星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

大气痕量气体测量的光谱学和化学技术地球上的大气环境对人们的健康和生存至关重要，因此对大气痕量气体的检测技术具有重要意义。

大气痕量气体在地球大气中以极低的浓度存在，其监测和分析技术要求具有高灵敏度、高性能和可靠性的技术。

如何更准确地检测这些微量气体成为气体分析技术研究的一个挑战。

传统分析技术中,气体检测方法以吸收剂谱法(GC)和光谱法(AES)为主，但其灵敏度较低，且针对每种特定气体都需要特殊的装置，分析费用昂贵，不利于普及气体检测。

在这种情况下，光谱学和化学技术被用于简化大气痕量气体测量的过程。

光谱技术是一种用于测量大气痕量气体的技术系统，该技术可以同时检测多种微量气体，并且可以在短时间内获取详细的气体成分数据。

在这种技术中，通过像素级谱仪将不同像素级的光谱分辨率数据传输到检测仪中。

然后，使用数学模型将像素数据转换为可以检测的气体组成。

此外，这种技术也可以用于精确测量大气痕量气体的化学反应，并在气体消失前将其强度精确度测定出来。

与光谱技术相比，活性炭技术更简单，但也可以用于测量大气痕量气体。

活性炭技术是一种使用活性炭把室内大气痕量气体吸附到滤芯上，然后通过零件测量和滤芯摄取仪进行测量的技术。

这种技术具有高灵敏度，结果准确，可以快速获得精确的测量结果，且操作费用低。

除了光谱和活性炭技术外，还有其他一些技术可以用于测量大气痕量气体，例如热脱附技术、极化发射光谱技术和氧化还原技术等。

热脱附技术通过将检测样本热脱附到滤芯上，并使用滤芯摄取仪来测量，能够对气体进行更加精确的检测。

极化发射光谱是一种通过检测微量气体的极化发射光谱，并利用多元线性回归模型来进行分析的技术。

氧化还原技术利用含氧物质，如O2、H2O2和CO2，来测量气体中的活性气体，从而获得精确的测量结果。

综上所述，光谱学和化学技术对于对大气痕量气体的测量具有重要意义，它不仅具有简单、灵敏度高、费用低的特点，而且还可以更准确的检测和剖析大气痕量气体的各种特性，为大气环境保护提供了可靠的技术保障。

机载光纤式成像差分吸收光谱仪测量区域大气污染应用研究张晓莉;王煜;奚亮;周海金;常振;司福祺【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2024(44)2【摘要】我国大气污染呈现出区域性和复杂性等特性,开展污染气体区域分布的立体监测,能够及时了解大气环境现状、研究分析影响大气质量的各种因素,指导大气污染控制措施。

机载成像差分吸收光谱仪,是目前有效的污染气体区域分布遥感手段之一。

该技术观测区域大,覆盖率高,最终可提供精细化的污染气体区域分布资料,实现污染分布及传输的可视化探测。

以往机载成像差分吸收光谱仪采用整体式设计,需要占用飞机光学观察窗口,航空搭载需求苛刻、应用受限。

为此提出了光纤式机载成像差分吸收光谱仪,采用光纤束传输方式,安装过程中对飞机改装需求小,极大的便利了机上安装和调试,适应了适航设备认证需求。

该系统采用特制多芯光纤束结合Littow-offner结构光谱成像系统,具有光谱成像分辨率高、大视场、结构紧凑等优点。

在此详细介绍了该设备性能参数,并利用该系统在芜湖市周边开展了区域污染遥感应用。

应用过程中,针对光纤式成像差分吸收光谱仪,提出了数据处理算法。

对采集到的太阳散射光谱进行反演得到污染气体的斜柱浓度,并利用大气传输模型计算大气质量因子,实现垂直柱浓度转化。

最后结合飞机姿态位置信息,快速获取了芜湖市区及其周边上空的NO_(2)、SO_(2)的浓度分布,并进行了区域内污染源快速定位和传输过程分析。

从反演结果来看,本次实验NO_(2)垂直柱浓度在实验区域存在4个高值点,SO_(2)垂直柱浓度在实验区域存在2个高值点,高值点附近均存在重工企业,结果与实际情况相符。

