基于差分吸收光谱技术的大气痕量气体重建算法

基于吸收光谱层析成像的气体摩尔分数和温度分布二维重建买鹏;张帆【摘要】基于可调谐二极管激光吸收光谱层析成像技术,采用代数迭代重建算法,实现对气体摩尔分数场和温度场二维分布的重建.利用半透半反镜,将激光束反复穿过被测区域,用多个探测器依序接收,固定光路瞬时测量.建立H2O蒸气摩尔分数和温度分布模型,数值分析了初始光线角度、光线数目、网格数目对重建结果的影响.通过对初始假定分布数据进行取样得到期望数据,将期望数据与重建数据的对比结果作为重建结果评价依据,通过插值与初始数据比较评判整个重建方案.结果表明新的光线分布能够较好地对被测区域进行重建,同时证明了期望数据描述方法可行.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2016(036)009【总页数】6页(P9-14)【关键词】可调谐激光吸收光谱;层析成像;二维重建;代数迭代算法;摩尔分数;温度【作者】买鹏;张帆【作者单位】西安卫星测控中心,陕西西安710043;西安卫星测控中心,陕西西安710043【正文语种】中文【中图分类】O433.51可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)因其灵敏度高、响应速度快、非侵入测量、气体选择性好等特点，能够实现气体温度、组分摩尔分数、速度等多参量的实时在线测量，在燃烧场诊断和环境监测等领域应用广泛. TDLAS测量结果具有线积分的特性，故只能测得被测流场中光线路径上的温度、组分摩尔分数等参量的平均值，无法获取流场内部信息[1]. 这种测量方法适用于均匀流场或无需明确流场内部参量分布信息的情况. 对于非均匀流场，可通过在单一光路上增加吸收谱线数目以拓展同一路径的光谱信息，测得流场参量在这条光学路径上的一维分布信息[2-3]，但依旧不能得知流场参量在光路上的具体分布位置.将TDLAS测量技术与计算机层析成像技术相结合(Tunable diode laser absorption tomography，TDLAT)，可实现对被测流场温度、组分摩尔分数等参量的二维分布信息的测量和重建，使得TDLAS测量技术在非均匀流场中的应用变成可能，并在发动机流场诊断、大气污染物监测等领域的应用更加广泛. 目前，TDLAT的研究集中在3方面：重建算法[4-5]、光线分布[6-7]和测量装置[8]. 1980年，Goulard等人[9-10]就提出了基于半透半反镜的多角度测量方案. Gillet 等人[11]搭建了通过简单等距平移实现 13个投影方向上25条平行光分布的测量装置，对碳氢燃料分布进行了重建测量. Busa等人[12-13]设计了由5束扇形光束扫描被测区域的重建旋转平台，并且在弗吉尼亚大学超声速燃烧设备(UVaSCF)和NASA兰利直连式超声速燃烧测试设备(DCSCTF)上进行了重建实验. Wright等人[14-15]则在采用27条非规则光线分布的OPAL固定光路平台上，对内燃机进行了燃料蒸汽的摩尔分数二维层析成像. 为了提高测量装置的瞬态测量能力，在实际应用中可采用固定光路的搭建方式，避免机械运动部件造成的测量时间延长[16]. 本文设计了基于半透半反镜的测量方案，并提出了基于该方案的光线分布. 该方案利用半透半反镜，将1束激光反复穿过被测区域，用多个探测器依序接收镜子后的透射光，从而解决了固定光路投影数目与测量装置复杂性的矛盾关系，在保证投影数目的同时，简化了测量平台结构，达到了固定光路瞬时测量的目的.1.1 TDLAS基本原理TDLAS测量技术是基于吸收光谱的光学测量方法，利用可调谐激光器，通过扫描目标气体分子的吸收光谱可对气体温度、组分摩尔分数等参量进行实时测量. 单一频率的激光穿过待测均匀介质后，其光强变化由 Beer-Lambert定律表述：式中，It为出射光强，I0为入射光强，p为气体总压，X为气体组分摩尔分数，L为光程，Φν为线型函数. S(T)为所选谱线在温度T时的线强度，且只和温度有关，其大小随温度变化的情况为,其中，S(T0)是在参考温度T0时的谱线强度，大小可通过查找HITRAN光谱数据库得到，Q(T0)为待测气体分子的配分函数，h是普朗克常量，c是光速，k是玻尔兹曼常量，E″是低跃迁态能级，ν0为线型的中心频率.由于吸收区域 A可表示为TDLAS测量温度则是通过比较不同吸收谱线的谱线强度随温度变化的不同特点实现的. 常用的是双线法测量温度. 选取2条不同的吸收谱线，其线强度的比值R可表示为易知，比值R是关于温度T的函数. 温度T为组分摩尔分数X可通过线型拟合计算吸收区域面积A，从而由(4)式计算得出.1.2 气体温度和组分摩尔分数TDLAT测量原理当用 TDLAT测量气体温度场和组分摩尔分数场以实现二维重建时，首先将待测区域 f(x,y)离散为m×n的网格，并假定待测气体的温度和组分摩尔分数在每个网格内都是均匀的. 而后通过一定的光线分布，利用TDLAS技术测得每条光线的投影值，经过基于迭代的重建算法的计算重构出每个网格中的温度和摩尔分数值，完成重建测量.本文采用文献[17]的修正自适应ART(MAART)算法进行重建. 当第i束频率为νm 的激光束穿过待测区域后，由于被测气体的吸收，强度发生衰减，最终得到的被测气体吸收系数积分Aν,i由各网格内的吸收系数叠加而成，吸收方程为,其中，入射光束i穿过第j个网格的光路长度Lij只与入射光束的角度和位置有关. 经过m个波长的入射光束测量后，(7)式可表示为其中，M为总光线数目，即投影个数. fj=[pS(T)X]νm,j为第j个网格中气体参量乘积.将(8)式用矩阵形式表示为其中，A为投影矩阵，L为网格系数矩阵，F为气体参量矩阵.