差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第50卷第9期2001年9月物理学报~ol50．No．9．September20011000-3290／200t／50(o9)fL818—06ACTAPHYSIC~SIMCA@200lcnP。．Soc差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法研究周试刮文清峰李振壁崔延军(中国科学院安徽光学精密机械研究所环境监群研究室，台肥230031))(21300年11月I7日收到~2001年4月3日收到修改稿】介绍了差分光学吸收光谱法(BOAS)测量大气污染气体浓麈的基本原理，描述了埘测量光谱所作的些必要

2、处理，对最小二乘法作了简单介绍，并将它用在IX)AS方法中的浓度匣演中．通过与当地临删站的数据世行对比，证明丁最小二乘法非常适用于DOAS方法中的浓度反演关键词：差分光学吸收光谱法，光谱处理，最小二乘法，环境监测PACC：8670L极限和误差讨论等几方面的内容．1引言2测量原理和仪器装置差分光学吸收光谱(DOAS)法是利用光线在大2．1测量原理气中传输时，各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些气体在大气中浓度光源发出强度为^的光，经过一定距离的传输的一种方法．该方法最初由Noxon和Platt等人一后，由于各种大气气

3、体分子对其不同的差分吸收，使在20世纪70年代提出，经过一段时间的发展，目前其光谱的强度和结构都会发生相应的改变，我们设已渐渐成为进行大气污染模式研究和大气污染监测其强度变为，，，和，之间的关系可由Beer-Lambert的常用方法之一．定律得出：nDOAS方法具有一些传统监测方法所无法比拟r的优点，一套DOAS系统可以监测方圆几平方公里Ⅲ)=，()exp{∑_=I[一()一d：()的范围，测量结果比点测量仪器更具有代表I生；该—e()一￡()：￡}+B(^)，(1)方法在测量时不会影响被测气体分子的化学特性．这里，表示波长，．()是所测

4、第种气体的分子所以特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的浓度，比如NO、，BrO和OH等；DOAS方法窄带吸收截面，：(^)则是宽带吸收截面，．是第可以用一台装置同时测量几种不同气体分子的浓种气体的浓度，表示光程，是所测气体的种类度，这对研究大气化学变化和污染物之间相互转化数、一般为2一l0，￡()和￡()则分别是瑞利散规律有着非常重要的意义射系数和米散射系数，它们是随波长作慢变化，用DOAS方法测量气体浓度有很低的测量下口()是各种噪声之和，将(1)式两边取对数，可得限，最低检测浓度可小于0．002mg／m，由于要在同lnlo

5、(2．)，，()=∑：．(A)+：()一波段同时测量多种气体，所以数据处理方法显得尤为重要，我们用最小二乘法拟合测量数据来反+￡()+￡H()]Ⅳ￡+B()．演气体浓度取得了非常好的效果．本文主要介绍(2)DOAS方法的测量原理，气体浓度的反演方法，测量实际测量中，(2)式可写为’中国科学院知识刨新工程(批准导：kgc2-403)资勘的课题维普资讯http://www.cqvip.com9期周斌等：差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法研究整个光耻气体浓度的平均值()：()+P()+)，(3)其中R()是光源光谱L(^)与测量光谱，()

6、之比3光谱处理的自然对数，P()是包括瑞利散射，米散射，探测器响应，各种气体的宽带吸收以及光源本身等所引起实际测量过程中，由于工作环境温度的变化，工的一种宽带光谱结构，所以，测量得到R()以后，作电压微小的波动以及机械精度和振动等外部环境除去其中的P()，只要有足够的数据点，利用最小因素的影响，会使得光源光谱与测量光谱的比值光二乘法进行数据处理，就可得出各种气体浓度谱R(^)与事先存放在计算机里的分子吸收截面的值．o-i()之问不是完全的重合，这种不重台会给浓度反演带来很大的影响，为了消除这种影响，就要将比值2．2仪器装置光谱R()进行平

7、移、压缩或拉伸等处理．另外，在整套仪器主要包括光源、发射和接收系统、角反用最小二乘法反演待测气体浓度之前，必须将(3)式射镜、石英光纤单色仪、快速扫描装置(RSD)、光电中比值光谱R()中的慢变化成分P(^)除去．倍增管(PMT)、高速A／D转换卡和计算机，仪器的光3．1光谱的平移路和电路图如图l所示．由于温度等因素的变化使得比值光谱R()与分子吸收截面o()之问发生相对的平移，如果这种平移只是一个常数，可以通过平移光谱的方法来消除，即将比值光谱R()分别向左和向右平移1—1O个通道数．然后计算R()与o()之间的相关系数，这些相关系数的

8、分布应该类似于抛物线，找到其中的最大值，该点对应的值即是比值光谱R()应该平移的通道数一般情况下该点的位置应该在中问附近，如果最大值的位置在最左或最右，则说明仪器校准有问题，必须对仪器重新进行