目标差分吸收光谱技术测量大气NO2平均浓度的方法研究
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中可 以通过滤 除 “ 慢 变化 ” 只考 虑 “ 快 变化 ” 部 分 ，消除 来 ｔ ｔ Ｒ ａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ和 Ｍｉ ｅ 散射的 干扰 ， 从 而 获得 痕量 气体 浓度信 息 。
Leabharlann Baidu
方法 。 该方 法选 取暴露于太 阳光下的建筑物墙 体或 山体 等 目 标的散射光作为光源 ，并通过选取特定的参考谱 扣除 目标 到 大气顶层 的痕量气体吸 收。目标到望远镜 的距 离即路径 长度
（ ） 经 大气中分 子吸 收、Ｒａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ和 Ｍｉ ｅ散射 消光 作用 而发 生衰减 ， 假设路径 Ｌ上气体浓度均匀 ，出射光可表示为
学发光测量法 、 长 光程 主动差分 吸收光 谱法［ ２ ］ （ Ｌ Ｐ － Ｄ ＯＡＳ ） 、
被动 Ｄ Ｏ ＡＳ方法 ［ ３ “ ］ 等。 相对 来说 ，点式化 学发光 测量 法过
要来 自人为源 的排放 ，如机动 车尾气 、电厂废气等 。Ｎ０ ２污
１ 原
理
染对生态环境和人体健康具有很大 的危 害 ，因此 开展近地 面
大气 中 ＮＯ ｚ的长期监 测具 有重要意义 。 目前测量近地面 Ｎ０２ 浓度 信息 的方 法主要 包括 点式化
１ ． １ Ｄ Ｏ Ａ Ｓ基 本 原 理 Ｄ Ｏ ＡＳ的基本 原 理是 Ｌ ａ ｍｂ ｅ ｒ ｔ － Ｂ ｅ ｅ ｒ定律 ［ ９ ］ ，入射 光 厶
关键 词 二氧化氮 ；目标 差分吸收光谱技术 ； 平均浓度 中图分类号 ： ０４ ３ ３ ． ３ 。Ｘ ５ １ １ 文献标识 码 ： Ａ Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ￣． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ８ ９ ５ — ０ ４
Ｎ（ ） ２ 平 均浓度 。 基于此 方法 对合肥 地 区公 路上 空 的 ＮＯ ｚ平
引 言
ＮＣ ｈ是一种具有 高度 活性 的棕 红色气 态物 质 ， 在 酸 雨、
均浓度进行 了测 量 ，并与 Ｌ Ｐ － Ｄ ＯＡＳ的测 量数 据进 行 对 比 ， 验证 了该方 法的可行性 。
臭氧 的形 成 和大 气 的光 化 学 反 应 等过 程 中起 着 重 要 的 作 用ｌ １ ］ ， 是对 流层中的主要污染气体之一 。 对 流层 中的 Ｎ０２ 主
第３ ３ 卷 ， 第４ 期
２ ０ １ ３年 ４月
光 谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ １ ． ３ ３， Ｎｏ ． ４ ， ｐ ｐ ８ ９ ５ — ８ ９ ８
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ａｐ ｒ ｉ ｌ ，２ ０ １ ３
目标 差分 吸收 光谱 技 术 测量 大 气 ＮＯ２平均 浓 度 的方 法研 究
刘 进 ，司福祺 ， 周海金 ， 赵敏杰 ，窦 科 ，刘文清
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 ２ ３ ０ ０ ３ １
摘 要
介绍 了一 种测 量近地面大气 Ｎ０ ２ 平 均浓度 的新 方法—— 目标 差分 吸收光谱方 法 ，即 ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ Ｉ Ｘ） ＡＳ
已知 ，由此 可通过 Ｉ Ｘ） Ａ Ｓ方 法反 演计算 出仪器与 目标之间的
Ｊ （ ） ＝／ ｏ （ Ａ ） ｅ ｘ ｐ ［ －Ｌ （ ∑ （ ） ０ ＋￡ Ｒ ） ＋ｅ Ｍ （ ） ） ］ （ １ ）
其中ａ ／ （ ） 是所 测气 体的分子吸收截面 ， ｃ ／ 是气体浓度 ， 是 所测气体 的种 类数 ， ￡ Ｒ （ ） 和ｅ ＂ Ｍ（ ）分别 表示 Ｒａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ散 射、 Ｍｉ ｅ 散射 的消光系数 。