对方程组进行迭代求解，表达式为式中，k为迭代次数，α为松弛因子. 引入修正系数β对松弛因子做自适应修正，添加平滑因子δ增加平滑度，减弱相邻区域突变. 将(10)式改为.为保证算法收敛，α在0～2区间取值，β=0.25，δ=0.001. 在本文介绍的测量方案中，每条光线由于存在多次反射重复吸收的现象，每个探测器测得的投影值总是在上个探测器信号基础上，叠加1次经过待测区域的吸收. 因此，所列方程组经线性变换后，总能写为式(8)的形式.本文立足工业应用对TDLAT测量技术要求时间分辨率高的特点，采用固定光路的测量装置搭建思路，设计了如图1所示的测量方案.该方案将由激光器出射的1束激光，在穿过待测区域后，到达半透半反镜(透过率待定). 部分光透过半透半反镜被探测器接收，完成1次TDLAS测量，其余光被反射. 反射光再次穿过待测区域，并再次到达下一半透半反镜. 通过多次反射，激光束反复穿过被测区域，并用多个探测器依序接收. 该方案减少了激光器的数目，可通过调整半透半反镜间距和角度改变光线分布，从而简化测量平台结构. 同时，由于多次反射能够增强吸收，该方案可针对吸收较弱的待测流场进行测量. 考虑到激光通过半透半反镜的能量损失，可根据反射次数设定透过率.3.1 期望数据表述方法气体温度和组分摩尔分数的分布和变化，在时间和空间上都是连续的. TDLAT作为一种重建测量技术，由于算法和测量手段的约束，其测量结果是离散的、不连续的、网格化的，无法与连续的、平滑的初始场进行比较. 因此，在比较评价测量结果时，应与离散后的初始流场进行对比，即测量时期望得到的离散数据. 本文提出初步的期望数据表述方法以便进行仿真验证实验. 该方法首先将仿真实验中设定的初始连续分布以一定的规则进行离散化，离散后的空间分辨率与测量方法的空间分辨率相同，且都采用网格中心点的值表征网格值的方法. 把离散后的初始场称为期望数据. 在测量过程完成并进行重建后，将离散的重建结果与期望数据进行比较，有效地对重建算法和测量方案进行评价.在仿真验证中，为便于比较，将待测区域离散为100×100的网格表述为设定的初始分布. 如图2所示，温度场为双高斯分布，温度范围500～1 000 K，摩尔分数场为单高斯分布，摩尔分数范围2%～8%，500 mm×500 mm的待测区域离散为10×10的网格，期望数据表述为图3的分布.3.2 数值仿真分析考虑对该温度范围的温度灵敏度，选取中心波数为7 185.597 cm-1和7 454.45 cm-1的2条H2O吸收谱线. 仿真实验对所设计的重建方案进行了验证. 分别选取了初始光线角度为3°,4°,5°,6°,7°和8°的光线分布如图4所示，对应的光线数目依次为74,54,42,38,30和26条的光线分布进行仿真验证.定义重建结果与期望数据的误差函数：.气体温度和组分摩尔分数的重建误差与角度的关系见图5. 由图5可知，3°的光线分布温度和组分摩尔分数的重建误差最小，主要原因是光线数目多，覆盖面积大且每个网格穿过的光线数目多. 随着角度增大，光线数目减小，温度和组分摩尔分数的重建误差变大，初始光线角度为5°时温度相对偏差8.39%，组分摩尔分数相对偏差2.26%. 角度再增大，温度重建误差反而降低，组分摩尔分数误差略微增加，到8°时，重建结果出现较多突变点，导致重建结果无法描述待测流场.综合分析图4和图5，虽然初始角度为5°时的测量光线较密，但重建误差却最大，说明光线分布的疏密程度并不是决定重建结果质量的关键因素. 这是由于每条光线代表1个方程，故光线穿过的网格数越多，所含流场信息就越多，光线在方程迭代过程中的利用率就越高. 所以初始角度为5°重建误差较大的原因是:对于固定的网格设置，该初始角度下的光线分布穿过的网格数较少.由于初始角度为6°时的重建误差相对较小，与初始角度为4°时相近，同时该测量方案所需要的光学设备较少，考虑到实际测量应用中的环境限制，认为6°为最佳的初始角度. 初始光线角度为6°时的重建结果如图6所示，每个网格与期望数据的差值图如图7所示. 网格温度最大差值127 K，组分摩尔分数最大差值0.21%. 温度重建结果有如下特征：双高斯分布的细节特征没有重建出来；高温区温度偏低，低温区温度偏高. 这是由于TDLAS测量技术视线积分平均的特质导致的. 选取初始光线角度为3°和6°的重建结果做3次样条插值，将10×10的网格表述扩展为100×100的网格表述，并与初始设定场进行比较，插值结果能够较好地反映初始设定场.基于半透半反镜(透光率依实际情况定)，设计了固定光路的重建测量方案. 采用修正自适应代数迭代算法，在提出的期望数据表述方法的基础上，对该方案做仿真研究. 结果表明：在尽可能简化测量装置、减少发射端和接收端数目的前提下，初始光线角度为6°时是最佳的测量方案，且能够较好地反映初始场情况；期望数据表述方法为TDLAT重建测量方法的仿真验证提供了比较的依据，能够较好地将工业应用和验证实验连接.【相关文献】[1] Liu X. Line of sight absorption of H2O vapor gas temperature sensing in uniform and non-uniform flows [D]. Palo Alto: Stanford University, 2006.[2] Liu X, Jefferies J B, Hanson R K. Measurement of non-uniform temperature distributions using line-of-sight absorption spectroscopy [J]. AIAA Journal,2007,45(2):411-419.[3] 李宁. 基于可调谐激光吸收光谱技术的气体在线检测及二维分布重建研究[D]. 