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FTIR光谱拟合方法在反演气体浓度中的应用

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光谱学与光谱分析 2005年第10期25卷 1573-1576页

作者：朱军刘文清刘建国高闽光赵雪松张天舒徐亮中国科学院安徽光学精密机械研究所

研究用FTIR光谱测量系统反演气体浓度的方法,在WINDOWS操作系统下应用非线性最小二乘拟合算法实现了CO气体的定量分析.在FTIR光谱拟合中,使用HITRAN数据库中的光谱作为校准训练集,使测量的CO红外透过率谱与计算的参考光谱达到最佳拟合... 详细信息

研究用FTIR光谱测量系统反演气体浓度的方法,在WINDOWS操作系统下应用非线性最小二乘拟合算法实现了CO气体的定量分析.在FTIR光谱拟合中,使用HITRAN数据库中的光谱作为校准训练集,使测量的CO红外透过率谱与计算的参考光谱达到最佳拟合得到了该气体的浓度,反演结果的绝对准确度达到1%～5%.

关键词：红外傅里叶变换非线性最小二乘算法透过率谱浓度反演

短光程下差分吸收光谱法测量低浓度污染气体的反演算法

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中国电机工程学报 2008年第23期28卷 65-70页

作者：邵理堂汤光华许传龙王式民东南大学能源与环境学院江苏省南京市210096

传统差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)技术对长光程或高浓度烟气污染物可以实现准确、快速和在线测量,但是对于短光程、低浓度污染气体测量却存在较大的浓度反演误差。该文提出了一种新的光谱数据处理... 详细信息

传统差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)技术对长光程或高浓度烟气污染物可以实现准确、快速和在线测量,但是对于短光程、低浓度污染气体测量却存在较大的浓度反演误差。该文提出了一种新的光谱数据处理方法,并对信噪比较低的实测光谱数据进行了浓度反演。研究结果表明:气体浓度在0～150mg/m3范围内,新算法的反演精度明显优于传统算法,反演误差都在10%以内;在150～4000mg/m3范围内与传统算法相当;超过4000mg/m3后新算法的反演误差较大。新算法具有良好的抗烟尘干扰能力,其零点误差较传统算法减小了95%以上。与传统DOAS算法相结合可以获得较宽的动态测量范围。

关键词：差分吸收光谱法最小二乘算法短光程低浓度污染物浓度反演

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白洋淀水体总磷总氮高光谱估算模型比较

遥感学报 2023年第7期27卷 1642-1652页

作者：陈洁张立福张红明张琳珊岑奕童庆禧中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049 中国自然资源航空物探遥感中心北京100083

总磷(TP)、总氮(TN)是水质富营养化的重要指标,亦是水质监测的主要参数。具有快速高效、无二次污染等特点光谱法水质监测是当今水环境遥感分析研究的热点。针对水体TP、TN反演模型采用实验室标准液或野外全样本进行建模时,各种水质参数... 详细信息

总磷(TP)、总氮(TN)是水质富营养化的重要指标,亦是水质监测的主要参数。具有快速高效、无二次污染等特点光谱法水质监测是当今水环境遥感分析研究的热点。针对水体TP、TN反演模型采用实验室标准液或野外全样本进行建模时,各种水质参数的相互影响及预测值超出建模样本值域的可能,使得实际的预测效果并不理想的情况。本文以白洋淀实验区的实际水体样本为反演模型的输入值,在确定最优相关波段和最佳反演模型的基础上,讨论了5种不同浓度范围场景下的样本建模对反演模型的影响,同时剖析了模型对超出建模浓度值样本的预测能力。结果表明:建模样本浓度覆盖预测样本时,反演模型决定系数R^(2)>0.6,TP、TN浓度预测值的平均偏离度ARE浓度高于预测样本时,R^(2)在0.6左右,对超过建模浓度范围12%以内的预测值,其ARE浓度低于预测值时,R^(2)介于0.4—0.5,预测值超过建模样本浓度一倍时,ARE≤30%;建模样本浓度位于预测值两侧时,R^(2)可达0.8,ARE浓度值介于预测值之间时,0.4535%。通过本文的研究与讨论,可为水质参数监测的实际工程应用提供科学依据和参考。

