与动力工程学院, 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
差分吸收光谱法(DOAS)是利用气体分子窄带吸收特征来测量气体浓度的一种光谱测量技术。本文介绍了DOAS的基本原理,利用MATLAB开发了一套苯、甲苯和二甲苯(BTX)DOAS数据处理程序,并将BTX浓度假设值与反演值进行对比分析,同时研究了入射光强变化和颗粒物参数对浓度反演的影响。结果表明:BTX浓度反演值与假设值具有良好的一致性,说明BTX-DOAS数据处理程序是正确的;通过数值模拟验证了DOAS中理论上无法直接推导的前提条件的正确性。
光谱学 差分吸收光谱法 颗粒物影响 入射光强影响 数值模拟 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 233004
淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
针对雾霾天气日益增多, 大气污染气体向颗粒物的转化在加快, 研究了一种大范围对其监测的差分吸收光谱方法。 差分吸收光谱法可以实时、 在线、 准确同时获取颗粒物光学特性和大气痕量气体浓度。 论文首先分析了双光路差分吸收光学遥感系统获取颗粒物绝对光强的原理, 然后研究了基于单光路测量大气吸收谱, 在干净天气状况下测量参考光谱, 利用能见度数据, 在550 nm波段处实现系统校准, 计算校准参数, 从而获得大气绝对吸收光强, 然后解析出大气总的消光系数。 再从总的大气消光系数中, 去除瑞利散射以及大气痕量气体吸收对消光系数影响后, 精确解析出颗粒物消光系数。 同时基于差分思想获取大气痕量气体的浓度。 最后把该方法应用于外场实验, 获取大气颗粒物在350～700 nm波段范围内消光系数和大气中NO2的浓度。 研究结果表明颗粒物消光系数的随着波长的增加而减少, 符合Angstrom公式。 该研究为分析大气气相/粒子非均相化学反应提供有力的技术支持。
颗粒物 大气 消光系数 差分吸收光谱法 Particle Atmosphere Extinction coefficient Differential optical absorption spectroscopy 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1930
1 上海宝钢工业技术服务有限公司宝钢环境监测站, 上海 201999
2 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230031
利用车载被动DOAS测量系统,对某钢铁企业进行分装置绕行观测。采用了计算参与拟合截面 相关性的方法,确定痕量气体最优反演波段,获取观测路径上的垂直柱浓度后,结合测量时间内的 车速以及风速风向信息,计算得出区域内SO2 及NO2 排放净通量。实验得出该钢铁企业厂区内轧钢冶 炼区域SO2 与NO2 排放净通量均值分别为149 kg/h和372 kg/h,焦化区域 为260 kg/h和286 kg/h,电厂区域为21 kg/h和26 kg/h,石灰烧培区域为64 kg/h和79 kg/h,烧结区域为34 kg/h和99 kg/h。
光谱学 被动差分吸收光谱法 排放通量 车载DOAS 污染源 spectroscopy passive differential optical absorption spectrosco flux of emission mobile differential optical absorption spectroscop pollution source
华北电力大学能源动力与机械工程学院, 河北 保定 071003
差分吸收光谱法(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)是一种常用的污染气体监测方法, 对所监测的光谱数据去噪可以提高反演精度。 可采用傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)滤波法滤除光谱数据中的噪声, 但该算法本身会引入误差。 提出一种线性调频Z变换法(chirp Z transform, CZT), 通过对傅里叶变换之后的频谱进行局部细化, 能够在保留傅里叶变换滤波法去噪效果的基础上, 对算法的误差进行补偿, 从而进一步提高反演精度。 实验配置了SO2及NO2进行浓度反演, 结果表明, 直接采用相除法反演浓度时误差较大且很不稳定, 线性调频Z变换法能够获得比傅里叶变换滤波法更高的反演精度。 模拟了SO2和NO2混合气体实验, 频谱分析结果表明FFT算法无法解决特征吸收结构被扭曲、 削弱等问题, CZT算法能完成特定频段频谱的精细化重构。
差分吸收光谱法 线性调频Z变换 二氧化硫 二氧化氮 Differential optical absorption spectroscopy (DOAS Chirp-z transformation Sulfur dioxide Nitrogen dioxide 光谱学与光谱分析
2015, 35(6): 1633
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
利用车载被动差分吸收光谱遥测技术,对奥运期间北京市某大型钢铁厂所在区域内的SO2和NO2排放 通量进行了测量。观测结果表明奥运会赛时该区域SO2和NO2排放通量的平均值分别为4.1 ton/h和1.0 ton/h,并 通过对比表明车载被动DOAS与其它仪器测量结果有较好的一致性。进一步分析后给出了相比6月份两种污染气 体排放通量下降了约44%和78%的结果,说明了减排措施的显著效果。
被动差分吸收光谱法 北京奥运会 区域污染源 排放通量 passive differential optical absorption spectrosco Beijing Olympic Games area source flux
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津300072
2 天津市蓝宇科工贸有限公司, 天津300384
用紫外差分吸收光谱法对烟气中主要污染物SO2测量中的噪声去除及信噪比评价的问题进行了研究。 在获取被测气体吸收特征时, 采用基于多分辨率的原始光谱预处理方法, 在不同尺度下判断信号的能量幅度滤除加性噪声, 并根据烟气光谱信号在时间序列上不会出现突变的特性, 在含有吸收特征的尺度上提高有用信号强度。 再使用吸收截面构造理想吸收信号改善光谱的信噪比评价。 新的去噪方法分别在实验室和现场进行了验证。 在实验室中, 使用上述方法对SO2气体进行多次测量, 平均偏差均小于1.5%, 重复性不超过1%。 在现场测量中, 以一个气体浓度变化范围较大的山东电厂为例, 在18组比对数据中, 最大偏差为2.31%。 实验结果说明, 该方法可有效地提高加性噪声污染严重的光谱的信噪比。
紫外差分吸收光谱法 噪声 多分辨率 能量因子 相关性 DOAS noise Multi-resolution Energy operator Correlation 光谱学与光谱分析
2009, 29(11): 3075
中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031
研究了一种基于被动差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)测量区域(如工业区,城市)内SO2等大气污染气体排放通量的光学遥测方法。采用安装在汽车上的被动DOAS系统围绕区域进行扫描测量,通过被动DOAS光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取污染气体柱密度,再结合测量时段的气象(风场)信息获得该区域内污染气体对外的净排放通量。文章着重描述了获得污染气体柱密度的差分吸收光谱方法以及区域内污染气体净排放通量的计算方法,并构建了车载被动DOAS系统对北京市五环路以内区域的SO2和NO2排放进行外场测量,测得了该区域内SO2和NO2净排放通量分别为1.13×104和9.3×103 kg·h-1。实验结果表明这种基于被动DOAS的光学遥测方法能够用于区域内污染气体排放通量的快速测量。
被动差分吸收光谱法 污染源 排放通量 Passive differential optical absorption spectrosco Pollution source Flux