杭州：浙江大学, 2008.[4] Daun K J. Infrared species limited data tomography through Tikhonov reconstruction [J]. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2010,111(1):105-115. [5] 李宁,翁春生. 基于多波长激光吸收光谱技术的气体浓度与温度二维分布遗传模拟退火重建研究[J]. 物理学报,2010,59(10):6914-6920.[6] Bryner E, Diskin G S, Goyne C P, et al. High temperature spectroscopic parameters for water vapor measurements in combustion environments [C]// 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2006:433.[7] 宋俊玲, 洪延姬, 王广宇. 温度场二维重建非规则光线分布优化[J]. 光学学报,2013,33(4): 0430001-1-0430001-9.[8] Liu Chang, Xu Lijun, Cao Zhang, et al. Fan-beam TDLAS tomography for gas concentration distribution with limited data [C]//IEEE International Conference on Imaging Systems & Techniques, 2012:117-120.[9] Goulard R, Emmerman P J. Absorption diagnostics [C]// 17th Aerospace Sciences Meeting, 1979:1-26.[10] Emmerman P J, Goulard R, Santoro R J, et al. Multiangular absorption diagnostics ofa turbulent argo-methane jet [J]. J. Energy, 1980,4(2):70-77.[11] Kavounides C, Gillet B, Hardalupas Y, et al. Infrared absorption for measurement of hydrocarbon concentration in fuel/air mixtures [J]. Applied Thermal Engineering, 2004,24(11):1633-1653.[12] Busa K M, Bryner E, MacDaniel J C, et al. Demonstration of capability of water flux measurement in a scramjet combustor using tunable diode laser absorption tomography and stereoscopic PIV [C]// 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2011:1294.[13] Busa K M, Ellison E N, MacGovern B J, et al. Measurements on NASA langley durable combustor rig by TDLAT: preliminary results [C]// 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2013:0696.[14] Wright P, Garcia-Stewart C A, Carey S J, et al. Toward in-cylinder absorption tomography in a production engine [J]. Appl. Opt., 2005,44(31):6578-6592.[15] Wright P, Terzija N, Davidson J L, et al. High-speed chemical species tomography ina multi-cylinder automotive engine [J]. Chemical Engineering Journal, 2010,158(1):2-10.[16] Terzija N, Davidson J L, Garcia-Stewart C A, et al. Image optimization for chemical species tomography with an irregular and sparse beam array [J]. Meas. Sci. Technol., 2008,19(9): 094007(1)-094007(13).[17] Li Ning, Weng Chunsheng. Modified adaptive algebraic tomographic reconstruction of gas distribution from incomplete projection by a two-wavelength absorption scheme [J]. Chinese Optics Letters, 2011,9(6):061201-1-061201-5.。