关键词：水质监测总磷总氮浓度反演偏最小二乘法

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甲醛气体探测的DIAL波长选择及探测性能

红外与激光工程 2022年第9期51卷 258-266页

作者：辛文辉毕元硕李仕春李耀飞华灯鑫西安理工大学机械与精密仪器工程学院陕西西安710048

为了对重化工污染区甲醛气体进行探测,开展了差分吸收激光雷达甲醛气体浓度探测研究。基于差分吸收激光雷达原理,针对甲醛气体在中红外波段有较强的吸收波段,并考虑开放光程下大气干扰气体的影响,选择了系统的探测波长λon、λoff;依据... 详细信息

为了对重化工污染区甲醛气体进行探测,开展了差分吸收激光雷达甲醛气体浓度探测研究。基于差分吸收激光雷达原理,针对甲醛气体在中红外波段有较强的吸收波段,并考虑开放光程下大气干扰气体的影响,选择了系统的探测波长λon、λoff;依据差分吸收激光雷达浓度反演方法,结合系统参数,对设计的DIAL系统的探测距离、气体浓度及干扰气体的可能影响进行了仿真研究。结果表明,该系统有望对浓度为0.017~1.5 ppm (1 ppm=10^(-6)),距离为0.4~1.1 km范围内的甲醛气体进行探测,相对误差小于5%,可满足对重化工污染区甲醛气体浓度探测需求。文中的研究可为应用于化工重污染区域甲醛气体无组织排放监测的中红外差分吸收激光雷达系统的研制提供理论依据和技术基础。

关键词：差分吸收激光雷达甲醛气体吸收截面浓度反演

基于OP/FTIR和反射转镜式干涉光谱仪的大气CO2浓度测量

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光谱学与光谱分析 2014年第11期34卷 2978-2983页

作者：魏儒义周锦松张学敏于涛高晓惠任小强中国科学院西安光学精密机械研究所中国科学院光谱成像技术重点实验室陕西西安710119 中国科学院光电研究院中国科学院计算光学成像技术重点实验室北京100049 中国科学院大学北京100190

对地球大气温室气体进行高精度的探测,是当今数值天气预报和气候与大气环境变化监测的发展需求。利用OP/FTIR测量法,将一台国内率先自行研制的中波红外反射转镜式干涉光谱仪,首次成功地用于地表大气CO2红外吸收光谱的测量。该反射转镜... 详细信息

对地球大气温室气体进行高精度的探测,是当今数值天气预报和气候与大气环境变化监测的发展需求。利用OP/FTIR测量法,将一台国内率先自行研制的中波红外反射转镜式干涉光谱仪,首次成功地用于地表大气CO2红外吸收光谱的测量。该反射转镜式干涉光谱仪的工作谱段为2 100~3 150cm-1,光谱分辨率为2cm-1。设计了大气成分探测方法,建立了大气浓度参数反演数理依据和定量分析算法。采用基于比尔定律的直接法和基于HITRAN数据库及仪器函数的仿真拟合法,建立了反演模型,并对CO2分子的浓度进行了反演。根据观测和模型分析,CO2的浓度反演结果在300~370ppm,呈现出随自然环境变化先缓慢降低再快速升高的趋势,并在下午至傍晚之间达到低值;同时,随时间的变化,用直接法计算的CO2浓度和用拟合法的仿真值表现出了良好的一致性,所有测量数据之间的相关性高达99.79%,相对误差不超过2.00%,达到了较高的反演精度。结果表明,在遥感测量大气成分方面,基于红外反射转镜式干涉光谱仪的OP/FTIR法是可行且有效的技术手段,直接法或拟合法皆可实现高精度的浓度反演。

关键词：大气红外光谱浓度反演比尔定律仪器函数反射转镜

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TDLAS一氧化碳浓度检测系统误差分配

光学精密工程 2021年第7期29卷 1539-1548页

作者：潘云李颐颜昌翔中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

在利用可调谐二极管激光吸收光谱技术测量一氧化碳(CO)气体浓度时,反演精度受光强、温度、压强等的影响,需要对系统的总体误差进行分析与分配。为了提高TDLAS的测量精度,降低多项误差对测量的影响,本文提出了对系统各个测量误差的分配... 详细信息

