基于多轴差分吸收光谱层析技术的大气痕量气体空间分布重建研究

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1、博士学位论文基于多轴差分吸收光谱层析技术的大气痕量气体空间分布重建研究StudiesonSpatialDistributionReconstructionofAtmosphericTraceGasBasedonMAX-DOASTomographyTechnology作者：韦民红导师：童敏明教授中国矿业大学二○一五年十月中图分类号TN247学校代码10290UDC621.3密级公开中国矿业大学博士学位论文基于多轴差分吸收光谱层析技术的大气痕量气体空间分布重建研究SpatialDistributionReconstructionStudyofAtm

2、osphericTraceGasBasedonMAX-DOASTomographyTechnology作者韦民红导师童敏明申请学位工学博士培养单位信电学院学科专业检测技术与自动化装置研究方向光学检测技术答辩委员会主席张纪峰评阅人二○一五年十月论文审阅认定书研究生韦民红在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢感谢导师童敏明教授对我多年孜孜不

3、倦的教导和鼓励，无论是在生活中，还是在学习上，导师都给予了我无微不至的关怀和支持，从课题的选题、研究到最后论文的撰写，导师都倾注了心血。导师渊博的知识、严谨治学的工作作风、勤勉忘我的工作态度和不断创新的研究思想深深地感染了我。我从导师身上学到的不仅是专门的知识，还有更多的经验和感受，或许万千话语都无法表达内心的谢意，只有在此向童老师表示由衷的敬意和感谢！课题的完成过程还得到了淮北师范大学的李素文教授的帮助，李教授在工作上、学习上、实验的开展和论文的撰写等方面都给予了我很多帮助；中科院安光所环境光学实验室的谢品华研究员、徐晋博士、窦科博士等在差分

4、吸收光谱仪器的安装、性能测试方面帮我解决了许多困难和问题，在此一并感谢。在课题研究中，还要感谢实验室许多老师和同学的帮助，他们是肖建于博士、魏明生博士、唐守峰副教授、董海波副教授。他们在层析重建算法的程序设计方面，论文的撰写方面给予了我很多帮助，使我解决了许多困难和问题。感谢我的爱人赵勇给予的全力支持、鼓励和关爱，正是他的理解、支持、帮助和无私奉献，使得我顺利地完成了学业和论文。感谢儿子带给我的所有快乐和启迪。谨向审阅本文的各位专家、参与答辩的各位老师及所有关心我、支持我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢！韦民红二○一五年十月摘要大气污染是一种非

5、常复杂的动态现象，日益严峻的大气污染使得人们越来越关注对大气痕量气体时空分布以及污染源排放的监测和研究，然而单一的点测量往往不能满足监控大气痕量气体分布轮廓的要求，相比之下，空间分布信息监测正好可以提供这种类型的信息，浓度分布信息的监测可以帮助理解大气的化学转换过程、分配排放，或用于评估化学运输模型的质量等等。然而目前的气体分布检测方法通常用于反演室内气体的一维剖面轮廓或反演气体的水平分布轮廓。为了获取室外气体的二维垂直分布信息，本文在多轴差分光学吸收光谱(MAX-DOAS)技术监测气体斜柱浓度的基础上，开发了使用太阳散射光作为光源的地基MAX

6、-DOAS层析重建系统，并使用MAX-DOAS仪器实时反演污染气体柱浓度，然后通过层析算法获取污染气体浓度的空间分布，比较研究了基于三种不同重建算法的层析重建系统的重建效果。本文重点研究了平流层和对流层痕量气体垂直空间分布重建，首先，介绍并分析了各种层析重建算法的优缺点，设计了重建程序，使用迭代算法对不同的重建模型，采用不同的扫描光路进行了重建仿真模拟，模拟重构烟羽空间分布，给出重构烟羽断面数值模拟图，并对数值模拟仿真结果进行了分析，分析了松弛因子、光源数量、扫描角度间隔、信噪比等对重建质量的影响；然后将松弛函数引入到传统的联合迭代算法中，对算

7、法进行改进，并将改进的算法与其他迭代算法进行了性能仿真比较研究，仿真实验显示，改进的算法不仅提高了重建速度，也减小了重建误差；接着介绍了多轴差分吸收光谱系统及其反演气体浓度的机理，并对合肥科学岛(117°23′E,31°86′N)、淮北电厂(116°80′E,33°.90′N)地区的痕量气体的斜柱浓度进行了反演研究，获得了大气NO2的浓度时间序列；最后，在淮北电厂搭建了多轴差分吸收光扫描系统平台，进行了外场试验，即在烟羽两边分别放置一台定时多轴扫描DOAS，同时在扇形光束射线几何模式下，对烟羽的同一垂直断面扫描，以精确反演的线积分浓度为投影向量

8、，重构了NO2烟羽空间分布。从计算机模拟和外场实验研究中可以看出，本文开发的层析重建系统能在数据不完善的情况下，精确的重建出废气烟羽的二维空间分布，且