基于差分吸收光谱法的大气质量在线连续监测系统郁敏;南学芳;李楠;杨杰;张宇;高秀敏【摘要】为精确测量气体组分及其浓度,根据大气中硫化物和氮化物在紫外波段对光谱分子的吸收特性及基于差分吸收光谱技术及相应的计算方法,设计了大气质量在线连续监测系统.该系统对硬件做了性能提升,实现了高速精确采集;在算法上对Lambert-Beer定律进行了优化,消除了Rayleigh散射和Mie散射的影响,使测量结果更加精准,达到了精确、快速、实时地监测气体组分及其浓度的目的.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2016(038)003【总页数】5页(P262-266)【关键词】差分吸收光谱技术;连续监测;环境监测;气体浓度【作者】郁敏;南学芳;李楠;杨杰;张宇;高秀敏【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州 310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州 310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州 310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州 310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州 310018【正文语种】中文【中图分类】TN253大气污染物主要包括硫化物、氮氧化物等,随着交通运输和工业的快速发展,大气污染日趋严重,逐渐影响人们的身心健康,因此大气污染也越来越受到关注[1]。

对此,我们有必要研制一种可监测大气污染物的监测系统。

电化学分析法是目前大气污染物监测设备所采用的主要方法,能够得到广泛应用的主要原因是其价格低廉、结构简单,但由于存在操作繁琐、维护量大、交叉干扰、寿命短等缺点,该技术已处于被淘汰的状态。

紫外荧光法虽然操作简单及精度高,但其只适合测量二氧化硫,不能同时测量氮氧化物。

光谱检测技术灵敏度高,一般可达到10-9～10-12级,能满足对大气痕量气体的检测要求,同时光谱检测技术具有可检测气体种类多、响应时间快、受环境因素影响小、维护周期长等优点,非常适用于现场的在线连续监测[2-3]。