在利用可调谐二极管激光吸收光谱技术测量一氧化碳(CO)气体浓度时,反演精度受光强、温度、压强等的影响,需要对系统的总体误差进行分析与分配。为了提高TDLAS的测量精度,降低多项误差对测量的影响,本文提出了对系统各个测量误差的分配方法。首先建立了CO浓度反演的误差模型,基于二次谐波测量原理引入了二次谐波峰值、光强、驱动电流、温度、压强和光程几项误差;其次,利用随机化方法分别研究了系统各项误差对浓度误差的影响,并通过数值拟合的方法推导了浓度误差与各项误差的关系,比较了浓度误差对各项误差变化的灵敏度;最后,根据求得的灵敏度关系,综合考虑浓度测量要求以及现有器件的工艺水平,对各项误差进行了合理、有效的分配。利用蒙特卡洛法对本文所提出的各项误差分配方案进行了仿真,仿真结果表明,在CO体积分数为2.5%时,该误差分配方案可使浓度测量的绝对误差小于0.025%。在实验室条件下对体积分数为2.5%的CO进行了测量,其绝对误差小于0.01%,实现了对CO气体浓度的高精度反演。本文的研究结果保证了TDLAS浓度检测系统在多项误差影响下的测量精度,同时,可有效降低系统的设计难度和经济成本,对仪器的开发和应用具有重要的指导意义。

关键词：可调谐二极管激光吸收光谱一氧化碳(CO) 浓度反演误差分配蒙特卡洛法

基于DOAS的低浓度SO_2在线监测技术研究

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光学技术 2016年第6期42卷 567-570页

作者：王菁黄云彪甄长飞重庆川仪自动化股份有限公司技术中心重庆401121

传统的差分吸收光谱（DOAS）算法对于短光程、低浓度的气体测量存在较大的误差。为了提高测量精度，将基于差分吸收光谱技术的浓度反演算法应用于烟气SO2的在线监测中。在DOAS算法的基础上，设计了基于最小二乘法的SO2浓度计算方法，同... 详细信息

传统的差分吸收光谱（DOAS）算法对于短光程、低浓度的气体测量存在较大的误差。为了提高测量精度，将基于差分吸收光谱技术的浓度反演算法应用于烟气SO2的在线监测中。在DOAS算法的基础上，设计了基于最小二乘法的SO2浓度计算方法，同时为了节约测量成本，使用短光程和低精度光谱仪进行测量，对低浓度SO2气体进行了光谱测量和浓度反演实验。实验结果表明，在低浓度0～10-6的量程内，测量值的绝对误差在2／10^6左右，相对误差在5％以内，测量结果较稳定。该算法在短光程下对低浓度的SO2气体具有较高的测量精度，可以准确、快速地实现SO2气体的在线测量。

关键词： DOAS 在线监测浓度反演低浓度短光程最小二乘法

非相干宽带腔增强吸收光谱探测大气NO3自由基研究

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非相干宽带腔增强吸收光谱探测大气NO3自由基研究

作者：李威龙安徽理工大学

学位级别：硕士

NO是一种高度活泼的含氮自由基,具有较强的氧化性,参与了大气和环境中众多的化学反应,在大气循环过程中该自由基起着重要作用。NO自由基的活性高、寿命短和氧化性强是其在大气和环境化学中的重要特征,对理解大气中众多气体的氧化及去除... 详细信息

