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《差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法研究_周斌》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第50卷第9期2001年9月物理学报Vol.50,No.9,September,20011000-3290P2001P50(09)P1818-06ACTAPHYSICASINICAn2001Chin.Phys.Soc.差分吸收光谱法测量大气污染的浓度*反演方法研究周斌刘文清齐峰李振壁崔延军(中国科学院安徽光学精密机械研究所环境监测研究室,合肥230031))(2000年11月17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(DOAS)测量大气污染气体浓度的基本原理,描述了对测量光谱所作的一些必要处理,对
2、最小二乘法作了简单介绍,并将它用在DOAS方法中的浓度反演中,通过与当地监测站的数据进行对比,证明了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I0的光,经过一定距离的传输[1)3]的一种方法.该方法最初由Noxon和Platt等
3、人后,由于各种大气气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I,I和I0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的优点,一套DOAS系统可以监测方圆几平方公里I(K)=I0(K)expE[-Ri(K)-Rci(K)i=1[4]的范围,测量结果比点测量仪器更具有代表性;该-EB(K)-EM(K)]NiL+B(K),(1)方法
4、在测量时不会影响被测气体分子的化学特性,所以特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子这里,K表示波长,Ri(K)是所测第i种气体的分子和离子的浓度,比如NO3,BrO和OH等;DOAS方法窄带吸收截面,Rci(K)则是宽带吸收截面,Ni是第i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,L表示光程,n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)10,ER(K)和EM(K)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
5、的测量下B(K)是各种噪声之和,将(1)式两边取对数,可得3n限,最低检测浓度可小于0.002mgPm,由于要在同ln[I0(K)PI(K)]=E[Ri(K)+Rci(K)一波段同时测量多种气体,所以数据处理方法显得i=1[5]尤为重要,我们用最小二乘法拟合测量数据来反+ER(K)+EM(K)]NiL+Bc(K).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*中国科学院知识创新工程(批准号:kgcx2-403)资助的课题.9期周斌等:差分吸收光
6、谱法测量大气污染的浓度反演方法研究1819n整个光路上气体浓度的平均值.R(K)=ERi(K)NiL+P(K)+Bc(K),(3)i=1其中R(K)是光源光谱I0(K)与测量光谱I(K)之比3光谱处理的自然对数,P(K)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(K)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(K),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
7、进行数据处理,就可得出各种气体浓度Ni谱R(K)与事先存放在计算机里的分子吸收截面的值.Ri(K)之间不是完全的重合,这种不重合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(K)进行平移、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[6]射镜、石英光纤、单色仪、快速扫描装置(RSD)、光电中比值光谱R(K)中的慢变化成分P(K)除去.倍增管(PMT)、高速APD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1所
8、示.由于温度等因素的变化使得比值光谱R(K)与分子吸收截面R(K)之间发生相对的平移,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(K)分别向左和向右平移1)10个通道数,然后计算R(K)与R(K)之间的相关系数,这些相关系数的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