浅谈差分吸收光谱技术及在大气监测领域中的应用差分吸收光谱技术是近年来应用较为广泛的大气监测方法之一，具有高效率、大范围、便于操作等方面的优势，可以用于大气领域的长期监测工作。

为此，本文针对差分吸收光谱技术的原理与技术要点进行分析，并探讨这门技术在大气监测领域中的应用，希望能够推进这种技术在更加广泛的领域应用。

标签：差分吸收光谱技术；大气监测；比尔-郎博特定律前言：近年来，人们在生产与生活过程中给周边环境造成的影响越来越大，大气污染、臭氧空洞与厄尔尼诺现象逐渐加剧，人们愈发关注环境问题，雾霾及PM2.5对于大气环境的影响也逐渐成为近年来的热门词汇，这种情况下，研究差分吸收光谱技术及其在大气监测中的具体应用，对于探究大气问题具有重要作用。

1.差分吸收光谱技术原理本质上来说，差分吸收光谱技术是利用光谱会被分子所吸收的特性，并根据比尔-郎博特定律中对于不同分子对光辐射区别吸收特点对空气成分与浓度进行判断的一种方法。

当空气或空气池中经过同一束光线时，空气中的不同分子会对光线进行有差别的吸收，会影响光线的波长、强度与光子的组成，被空气分子吸收之后的光谱，同原本的光谱相互对比，即为吸收光谱，此时分析吸收光谱就可以确定空气中某些物质的成分与数量。

一般来说，运用差分吸收光譜技术来监测空气情况，会采用光源、空气池、望远镜设备来进行，由光源发出光束，经过空气池最后通过望远镜来观察，在这一过程中，光线会经过不同的分子吸收与散射作用发生改变。

根据比尔-郎博特定律，光线经过一段分散均衡、厚度（L）一定、密度（C）一定的空气时，透射后的光线强度为I（λ，T，P）和透射前的原光线强度I0（λ）之间的关系为这其中，σ是气体吸收光线谱时的横截面，是一个函数，其种类在于光谱波长、空气温度与压力、空气中分子的种类，其单位为cm2/mole。

空气池中的真实温度与压力，会影响空气吸收光谱的横截面，对光产生散射作用，当空气温度升高18°R，光栅光谱设备就会产生1个像素的位移，当光谱出于室内正常温度或者高温情况下，空气温度与压力对于空气吸收光谱横截面的影响也会对计算带来不利影响，在空气中，光线的强度会随着空气分子的吸收而逐渐衰减，空气内分子对于光子的吸收与散射作用的叠加，其结果如下：这其中，σi是i类型的空气吸收光谱时的横截面；Ci是i类型的空气从空气厚度L中的平均密度；εM是光线的米氏散射系数；εR是光线的瑞利散射系数；A是测量系统与光线波长关系转变较为缓和的结构。

光第22卷第8期2002年8月文章编号:025322239(2002)0820957205学学报Vol.22,No.8August,2002差分吸收光谱法测量大气污染的测量误差分析周斌刘文清齐锋李振璧崔延军(中国科学院安徽光学精密机械研究所环境监测研究室,合肥230031)3摘要:差分吸收光谱技术被广泛地应用于测量大气中微量元素的浓度,尽管该技术利用最小二乘法来反演待测气体的浓度,能够得到很高的测量精度。

但是,由于仪器本身的噪声以及测量波段其它气体的干扰等,使得仪器的测量有一定的误差,而且上述因素还决定着仪器的测量下限。

对差分吸收光谱方法的测量误差以及引起误差的原因作了详细的分析。

关键词:差分吸收光谱;误差分析;环境监测;相对测量误差中图分类号:O433.5+1文献标识码:A1引言差分光学吸收光谱(DOAS)方法最初由[1,2][3]Platt和Noxon等人在20世纪70年代提出,该方法是利用光线在大气中传输时,大气中各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些微量气体在大气中的浓度,经过一段时间的发展,目前已渐渐成为进行大气污染模式研究和大气污染监测的常用方法之一。