并结合卫星数据评估二者交叉校验精度,二者呈现正相关,相关性系数为0.77。

应用效果验证了光纤式成像差分吸收光谱仪的方案可行性,可为大气污染气体航空遥感技术推广提供参考,同时弥补了地面站点监测在空间尺度上以及卫星遥感在时间尺度上的不足。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光路切换转动部件研究星载大气痕量气体差分吸收光谱仪通过测量地表或地球大气反射、散射的紫外光/可见光辐射,利用痕量气体的指纹吸收,可获得大气关键成分和污染物浓度的时空分布和变化的数据。

由于空间环境会对载荷的表面和内部器件等产生一定影响,需要对其进行星上定标,主要包括利用太阳光进行光谱定标、辐射定标以及利用载荷内置卤钨灯进行坏像元检测。

差分吸收光谱仪载荷通过光路切换转动部件实现对地球测量主光路与定标光路间的切换,完成星载差分吸收光谱仪的在轨定标。

在轨运行的高分五号01星搭载差分吸收光谱仪载荷通过步进电机完成光路切换,但存在步进电机失效时,光路定标转动部件遮挡主光路,无法保证主光路正常测量的可能。

因此,本文在后续型号02星载荷的研制过程中,在光路切换装置转动部件中增加了涡卷弹簧,在电机失效时,可利用涡卷弹簧将转动部件拉出主光路,保证了对地观测主光路的正常工作。

本论文针对在轨01星存在的问题,在原有转动部件结构上增加了涡卷弹簧结构,研发了基于高可靠性的BM3803FMGRH和LMD18200驱动芯片的步进电机控制电路,完成了系统软硬件设计,实现了光路切换系统的精确控制。

主要完成的工作如下:首先,在01星转动部件基础上增加了涡卷弹簧,该装置可以在转动电机失效的情况下将转动部件拉出主光路,保证了对地观测主光路的正常工作。

其次,采用具有抗辐照指标的BM3803FMGRH芯片作为主控芯片,并设计了基于该芯片及LMD18200驱动芯片的驱动控制电路,该电路主要包括BM3803FMGRH最小系统电路、带EDAC功能的存储器电路、看门狗复位电路、供电电路、串口通信和硬件调试电路。

研发了基于SPE-C集成开发环境的下位机驱动软件,该软件可实现转动电机驱动信号的产生、与上位机的通讯等功能;研发了基于Qt平台的上位机控制软件,该软件具有设置电机参数、接受下位机数据、测试实验控制等功能。

最后,利用研发的软、硬件系统对光路切换转动部件进行了详细测试,主要包括:力矩测试、转动精度测试、可靠性测试以及驱动芯片真空温度测试。

179ECOLOGY区域治理作者简介：刘洪祥，生于1971年，临沂市生态环境局沂水县分局工学学士，高级工程师。

差分吸收光谱技术在大气环境监测中的应用研究山东省临沂市生态环境局沂水县分局 刘洪祥摘要：近年来，随着我国经济的发展，对各种资源的不断开发利用，虽然在很大程度上加快了我国经济的增长，但是在发展经济的时候，对环境也造成了一定的伤害。

所以近些年来，国家在环保方面投入了巨大的人力和物力资金，以重点保护我们环境，一方面是践行可持续发展的战略；另一方面也保护了我们的身体健康，。

但是在空气质量的检测方面，我国的监测系统主要是靠引进国外的设备，本课题主要是使用差分吸收光谱技术对大气的环境进行检测。

关键词：大气污染监测；光谱技术；数据处理；滤波技术中图分类号：X51文献标识码：A文章编号：2096-4595（2020）26-0179-0001人们在日常生活中，时时刻刻都离不开空气和水，所以空气的质量决定了生命的质量，但是近些年来，大气污染对我们赖以生存的生态系统造成了一定的破坏，从而对人们的生命产生了一定的威胁，本文主要是研究开发一种可以对短距离内的大气污染物进行实时的监测的技术，从而能够对周围的空气质量做出及时的反馈，能够准确地判断出各个不同地方的大气污染情况，并及时地做出相应的处理。

一、大气污染的传统监测技术在使用非光学分析法进行大气污染监测时，主要是有化学分析法、电化学分析法和色谱法等。

（一）化学分析法化学分析法是利用不同物质之间进行化学反应，主要是有重量分析和容量分析两类，重量分析法存在较大的误差，它主要是对颗粒较大的物质进行检测，比如烟尘、粉尘、生产性颗粒等物质；容量法的操作比较简便，但是敏感度不够，所以对于一些浓度较低的物质，不能够达到很好的检测作用。

