利用多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO2

第９期光谱学与光谱分析２４６５

如果定义ｊ气体的柱浓度

ｓＪ＝沁）ｄｓ

则方程（１）可写为

ｌｎ［揣］一＞－．］ａｊＣａ）Ｓｊ一嘶（舢脚一‰（】）瓢（２）

西表示气体ｊ的吸收截面。由于瑞利散射和米散射引起的光

强衰减随波长为“慢变化”，因此将测匿到的光谱进行高通数

字滤波，即可除去光谱中的慢变化。再经过低通滤波，可减

少高频噪声的影响。最终得到差分光学厚度ｒ（＾）

以）＝ｌｎ揣一劲（鹕（３）

最后将标准拟合参考光谱（实验窜精确测定的气体的标准光谱）与处理后得到的差分吸收光谱进行最小二乘拟合，可同时获得多种气体的柱浓度Ｓ。

地基ＭＡＸ－ＤＯＡＳ技术足被动ＤＯＡＳ技术的一种，它通过测量天顶方向和几个离轴方向的大气吸收光谱来获取大气中污染气体的宅问分布。在监测过程中，反射镜指向正北，通过步进电机带动反射镜分别转至５。，１０。，１５。，２０。和９０。完成一个测域循环，从而实现对不问角度的测量，图１所示为ＭＡＸ－ＩＸ）ＡＳ的原理示意图。

随ｌＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｇｒｏｕｎｄ－ｂａｓｅｄＭＡＸ－ＤＯＡＳｐｒｉｎｃｉｐｌｅ２实验系统

图２所示为地基ＭＡＸ－ＤＯＡＳ系统的结构示意图。它主要由棱镜、单远镜、光纤、光谱仪、控制电机、计算机等组成。实验中光谱仪温度控制在２５℃，它能测量的光谱范围为２９０～４０７咖，分辨率为０．６ｈｉｌｌ。每次测母平均１００次，并町根据光谱强度的大小。自动调整积分时间，以得到较好的信噪比。在每个角度测蜃完成以后，电机驱动塑远镜后方的挡光板挡住光路，进行背景测量。最终测鲢得到的光谱数据通过一条ＵＳＢ线传输至控制计算机中存储并计算，得到ＮＱ的浓度信息。

３实验数据处理

３．１光谱数据处理

在数据处理时需要对太ＲＩ辐射的特征结构、大气效应等进行处理，以准确获得污染气体的斜柱浓度，主要考虑的是

畸２Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ０ｆｇｒｏｕｎｄ－ｂａｓｅｄＭＡＸ－ＢＯＡＳ

太阳夫琅和费结构的去除和ｒｉｎｇ效应的修正。太阳夫琅和费结构是由于太阳光球原子的选择性吸收和发射引起的，在紫外／可见波段的太阳散射光中占有莺要的地位［５］，会给污染气体的反演造成很大影响，因此必须去除。一般采用测量光谱除以夫琅和费参考光谱的方法进行去除。ｒｉｎｇ效应是光在大气中传输的过程中，由于大气分子的旋转拉曼散射Ｉｆ｜ｉ造成的夫琅和费结构变浅的现象ｆ６］．如果不去除．将无法完全去除犬琅和费结构对反演结果的影响。从而造成较大偏莛，尤其是对于浓度较低的污染气体。本文中利用Ｆｉｓｈ的方法获取ｒｉｎｇ光谱结构口Ｊ，然后将其作为一种气体截面参与气体浓度的反演。将测量到的光谱数据利用Ｉ）ＯＡｓ方法进行计算，这里选用２００８年８月１６日中午１２点的一条９０。方向的测虽光谱为夫琅和费参考谱，即Ｊ０。在反演时，参与拟合的痕量气体包括ＮＱ和０４，选用２９４Ｋ的Ｎ０２吸收截面［８］以及ｑ吸收截面【…，在拟合前先将高分辨吸收截丽跟仪器函数进行卷积。仪器函数通过３３４ｔｉｍ处的一个汞的发射峰确定。图３所示为选取的８月２２日１５点０８分的一条测营光谱进行反演计算的例子，实线表示各种吸收截面，虚线表示测量光谱中的吸收。

为ｒ得到较好的拟合结果和较低的剩余噪声。选取３６０～３９０１１ｒ１１波段进行拟合计算，得到Ｎ０ｚ的差分斜柱浓度ｄｓ（’Ｄ为１．１６×１０”ｍｏｌｅｃ·ｃｎｌ，剩余噪声约为５．４×ｌＯ～。

利用ＤＯＡＳ方法将所有角度的测培光谱进行拟合计算，就得到了Ｎ０ｚ的差分斜柱浓度ｄＳｃＤ的时问序列圈，如图４所尔。图中给出的是８月８日、８月９日、８月１３日、８月１７日、８月２３只和８月２４日共６天的计算结果。以８月１７日结果为例。如图４（ｂ）。从图中可以看出．较小角度下的测量结果比较大角度下要大，最大差值５。结果比９０。结果高约４～５倍，这是由于在一个循环中ｄＳ（、Ｄ是ＮＯｚ浓度沿整个光程积分的结果，而在较小角度下光穿过大气的路径比较长。其测量结果也就是在这个较艮路径上浓度的积分值。

３．２对流层ＮＱ的垂直柱浓度ＶＣＤ的获取

利用Ｉ：卣方法得到的Ｎ（ｈｄＳＣＤ结果包含了对流层吸收和平流层吸收两部分信号，由于本文讨论的是对流层ＮＯｚ。因此必须去除平流层吸收。由于在每一个循环中都有一个

利用多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO2

作者：徐晋， 谢品华， 司福祺， 窦科， 李昂， 刘宇， 刘文清， XU Jin， XIE Pin-hua，SI Fu-qi， DOU Ke， LI Ang， LIU Yu， LIU Wen-qing

作者单位：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

刊名：

光谱学与光谱分析

英文刊名：SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS

年，卷(期)：2010,30(9)

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