差分吸收光谱方法具有一些传统监测方法所无法比拟的优点,一套差分吸收光谱系统的监测范围很广,可直接监测方圆几平方公里的范围,所以测量结果比点测量仪器更具有代表性;该方法采用非接触方式,在测量时不会影响被测气体分子的化学特性,这特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的质量浓度,比如NO3、BrO和OH等;差分吸收光谱方法的测量周期短、响应快,并且一台装置可同时测量几种不同气体的质量浓度,这对研究大气化学变化和污染物之间相互转化规律有着非常重要的意义。

差分吸收光谱方法有很低的测量下限,但是系统的噪声、测量波段的选择等因素对测量结果会有很大的影响,给仪器测量带来较大的误差,本文就对差分吸收光谱方法的测量误差,以及引起误差的原因做一详细的分析。

大气痕量气体差分吸收光谱仪（Environmental Monitoring Instrument, EMI）是一种用于监测大气中微量气体浓度的仪器。

它利用差分吸收光谱技术，能够高灵敏度地检测和测量大气中的各种气体，并提供准确的浓度数据。

下面将详细介绍EMI的原理、结构和应用。

一、原理EMI的原理基于差分吸收光谱技术。

该技术利用了气体分子在特定波长范围内吸收特定波长的光线的特性。

当光线穿过含有待测气体的大气时，待测气体会吸收特定波长的光线。

通过比较待测气体和参考气体对特定波长光线的吸收情况，可以计算出待测气体在大气中的浓度。

具体而言，EMI由光源、样品室、参比室、探测器和信号处理部分组成。

光源发出宽谱带光线，经过样品室和参比室后被探测器接收。

样品室中含有待测气体，而参比室中则没有待测气体。

探测器将样品室和参比室接收到的光线信号转化为电信号，并经过信号处理部分进行差分计算，得到待测气体的浓度。

二、结构EMI的结构主要包括以下几个部分：1. 光源：提供宽谱带光线，常用的光源包括白炽灯、激光器等。

2. 样品室和参比室：样品室中含有待测气体，而参比室中则没有待测气体。

样品室和参比室之间通过光路切换器进行切换，以便对比两者的吸收情况。

3. 探测器：接收样品室和参比室中的光线，并将其转化为电信号。

常用的探测器包括光电二极管（Photodiode）和半导体激光器（Semiconductor Laser）。

4. 信号处理部分：对探测器输出的电信号进行放大、滤波和差分计算，得到待测气体的浓度。

信号处理部分通常由模拟电路和数字电路组成。

三、应用1. 大气环境监测：EMI可以用于监测大气中的各种痕量气体，如二氧化碳、一氧化碳、臭氧等。

通过实时监测这些气体的浓度变化，可以评估大气质量，提供环境保护决策的依据。

2. 工业排放监测：EMI可以用于监测工业废气中的污染物浓度，如硫化物、氮氧化物等。

通过对工业排放的监测和控制，可以减少环境污染，保护生态环境。

毕业论文题目光化学反应中痕量气体的变化学生姓名段虎军学号20051320025院系大气物理学院专业大气物理学与大气环境指导教师朱彬（教授）二ＯＯ九年六月八日目录1 引言 (1)2 实验仪器介绍 (2)3 实验过程 (2)3.1 数据观测 (2)3.2 数据处理 (3)4结果分析 (3)4.1 O3、NO2和HNO2的季节变化特征 (3)4.1.1 O3、NO2的季节变化特征 (3)4.1.2 HNO2的季节变化特征 (4)4.2 O3、NO2、HNO2的日变化特征 (7)4.2.1 O3的日变化特征 (7)4.2.2 NO2的日变化特征 (7)4.2.3 HNO2的日变化特征 (8)4.3 O3、NO2、HNO2间的关系 (9)4.3.1 O3与NO2的关系 (9)4.3.2 NO2与HNO2的关系 (10)4.3.3 O3与HNO2的关系 (12)5 结论 (13)致谢： (14)参考文献 (14)光化学反应中痕量气体的变化段虎军南京信息工程大学大气物理学院，南京：210044摘要：本文通过对2008年南京江北地区的O3、NO2及HNO2三类大气污染物的DOAS数据进行处理和分析，得出其日变化、季节变化特征，并对三种痕量气体间的光化学变化进行了相应分析。