NO是一种高度活泼的含氮自由基,具有较强的氧化性,参与了大气和环境中众多的化学反应,在大气循环过程中该自由基起着重要作用。NO自由基的活性高、寿命短和氧化性强是其在大气和环境化学中的重要特征,对理解大气中众多气体的氧化及去除等相关问题具有重要意义。NO自由基极易被波长640 nm以下的光分解,白天大气中其寿命极短,含量极低。夜间光照弱,大气中NO自由基的含量会得到一定程度的积累,其作为羟基自由基的夜间类似物,其调节着NO(=NO+NO)和挥发性有机化合物(VOCs)之间的平衡并参与臭氧循环和多种光化学反应,这些化学反应是导致雾霾天气的重要原因。因此,高精度的探测大气中NO自由基的含量对掌握大气氮循环、评估大气污染、研究大气光化学反应氧化能力和分析大气循环过程等具有重要意义。非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)具有结构简单、精度高、成本低和多组分同时测量的特点,可实现大气NO自由基的高灵敏度、高分辨率的检测。本论文基于IBBCEAS技术,在研究组现有研究的基础上对探测装置进行了仿真优化和搭建,并对淮南地区夜间大气中NO自由基的浓度及变化进行观测研究。主要取得以下研究结果:(1)使用Zemax光学设计软件,对典型IBBCEAS系统的光学腔进行建模。研究了影响光腔出射光强的因素,即光源(LED)的特性、准直透镜的类型以及光源与准直透镜之间的距离。通过Zemax软件的非序列光线追迹获得不同光学腔出射光的原始光谱。仿真结果表明,小视角、大光功率的LED以及消色差透镜应分别作为IBBCEAS系统的光源和准直透镜。基于仿真的结果,对IBBCEAS实验装置进行搭建,并对系统的机械结构多次改进,获得高精度的准直光路和高稳定性的探测装置。(2)IBBCEAS系统使用中心波长为660 nm的LED作为光源。为避免LED工作时温度升高导致的中心波长出现偏移,为其设计可和优化后的光学腔配合使用的恒温装置,该装置通过PID控制器实现LED灯芯温度的温度调节。温度设置20℃,环境温度在10℃到22℃,连续测量24小时,灯芯温度波动在±0.6℃以内。(3)提出一种优化后的水汽迭代算法去除水汽干扰,使用测量光谱(包含参考和吸收)和标定后的高反镜反射率,作为迭代计算的输入,将它们将它们转化为高分辨率光谱。结合HITRAN数据库中的逐行参数(line-by-line parameters),并结合空腔内的测量压力和温度,计算包含水汽吸收的高分辨率光谱。使用高分辨率光谱、水汽吸收截面和初始水汽浓度计算高分辨率下的吸收系数,其与光谱仪的仪器函数卷积,获得水汽的低分辨率吸收光谱。最后评估拟合水汽浓度的误差是否达到期望值,并判断其是否需要迭代计算,从而去除水汽干扰。研究结果表明,基于LED光源的IBBCEAS技术能够准确获得大气中NO自由基的浓度大小,这些研究在掌握大气氮循环、评估大气污染、研究大气光化学反应和氧化能力以及分析大气循环过程等方面具有重要意义。通过深入理解和准确测量NO自由基的行为,可以更好地认识大气环境中的化学反应过程,为改善大气质量和保护环境提供科学依据。图[56]表[4]参[90]

关键词：非相干宽带腔増强吸收光谱技术红光LED 浓度反演大气NO3自由基

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红外光谱法测量城市空气中CH4浓度

激光与红外 2010年第2期40卷 166-168页

作者：童晶晶高闽光刘志明张天舒徐亮魏秀丽陈军刘文清中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学中心中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室安徽合肥230031

利用自行组建的开放光路傅里叶变换红外光谱测量系统对北京燕山石化地区大气中的甲烷进行了连续监测,对测量光谱进行了浓度反演,并对浓度结果做了简单分析。实验表明,该测量系统性能稳定,能以非接触的方式对空气中多种气体进行连续在线... 详细信息

利用自行组建的开放光路傅里叶变换红外光谱测量系统对北京燕山石化地区大气中的甲烷进行了连续监测,对测量光谱进行了浓度反演,并对浓度结果做了简单分析。实验表明,该测量系统性能稳定,能以非接触的方式对空气中多种气体进行连续在线监测,能及时反应测量区域内污染信息,较好地适应工业上气体污染监测的需要。

关键词：傅里叶变换红外光谱在线监测长光程开放光路浓度反演