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基于自研光谱仪的痕量气体光解速率测量研究

光谱学与光谱分析 2025年第1期45卷 15-23页

作者：李浩然曾议朱磊窦科刘志宏常振江宇司福祺中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境科学与技术重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学科学岛分院安徽合肥230026 合肥大学生物食品与环境学院安徽合肥230601

光解速率及其测量技术最早由德国科学家提出,21世纪初Metcon公司开发了光解速率测量仪,该技术在国内得到关注,部分高校和公司对光解速率测量系统开展了研究和开发。国外产品一般体积较大,价格昂贵。国内产品中光谱仪、接收器等核心器件... 详细信息

光解速率及其测量技术最早由德国科学家提出,21世纪初Metcon公司开发了光解速率测量仪,该技术在国内得到关注,部分高校和公司对光解速率测量系统开展了研究和开发。国外产品一般体积较大,价格昂贵。国内产品中光谱仪、接收器等核心器件仍依赖于国外进口,易受国外技术封锁影响。在我国“十四五”国家重点研发计划中“大气与土壤、地下水污染综合治理”重点专项对化学气候综合站检测技术与装备需求引导下,研制了测量大气物质光解速率的光谱仪系统,并满足其核心部件国产化的要求。系统采用自主设计的小型光谱仪作为核心部件,配合各向均匀响应的光学接收器,经实验室光学定标后测得各种物质的光解速率。该系统工作波段为285~430 nm,时间分辨率可达0.1 s,可测物质包括NO_(2)、HONO、HCHO、H_(2)O_(2)等,与国外进口测量仪器对比,各气体物质光解速率的测量误差小于5%,相关性均超过0.93。采用该系统在合肥市董铺岛对大气中气体光解速率开展了长时间的连续监测。对NO_(2)光解速率变化趋势以及NO_(2)光解速率与浓度间的相关性进行分析,发现光解反应与驱动光化反应的能量密切相关,晴天的光解速率数值明显高于阴天与雨天。发现NO_(2)光解速率与浓度的积分曲线间存在一种经验公式,相关性大于0.9,可通过测量NO_(2)光解速率对NO_(2)浓度的累积量进行估计。该系统实现了核心部件的国产化,整体结构简单、便携,方便外场试验安装的同时,降低成本,提高经济性。研究为大气污染综合监测治理提供数据支撑,对各地区的环境监测及污染预防具有参考意义。

关键词：光解速率光谱仪辐亮度光学接收器

探测低空大气CO_2浓度分布的近红外微脉冲激光雷达

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红外与毫米波学报 2004年第5期23卷 384-388页

作者：洪光烈张寅超胡顺星中国科学院安徽光学精密机械研究所863计划大气光学国家重点实验室安徽合肥230031

提出了用来探测大气CO2 分布、基于光纤 1.6um波长的微脉冲激光雷达 ,对其性能进行了数值模拟 .微脉冲激光雷达的发射机以半导体激光器加光纤放大器为核心 ,饱和输出功率 37dBm ;接收机采用了近红外光电倍增管和光子计数器 ,量子效率 1... 详细信息

提出了用来探测大气CO2 分布、基于光纤 1.6um波长的微脉冲激光雷达 ,对其性能进行了数值模拟 .微脉冲激光雷达的发射机以半导体激光器加光纤放大器为核心 ,饱和输出功率 37dBm ;接收机采用了近红外光电倍增管和光子计数器 ,量子效率 1% ;一种偏正无关性纤维光学环形器作为发射 /接收转换器 ,分波 /合波器、隔离器、滤波器、耦合器都采用光纤器件 ,使系统更牢固 .该系统的特点是发射脉冲能量低 2 0uJ、重复频率高 2 0KHz、小型化 .(18× 10 6个脉冲累加 )它对近地面 4 .7Km高度内的探测信噪比在 10∶1以上 .光电倍增管的暗计数 2× 10 5/s限制了系统探测距离的增加 .吸收倍增分离的InGaAs/Si雪崩光电二极管将会改善雷达的性能 .

