LED光源DOAS方法的夜间NO2气体浓度遥测研究

论文摘要

针对现有利用自然光源的被动DOAS测量方法无法实现夜间对NO2等痕量气体进行垂直分布探测的问题,提出构建一种基于窄带光源蓝光LED技术的DOAS测量NO2的方法,搭建了仪器系统,成功地实现了夜间对NO2气体浓度的测量。该系统主要分为灯源发射系统和望远镜接收系统两部分,采用主波长为450nm的LED作为光源,通过望远镜采集发光束的散射光,利用光纤耦合将望远镜接收到的散射光导入光谱仪中,结合DOAS原理运用计算机进行处理。DOAS的理论基础是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律,据此原理可将数据处理过程概述如下:首先采集相对干净光谱作为背景参考谱,用实际测量大气谱除以参考谱,利用数字高通滤波去除慢变化部分,然后取对数,即可获得光学厚度;其次将仪器函数与NO2的高分辨率截面卷积,得到与所用仪器相匹配的低分辨率吸收截面;最后将差分吸收截面与处理后的差分光学厚度相结合,运用最小二乘法拟合并结合光程L即可获得NO2浓度值。同时可通过调节灯源光速发射角度及望远镜接收角度,测出不同位置处NO2浓度值,进而给出NO2气体浓度的立体分布信息。在算法确定的情况下, LED灯谱质量对仪器系统的可靠性显得尤为重要。由于LED光谱受温度及驱动电流影响较大,为了保证LED处于最佳工作状态,开展了LED光谱温度及驱动电流敏感性实验。测试结果表明,要确保采集到的光谱稳定且具有较高质量, LED工作温度应低于20℃,驱动电流需控制在1.5 A以内,且两者波动范围较小。实验中, LED实际工作温度为10～15℃,驱动电流为1.4 A,控制精度±1 mA,能够满足实验要求。为了提高LED阵列密度、获得更加集中的发光束, LED底座基板采用正六边形结构,每块正六边形基板上7只LED串联,各个基板之间并联。经计算较采用矩形结构,其空间利用率提高了8%。各基板工作电流1.4 A,最大电压23.8 V,易于扩展,维护方便。为了验证方案可行性及系统的可靠性,进行了实验室测试及外场实验。实验室采用NO2样气浓度为1 642.86 mg·m-3,不确定度5%。系统测量结果为1 607.54 mg·m-3,与标定值误差为2.15%,在标定的不确定度范围以内,经计算系统检测线为0.014 3 mg·m-3（6.942 ppb）,因此可认为测量结果准确。将外场实验测量结果与同时段国控站点给出的NO2数据进行了对比,对应时间段结果偏差均在10%以内,两组数据线性拟合一致性较好,相关系数达0.967,表明该系统所测NO2结果较准确。研究结果表明,在确保LED光源稳定的基础上,采用基于窄带光源蓝光LED的DOAS方法能够实现夜间对NO2气体垂直分布情况测量。为大气痕量气体垂直分布测量、特别是在夜间条件下对痕量气体立体分布测量提供了一种新的思路。

论文目录

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 杨雷,李昂,谢品华,胡肇焜,梁帅西,张英华,黄业园

关键词: 蓝光,差分吸收光谱,测量,大气化学

来源: 光谱学与光谱分析 2019年05期

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 环境科学与资源利用

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,中国科学技术大学

基金: 国家重点研发计划项目(2016YFC0201507,2016YFC0208203,2017YFC0209902),国家自然科学基金项目(41775029),安徽省重大科技专项(15czz04126)资助

分类号: X51;X87

页码: 1398-1405

总页数: 8

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