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公司动态
狗万投注入口 温度的变化
2013-08-16

引言:随着社会经济的迅速发展,自然过程尤其是人类活动排放大量的污染气体进入了人们赖以生存的大气圈,造成大气痕量成分(如:NO2、O3、SO2、CO、CO2、CH4等)逐渐发生变化,进而导致全球及区域的环境和气候变化,如臭氧层的破坏、城市光化学烟雾、酸雨的形成和全球变暖等现象。这些使得人类的生存和发展受到了比以往更大的威胁。因此要了解大气环境污染、臭氧层破坏、光化学烟雾以及温室效应的成因和后果,要想有效的控制我国的大气污染,迫切需要测量大气中污染气体的浓度时空分布。DOAS技术无需采样,同时监测多种成分,高时间分辨率,高灵敏度以及有区域代表性的监测结果使差分吸收光谱技术(DOAS)已广泛用于大气痕量气体成分的探测,其容易操作,费用低廉,实时分析,全路径非接触测量,快速跟踪气体浓度的变化的特点,现在已广泛用于环境监测的领域。 
  一、DOAS的基本原理 
  DOAS技术的光谱反演是将大气光谱与痕量气体的参考光谱作非线性*小二乘拟合,这些用于拟合的参考光谱是由痕量气体的高分辨吸收截面与仪器函数相卷积,并经过与大气光谱相同的数据处理步骤(如相同的高通滤波、相同的低通滤波)后获得。无论是对高分辨吸收截面还是卷积算法而言,光谱分辨率对参考光谱的质量是至关重要的。在卷积中,所有参考光谱被相同的波长间隔插值,*后与归一化的仪器函数卷积。仪器函数通过测量标准汞灯谱的归一化面积得到,从而使痕量气体的参考光谱与大气光谱具有相同的分辨率。实际上,可测量分析的吸收气体数量是由它们的吸收结构强度来决定,这必须高于DOAS技术的检测限。其检测限由公式(1)表示为: 
  (1) 
   (2) 
  对利用太阳作光源的被动DOAS,其检测限由公式(1)、(2)得: 
   (3) 
  其中是系统*小探测的差分斜柱浓度;为光谱剩余结构的差分光学密度;为气体的差分吸收截面;N为狗万投注入口 拟合范围内气体吸收峰的个数。 
  二、狗万投注入口 温度变化的影响 
   2007年10月中旬在安光所六楼楼顶我们进行多轴DOAS(被动DOAS)实验,实验中所用的狗万投注入口 、探测器以及控制电脑均安置在楼顶一个简易房内,接收望远镜放置在六楼楼顶空旷的地方,望远镜指向市内方向。当时由于早晚的温度差异很大,在实验数据的分析处理过程中,发现反演中剩余结构的光学密度过大,致使痕量气体很难从光谱中解析出来。反演中我们已经充分考虑了干扰气体、Ring效应、O4以及太阳夫琅禾费光谱的影响,则光谱剩余噪声过大的问题应该存在在光谱的采集上。因此我们把测量的大气光谱分时间段叠加后发现,早上、正午和晚上测量的大气光谱发生了不同程度上的漂移。为了确定具体的漂移情况,次日改用汞灯在上述对应时间段内进行测量,1为汞灯不同时段的光谱图;明显显示,不同时间段上光谱发生了显著的漂移,具体漂移的波长范围可由汞灯光谱中334.15nm峰的放大图明显表示,见2所示。 
   
 1.不同时间段汞灯谱图 
   
  2.峰334.15nm的放大图 
  从2可以看出:在早上10:13分到下午13:58分这段时间,随着室内温度的增加,测量的大气光谱向长波方向漂移,漂移通道大概为8个通道(对应波长漂移了0.57nm);随着时间的延续,室内的温度也会逐渐下降,到傍晚的时候,大约18:44分的时候,测量的大气光谱相对正午而言向短波方向漂移,与13:58分的测量普相比,向短波方向漂移了7个通道(对应波长漂移了0.21nm)。因此,从日出到日落,测量的大气谱随着室温的变化来回震荡,给数据反演带来相当大的困难。 
  为了解决光谱漂移的问题,关键设法使狗万投注入口 恒定在一定的温度。因此我们采取给狗万投注入口 加热,狗万投注入口 外面用隔热材料包裹,并由PID控制器实现对狗万投注入口 温度的精确控制(约0.5度),使其恒温,从而减少了由于温度变化引起的光学器件微小变化而产生的误差。如3所示。采取这种方法之后,可以确保测量的大气光谱一天之内的漂移范围在1个通道之内。因此确保了光谱的稳定性,降低了剩余噪声,提高了反演的准确性。 
   
  3.对狗万投注入口 进行控温的实物图 
  三、仪器函数的影响 
  仪器函数是通过测量标准汞灯谱的归一化面积得到,而仪器函数直接影响仪器的实际分辨率。DOAS分析中的实际分辨率利用的是汞灯谱的单个发射峰的半高宽度,它表明仪器*小可分辨的两个吸收峰或发射峰的光谱间距。 
  实验中所采用的仪器为多轴DOAS[6],其显著特点是用四根光纤将处于不同仰角下的四个望远镜所采集到的光谱同时传输到同一个狗万投注入口 ,这四个望远镜在电机的带动下从各自的观测仰角同时转到天顶角(垂直于水平面的角度,即90度),*终将各自采集到的光谱经狗万投注入口 分光后成像在面阵CCD的不同区域。但分析数据时发现不同望远镜所对应的仪器函数不同,他们的分辨率分别为:0.42nm、0.23nm、0.4nm、0.42nm。如4所示;因此我们分析了不同仪器函数对痕量气体吸收截面的影响,以SO2的吸收截面为例,见5所示; 
   
  4.仪器函数 
   
  (a)SO2吸收截面用不同狭缝函数卷积 
   
  5.(b)阴影部分SO2吸收截面的放大 
  b)表明,同一个参考吸收截面,经不同的仪器函数卷积之后差别较大。并且与高斯函数卷积结果进行了比较((b)图中的黑色实线是高斯函数卷积后的截面)。卷积中所用的高斯函数如6所示; 
   
  6.卷积所用的高斯函数 
  对于该仪器而言,仪器函数的半高宽越小(通道2),参考光谱卷积之后的吸收截面则更接近同等分辨率下高斯函数的卷积结果(5(b)中的灰色实线和黑色实线形状很接近),仪器函数的形状不同,参考光谱卷积之后的吸收截面也存在差异(图5(b))。因此,在这种情况下,为了提高数据反演的准确性,即使是同一台狗万投注入口 、同时测量的数据,也不能使用一根光纤(对应于一个通道)下所测量的仪器函数代替四根光纤下的仪器函数,而应该四根光纤分别做出自己的仪器函数,再利用各自的仪器函数得到相应反演气体的吸收截面,从而可提高反演的准确性。 
  四、实验结论 
  利用上述方法,我们反演出一个观测角(18度)下臭氧在一天内的差分斜柱浓度变化趋势,见7所示,整层大气中臭氧的差分斜柱浓度中午时分*低,早晚*高,具有显著的“U”型变化特点。通过控制狗万投注入口 的温度来确定光谱的稳定性;选择合适的仪器函数确定痕量气体的吸收截面,确实可以提高光谱反演的准确性,降低剩余噪声,提高了反演痕量气体浓度的探测限。为以后更加准确反演痕量气体浓度提供更好的条件。
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