关键词：微脉冲激光雷达光纤器件饱和输出功率分波合波光电倍增管发射机累加浓度分布 KH

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非线性拉曼激光雷达测量CO_2气体的研究

光谱学与光谱分析 2006年第5期26卷 794-797页

作者：赵曰峰张寅超洪光烈刘小勤曹开法方欣陶宗明余诗华屈凯峰邵石生中国科学院安徽光学精密机械研究所国家"863"计划大气光学重点实验室安徽合肥230031

提出了利用气体的受激拉曼散射(SRS)效应激光雷达光源来探测大气中的CO2气体的新方法,设计出探测大气中CO2气体含量的非线性拉曼增益激光雷达,用Nd:YAG激光器(1064nm)的三倍频光(354·7nm)通过分别装有CO2气体和N2气体的拉曼管,分别得到... 详细信息

提出了利用气体的受激拉曼散射(SRS)效应激光雷达光源来探测大气中的CO2气体的新方法,设计出探测大气中CO2气体含量的非线性拉曼增益激光雷达,用Nd:YAG激光器(1064nm)的三倍频光(354·7nm)通过分别装有CO2气体和N2气体的拉曼管,分别得到CO2气体和N2气体的受激拉曼散射的一阶斯托克斯线(S1),并用S1线作为雷达的种子发射光源。通过实验得到拉曼管中的气压与S1能量的变化关系,对其优化条件和物理机制进行了分析。该实验方法已经成功测出了大气中CO2气体的回波电压信号。

关键词：激光雷达 CO2气体受激拉曼散射

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受激拉曼增益激光雷达测量CO_2气体

光电工程 2006年第4期33卷 23-26,67页

作者：赵曰峰张寅超洪光烈赵培涛苏嘉中国科学院安徽光学精密机械研究所国家863计划大气光学重点实验室安徽合肥230031

激光雷达探测大气中的CO2气体目前还处在探索阶段,在差分吸收原理基础上,利用气体的受激拉曼散射增益效应,设计出测量CO2气体的非线性拉曼激光雷达系统,并模拟实验得到了增益开关两种状态下的光子计数信号,从而反演出CO2气体的浓度分布... 详细信息

激光雷达探测大气中的CO2气体目前还处在探索阶段,在差分吸收原理基础上,利用气体的受激拉曼散射增益效应,设计出测量CO2气体的非线性拉曼激光雷达系统,并模拟实验得到了增益开关两种状态下的光子计数信号,从而反演出CO2气体的浓度分布结果,在垂直方向上,CO2气体浓度随距离变化不大,合肥地区的浓度含量大约在400ppm左右。

关键词：大气光学激光雷达差分吸收 CO2气体

非线性拉曼激光雷达系统检测CO_2气体的受激拉曼过程(英文)

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强激光与粒子束 2005年第12期17卷 1778-1782页

作者：赵曰峰张寅超洪光烈刘小勤曹开法方欣赵培涛刘玉丽中国科学院安徽光学精密机械研究所国家863计划大气光学重点实验室安徽合肥230031

利用气体的受激拉曼散射增益效应的非线性雷达技术是探测大气中的CO2气体的重要方法,用Nd:YAG固体激光器(1 064 nm)的三倍频光(354.7 nm)注入装有CO2和N2高压气体的拉曼管中,气体的受激拉曼散射(SRS)过程产生两种气体的一阶斯托克斯光,... 详细信息

利用气体的受激拉曼散射增益效应的非线性雷达技术是探测大气中的CO2气体的重要方法,用Nd:YAG固体激光器(1 064 nm)的三倍频光(354.7 nm)注入装有CO2和N2高压气体的拉曼管中,气体的受激拉曼散射(SRS)过程产生两种气体的一阶斯托克斯光,用来作为拉曼雷达的发射种子光源。介绍了产生光源的实验装置,论述了SRS中气体气压变化与一阶斯托克斯光能量输出变化的定量关系,得到最佳能量输出的优化条件,并对SRS中一阶斯托克斯光产生过程的物理机制进行了讨论。并根据光源的试验结果,设计了非线性受激拉曼雷达系统,对前期的普通拉曼雷达进行了实验,得到了初步的实验结果。

关键词：非线性拉曼激光雷达大气二氧化碳受激拉曼散射过程

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根据大气辐射特征进行目标探测的波段选择

红外与激光工程 2005年第2期34卷 177-182页

作者：范伟王毅饶瑞中中国科学院安徽光学精密机械研究所863计划大气光学重点实验室安徽合肥230031

介绍了通过大气光谱特征分析对大气层外目标进行探测的波段选择方法。在考虑目标本身辐射强度、背景大气的辐射强度、目标背景对比度、斜程大气透过率以及探测器的响应特性诸因素后进行波段选择,从而提高对目标的鉴别性能。选择中纬度... 详细信息