的痕量气体吸收 ， 最 终计算出仪器和 目标之问的大气 Ｎ０２ 平均浓度 。 利用建立 的 目标 Ｄ Ｏ ＡＳ系统在合肥开
展 了观测实验 ，成功获取了观测地大气 ＮＯ ｚ 浓度 。 观测结果 与主动长光程差 分吸 收光 谱仪观测 数据进行对
比， 二 者 呈 现 较 好 的 一致 性 ， 验 证 了该 方 法 的可 行 性 。
用于对整层大气 中痕量气体 垂直柱浓度［ ５ ］ 、 廓线［ ６ ］ 和大气气
溶胶Ｌ ７ ． 日 ］ 等 的测 量 。
为获得近地 面痕量 气体 的平均浓度 ， 对被动 Ｉ Ｘ ） ＡＳ方法
进行拓展 ， 发展 了基于 目标 反射技术 的方 法 ，即 目标 Ｄ ０Ａ ｓ
其 中 为宽状结构光 谱 （ ｇ Ｐ “ 慢变化 ” 部 分） ， Ｏ ． ｔ Ｊ为差分 吸收 截面 （ 即“ 快变化” 部 分） ， 其 反映了窄带光谱 结构 。由于 Ｒａ ｙ — ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ和 Ｍｉ ｅ 的吸收都是随着波长 做“ 慢变化” 的， 光谱 分析
Ｄ ＯＡＳ的核心思想是引入 了“ 差分” 的概念 ，即将吸 收截 面分 为两个部分
＝ ＋ ｄ ， （ ２ ）
程 比较 复杂 ， 且获得 的是某一点 附近 的气 体浓 度 ， 代表 性有 限；Ｌ Ｐ － Ｄ ０Ａ Ｓ需 要用 到人 工光源 ， 安装 与维 护比较烦琐 ； 被
动Ｄ ＯＡＳ方法利用太 阳光作为光源 ， 易于 维护 ，目前主要应
（ ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ） 。该方法基于被动差 分吸 收光谱技 术 ， 测 量墙体 、山体 等
目标 的太 阳反射光 谱 ， 通 过差 分 吸收光 谱 算法 反 演得 到 目标 与 仪器之 间 Ｎ Ｏ ｅ 浓 度沿 路 径 的积分 值 Ｓ Ｃ Ｄ （ ｓ ｌ ａ ｎ ｔ ｃ ｏ ｌ ｕ ｍｎ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ） ，同时仪器 到 目标 之间的距 离已知 ， 并通过选取特定 的参考 光谱 扣除 目标 到大气顶层
Leabharlann Baidu
方法 。 该方 法选 取暴露于太 阳光下的建筑物墙 体或 山体 等 目 标的散射光作为光源 ，并通过选取特定的参考谱 扣除 目标 到 大气顶层 的痕量气体吸 收。目标到望远镜 的距 离即路径 长度
（ ） 经 大气中分 子吸 收、Ｒａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ和 Ｍｉ ｅ散射 消光 作用 而发 生衰减 ， 假设路径 Ｌ上气体浓度均匀 ，出射光可表示为
学发光测量法 、 长 光程 主动差分 吸收光 谱法［ ２ ］ （ Ｌ Ｐ － Ｄ ＯＡＳ ） 、
被动 Ｄ Ｏ ＡＳ方法 ［ ３ “ ］ 等。 相对 来说 ，点式化 学发光 测量 法过
要来 自人为源 的排放 ，如机动 车尾气 、电厂废气等 。Ｎ０ ２污
１ 原
理
染对生态环境和人体健康具有很大 的危 害 ，因此 开展近地 面
大气 中 ＮＯ ｚ的长期监 测具 有重要意义 。 目前测量近地面 Ｎ０２ 浓度 信息 的方 法主要 包括 点式化
１ ． １ Ｄ Ｏ Ａ Ｓ基 本 原 理 Ｄ Ｏ ＡＳ的基本 原 理是 Ｌ ａ ｍｂ ｅ ｒ ｔ － Ｂ ｅ ｅ ｒ定律 ［ ９ ］ ，入射 光 厶
关键 词 二氧化氮 ；目标 差分吸收光谱技术 ； 平均浓度 中图分类号 ： ０４ ３ ３ ． ３ 。Ｘ ５ １ １ 文献标识 码 ： Ａ Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ￣． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ８ ９ ５ — ０ ４
Ｎ（ ） ２ 平 均浓度 。 基于此 方法 对合肥 地 区公 路上 空 的 ＮＯ ｚ平
引 言
ＮＣ ｈ是一种具有 高度 活性 的棕 红色气 态物 质 ， 在 酸 雨、