结果表明：该地O3浓度季节变化十分明显，春季浓度最高，初夏有所降低，之后又回升；NO2浓度呈现出冬、春、秋高，夏季低的特点；HNO2浓度4-6月份较低，其余月份都保持在较高值。

O3、NO2、HNO2三者的日变化都与大气扩散和人类活动密切相关；O3夜间值较低，白天由于光化学反应的发生，在午后太阳辐射最强时达到最大值，之后有下降趋势；NO2由于白天参与光化学反应而被消耗，出现最低值，夜间积累达最大值；HNO2最大值出现在夜间，白天由于自身的光解而消耗，出现最低值。

且三种气体间由于光化学反应及其它化学反应的发生，相互间有密切联系；O3与NO2、HNO2间有负相关关系；NO2与HNO2间有正相关关系。

《星载大气痕量气体差分吸收光谱仪辐射定标专用转台设计》一、引言随着空间探测技术的不断发展，星载大气痕量气体差分吸收光谱仪（以下简称“光谱仪”）在地球大气环境监测、气候变化研究等领域发挥着越来越重要的作用。

光谱仪的准确性和可靠性直接关系到探测结果的精度。

而辐射定标作为确保光谱仪性能稳定的关键环节，其重要程度不言而喻。

为满足这一需求，设计一款专用转台对于光谱仪的辐射定标至关重要。

本文将详细介绍星载大气痕量气体差分吸收光谱仪辐射定标专用转台的设计思路、设计原则及具体实施方案。

二、设计目标本转台设计的核心目标是提供一种高效、稳定且可调的支撑平台，用于光谱仪的辐射定标。

具体而言，转台需具备以下功能：1. 提供多角度辐射源模拟功能，满足不同天气条件和大气层结构下的光谱探测需求。

2. 精确控制转台角度和速度，确保定标过程中的数据准确性。

3. 具备高稳定性和低噪声特性，以减少外界干扰对定标结果的影响。

4. 易于操作和维护，便于在实际应用中的快速部署和故障排查。

三、设计原则1. 安全性：确保转台在运行过程中的稳定性和安全性，避免因设备故障导致的意外情况。

2. 可靠性：采用成熟的技术和材料，确保转台在各种环境条件下的稳定性和可靠性。

3. 高效性：优化转台的结构和运行机制，提高定标过程中的效率。

4. 可扩展性：考虑未来技术的发展和需求变化，转台设计应具备可扩展性，方便后续升级和维护。

四、设计方案1. 结构设汁：转台采用模块化设计，包括基座、支撑臂、旋转平台和控制系统等部分。

基座用于固定整个转台，支撑臂用于支撑旋转平台和光谱仪，旋转平台则用于实现多角度辐射源模拟。

2. 控制系统：控制系统采用高精度伺服电机和控制器，实现转台的角度和速度精确控制。

同时，控制系统应具备友好的人机交互界面，方便操作人员设置参数和监控转台状态。

3. 辐射源模拟：转台上设置多个可调节的辐射源，以模拟不同天气条件和大气层结构下的辐射情况。

辐射源的强度和角度可调，以满足不同定标需求。

痕量气体反演原理
痕量气体反演原理主要基于其在特定波段的吸收特性。

差分光学吸收光谱（DOAS）技术是一种常用的痕量气体反演方法，它利用痕量气体的“指纹”吸收原理来反演痕量气体浓度。

具体操作中，将大气光学厚度分为快变化与慢变化部分，通过多项式拟合等方法去除由于瑞利散射、米散射等因素引起的干扰，从而准确地反演出痕量气体的浓度。

此外，基于傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术也是一种重要的痕量气体反演手段，它通过采集近红外太阳光谱，并利用高光谱反演获得大气中CO2、CH4、N2O、H2O和HDO等温室气体和痕量气体的柱总量，对于温室气体和痕量气体的观测具有高精度和准确度。