介绍了通过大气光谱特征分析对大气层外目标进行探测的波段选择方法。在考虑目标本身辐射强度、背景大气的辐射强度、目标背景对比度、斜程大气透过率以及探测器的响应特性诸因素后进行波段选择,从而提高对目标的鉴别性能。选择中纬度夏季白天、无云城市气溶胶模式、春夏季气溶胶廓线以及背景平流层廓线和消光的大气条件,利用辐射传输计算软件MODTRAN计算了目标背景亮度、对比度以及透过率的典型光谱特征,并进行光谱特征分析,然后在其他大气模式下对所选波段进行了验证,从而选择出目标探测的最优波段。

关键词：波段选择目标背景对比度辐射传输 MODTRAN 目标探测

AEDAL在青岛、渤海及黄海探测的定标反演

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光谱学与光谱分析 2008年第4期28卷 834-838页

作者：毛敏娟张寅超方海涛戚福弟邵石生胡欢陵周军中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室

在不进行大气参数假设和加载其他辅助设备的情况下,通过对AEDAL机载大气环境探测激光雷达探测数据的分析,证明了用Slope法对空基激光雷达进行定标反演的可行性。AEDAL的定标反演结果,生动地展现了青岛地区及渤海、黄海海域气溶胶垂直分... 详细信息

在不进行大气参数假设和加载其他辅助设备的情况下,通过对AEDAL机载大气环境探测激光雷达探测数据的分析,证明了用Slope法对空基激光雷达进行定标反演的可行性。AEDAL的定标反演结果,生动地展现了青岛地区及渤海、黄海海域气溶胶垂直分布、边界层结构及边界层光学厚度的重要特征。首先,冷锋过境,边界层高度明显下降的同时,气溶胶出现多层分布的现象,海区气溶胶垂直分布较陆地有明显的沉降现象。其次,青岛地区整个边界层光学厚度表现为城区最大、丘陵地区最小、渤海海区介于两者之间的分布特点,海区边界层光学厚度变化相对平缓,迎风坡附近的边界层光学厚度较周围有所增大。青岛至渤海这一区域,晴朗天气下边界层光学厚度的大小介于0.15～0.35之间,雾天则在0.3～0.45之间,而黄海海域则可达到0.55左右。这说明,青岛地区边界层气溶胶主要来自于城市和海洋,在冬季季风对气溶胶分布起作用的同时,山脉及地面风场对边界层气溶胶的输送有重要影响。

关键词：机载激光雷达 Slope法边界层消光系数光学厚度

基于三级Fabry-Perot标准具的纯转动拉曼测温激光雷达

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物理学报 2008年第6期57卷 3941-3947页

作者：汪少林苏嘉赵培涛曹开法胡顺星魏合理谭锟胡欢陵中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学实验室

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统,即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源,采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用,对532nm激发光... 详细信息

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统,即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源,采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用,对532nm激发光的大气Mie-Rayleigh弹性回波散射抑制比可达10-10,对量子数J=±6,J=±12的N2纯转动拉曼散射光谱线接收带宽均小于10pm,因此能充分抑制大气背景辐射噪声及O2纯转动拉曼谱线的干扰,从而实现了单谱线比反演温度,提高了探测精度,且可在白昼探测大气对流层温度.最后通过探空气球测得的对流层温度垂直分布逆向模拟了该系统双通道的Raman信号曲线,证实了该系统的可行性.

关键词：拉曼激光雷达纯转动拉曼散射三级Fabry-Perot标准具对流层

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探测低空大气温度分布的转动拉曼激光雷达

光电工程 2006年第10期33卷 43-48页

作者：刘玉丽张寅超苏嘉岳古明周军胡欢陵中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室

提出了一种新的探测对流层低层大气温度的转动拉曼激光雷达方法,通过测量N2和O2的后向散射的纯转动拉曼谱的强度,计算它们的比值来确定大气温度的垂直分布,并对其性能进行了数值模拟。转动拉曼激光雷达的光源是一个调Q的Nd:YAG激光器,... 详细信息

提出了一种新的探测对流层低层大气温度的转动拉曼激光雷达方法,通过测量N2和O2的后向散射的纯转动拉曼谱的强度,计算它们的比值来确定大气温度的垂直分布,并对其性能进行了数值模拟。转动拉曼激光雷达的光源是一个调Q的Nd:YAG激光器,经扩束器后输出能量200mJ;采用双光栅单色仪提取所需要的氮气和氧气的转动拉曼谱;接收机采用光电倍增管和双通道光子计数器,量子效率是10%(48000个脉冲累加)。夜晚它对近地面10.2km高度内的探测信噪比在10:1以上,白天它对近地面3.6km高度内的探测信噪比在10:1以上,计算的温度与模拟用的温度真值阔线相差约0.3K。

关键词：拉曼激光雷达大气激光探测大气温度光栅单色仪