均浓度进行 了测 量 ，并与 Ｌ Ｐ － Ｄ ＯＡＳ的测 量数 据进 行 对 比 ， 验证 了该方 法的可行性 。
臭氧 的形 成 和大 气 的光 化 学 反 应 等过 程 中起 着 重 要 的 作 用ｌ １ ］ ， 是对 流层中的主要污染气体之一 。 对 流层 中的 Ｎ０２ 主
第３ ３ 卷 ， 第４ 期
２ ０ １ ３年 ４月
光 谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ １ ． ３ ３， Ｎｏ ． ４ ， ｐ ｐ ８ ９ ５ — ８ ９ ８
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ａｐ ｒ ｉ ｌ ，２ ０ １ ３
目标 差分 吸收 光谱 技 术 测量 大 气 ＮＯ２平均 浓 度 的方 法研 究
刘 进 ，司福祺 ， 周海金 ， 赵敏杰 ，窦 科 ，刘文清
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 ２ ３ ０ ０ ３ １
摘 要
介绍 了一 种测 量近地面大气 Ｎ０ ２ 平 均浓度 的新 方法—— 目标 差分 吸收光谱方 法 ，即 ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ Ｉ Ｘ） ＡＳ
已知 ，由此 可通过 Ｉ Ｘ） Ａ Ｓ方 法反 演计算 出仪器与 目标之间的
Ｊ （ ） ＝／ ｏ （ Ａ ） ｅ ｘ ｐ ［ －Ｌ （ ∑ （ ） ０ ＋￡ Ｒ ） ＋ｅ Ｍ （ ） ） ］ （ １ ）
其中ａ ／ （ ） 是所 测气 体的分子吸收截面 ， ｃ ／ 是气体浓度 ， 是 所测气体 的种 类数 ， ￡ Ｒ （ ） 和ｅ ＂ Ｍ（ ）分别 表示 Ｒａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ散 射、 Ｍｉ ｅ 散射 的消光系数 。
的痕量气体吸收 ， 最 终计算出仪器和 目标之问的大气 Ｎ０２ 平均浓度 。 利用建立 的 目标 Ｄ Ｏ ＡＳ系统在合肥开
展 了观测实验 ，成功获取了观测地大气 ＮＯ ｚ 浓度 。 观测结果 与主动长光程差 分吸 收光 谱仪观测 数据进行对
比， 二 者 呈 现 较 好 的 一致 性 ， 验 证 了该 方 法 的可 行 性 。
用于对整层大气 中痕量气体 垂直柱浓度［ ５ ］ 、 廓线［ ６ ］ 和大气气
溶胶Ｌ ７ ． 日 ］ 等 的测 量 。
为获得近地 面痕量 气体 的平均浓度 ， 对被动 Ｉ Ｘ ） ＡＳ方法
进行拓展 ， 发展 了基于 目标 反射技术 的方 法 ，即 目标 Ｄ ０Ａ ｓ
其 中 为宽状结构光 谱 （ ｇ Ｐ “ 慢变化 ” 部 分） ， Ｏ ． ｔ Ｊ为差分 吸收 截面 （ 即“ 快变化” 部 分） ， 其 反映了窄带光谱 结构 。由于 Ｒａ ｙ — ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ和 Ｍｉ ｅ 的吸收都是随着波长 做“ 慢变化” 的， 光谱 分析
Ｄ ＯＡＳ的核心思想是引入 了“ 差分” 的概念 ，即将吸 收截 面分 为两个部分
＝ ＋ ｄ ， （ ２ ）
程 比较 复杂 ， 且获得 的是某一点 附近 的气 体浓 度 ， 代表 性有 限；Ｌ Ｐ － Ｄ ０Ａ Ｓ需 要用 到人 工光源 ， 安装 与维 护比较烦琐 ； 被
动Ｄ ＯＡＳ方法利用太 阳光作为光源 ， 易于 维护 ，目前主要应
（ ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ） 。该方法基于被动差 分吸 收光谱技 术 ， 测 量墙体 、山体 等
目标 的太 阳反射光 谱 ， 通 过差 分 吸收光 谱 算法 反 演得 到 目标 与 仪器之 间 Ｎ Ｏ ｅ 浓 度沿 路 径 的积分 值 Ｓ Ｃ Ｄ （ ｓ ｌ ａ ｎ ｔ ｃ ｏ ｌ ｕ ｍｎ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ） ，同时仪器 到 目标 之间的距 离已知 ， 并通过选取特定 的参考 光谱 扣除 目标 到大气顶层