（二）电化学分析法电化学分析法主要是在化学分析法的基础之上逐渐发展起来的，它的原理是利用物质的电化学性质来测量其含量，例如，在溶液中，测定溶液的导电能力或者是电解出导电粒子的能力，从而反向地推理出大气中一些有毒有害的物质的含量。

差分吸收光谱技术在环境监测中的理论和应用研究的开题报告一、研究背景和意义差分吸收光谱技术（Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS）是一种新兴的环境监测技术，在空气质量监测、大气环境污染物控制等领域有着广泛的应用前景。

DOAS技术是一种基于光的非接触式、在线化分析技术，可以实现对空气中各种污染物的定量和定性分析，并且具有快速、高效、准确的优点。

在DOAS技术的实际应用中，主要依靠大气中污染物的吸收光谱特性进行判断，以识别和定量空气中的有害物质，如二氧化硫、氮氧化物、臭氧、挥发性有机物等。

DOAS技术具有测量灵敏度高、抗干扰能力强、非接触式监测等优点，广泛应用于空气质量监测、大气环境污染物控制等领域。

二、研究内容本研究将针对DOAS技术在环境监测中的理论与应用展开深入研究，主要涉及以下几个方面：1. DOAS技术基本原理和实现方法的研究。

介绍DOAS技术的基本原理和实现方法，包括吸收光谱谱线、大气微分光学路径长度、线性最小二乘拟合法等。

2. DOAS技术在空气质量监测中的应用。

探讨DOAS技术在空气质量监测中的应用，如二氧化硫、氮氧化物、臭氧、挥发性有机物等污染物的监测。

3. DOAS技术在大气环境污染物控制中的应用。

研究DOAS技术在大气环境污染物控制中的应用，探讨DOAS技术在定位控制污染源、评估控制效果等方面的应用。

4. DOAS技术的应用前景。

结合国内外研究现状，探讨DOAS技术在环境监测领域的应用前景。

三、研究方法和技术路线本研究主要采用文献资料法和实验法相结合的方法，首先通过文献资料法梳理DOAS技术在环境监测领域的研究现状、发展历程和应用案例，深入探究DOAS技术的基本原理和实现方法。

其次，采用实验法进行数据采集和分析，验证DOAS技术在空气质量监测中的应用实现效果。

最后，结合研究数据结果，探讨DOAS技术在环境监测领域的应用前景。

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。

大气痕量气体测量的光谱学和化学技术近年来，大气痕量气体的测量技术受到越来越多的关注，它在大气污染领域有着重要的应用价值。

光谱学和化学技术是检测大气痕量气体的重要手段之一。

一、光谱学技术在大气痕量气体检测中的应用光谱学技术在大气痕量气体检测中的应用有很多，其中最常见的就是紫外、可见光和近红外光谱仪技术。

紫外/可见光谱仪的优势之一是可以采集到Detector和有效的尺度分析信号，而且没有气体的干扰。

紫外/可见光谱仪能够快速准确的检测出大气中痕量气体的含量，使用该仪器可以迅速获得痕量气体的含量，从而提高检测效率。

此外，近红外光谱仪也非常适用于检测大气痕量气体。

相比紫外/可见光谱仪，近红外光谱仪可以检测更多的气体成分，这些气体成分可以像不同的特征气体一样进行检测，因此可以比紫外/可见光谱仪更准确的检测出大气中痕量气体的含量。

二、化学技术在大气痕量气体检测中的应用除了光谱学技术，化学技术也在大气痕量气体检测中发挥着重要作用。

化学技术可以结合光谱学技术，实现更精准的检测。

例如，气相色谱质谱（GC-MS）可以检测出气体的组分，这种技术能够比紫外/可见光谱仪和近红外光谱仪更有效的检测出大气中痕量气体的含量。

GC-MS可以有效的检测出大气中NO、NO2、CO和SO2等痕量气体的含量，它们是大气污染的主要成分，因此能够从根本上提高检测效率。

此外，化学发光法（CL）也可以用于检测大气中挥发性有机化合物（VOCS）等痕量气体，它能够准确检测出VOCS的低激发能量状态和高激发能量状态。

三、结论从上述分析可以看出，光谱学和化学技术是检测大气痕量气体的重要手段之一。

它们的应用可以更准确的检测出大气中痕量气体的含量。

因此，光谱学和化学技术在检测大气痕量气体中起着重要作用，也有助于提高检测效率，提高治理效果。

《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。