靈敏度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及提高吸收光譜技術(shù)探測(cè)氣體靈敏度方法領(lǐng)域，具體是一種通過(guò)扣除水 汽干擾提高探測(cè)大氣~0 3靈敏度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] ~03是大氣中一種重要的痕量氣體，是對(duì)流層夜間化學(xué)的關(guān)鍵物種和氧化劑，監(jiān)測(cè) 大氣NO 3濃度對(duì)大氣化學(xué)研究至關(guān)重要。NO 3在大氣中的體積混合比通常在幾個(gè)pptv到幾 百個(gè)PPtv范圍內(nèi)，這就要求大氣~03測(cè)量技術(shù)與方法要有很高的探測(cè)靈敏度。對(duì)于吸收光 譜測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，獲得高探測(cè)靈敏度的直接方法就是獲得長(zhǎng)距離的吸收光程。作為眾多吸 收光譜測(cè)量技術(shù)其中的一種，非相干寬帶腔增強(qiáng)吸收光譜（IBBCEAS)技術(shù)利用兩塊高反射 率鏡片組成光學(xué)諧振腔，在諧振腔的作用下，吸收光程可以達(dá)到數(shù)公里甚至數(shù)十公里，因此 具有很高的探測(cè)靈敏度。對(duì)于大氣NO 3測(cè)量來(lái)說(shuō)，IBBCEAS技術(shù)的測(cè)量波段通常選擇在中 心點(diǎn)波長(zhǎng)660nm附近、帶寬約幾十納米這樣一個(gè)波段內(nèi)。在這樣一個(gè)測(cè)量波段內(nèi)，除了大氣 NO3的吸收之外，大氣中的水汽也存在很強(qiáng)的吸收，因此水汽成為IBBCEAS技術(shù)測(cè)量大氣NO3 最大的干擾源，影響NO3的探測(cè)靈敏度。水汽又不能通過(guò)干燥裝置將其濾除，因?yàn)镹O3是自 由基，具有很強(qiáng)的活性，NO 3通過(guò)干燥裝置后基本上消失殆盡。因此只能從吸收光譜中扣除 水汽的吸收干擾來(lái)提高探測(cè)靈敏度。現(xiàn)有的扣除水汽吸收干擾的方法就是將水汽的吸收截 面與大氣NO 3的吸收截面同時(shí)作為參考吸收截面參與光譜擬合，并且光譜只擬合一次就輸 出擬合結(jié)果。其中水汽吸收截面是固定不變的，它是通過(guò)特定氣壓和溫度下的高分辨率水 汽吸收線強(qiáng)與光譜儀儀器函數(shù)卷積后得到。當(dāng)大氣濕度很大、水汽含量很高時(shí)，在測(cè)量得到 的吸收光譜中水汽的吸收結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)，此時(shí)若將一個(gè)固定的水汽吸收截面而非實(shí)際有效的 水汽吸收截面作為參考吸收截面來(lái)參與光譜擬合，那么起主導(dǎo)作用的水汽吸收結(jié)構(gòu)就很難 從被測(cè)吸收光譜中被扣除，從而掩蓋了大氣NO 3的吸收結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大氣NO 3的探測(cè)靈敏度下 降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)扣除水汽干擾提高探測(cè)大氣NO3靈敏度的方法，以 解決現(xiàn)有技術(shù)IBBCEAS技術(shù)測(cè)量大氣NO 3中扣除水汽吸收干擾方法存在的問(wèn)題。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種通過(guò)扣除水汽干擾提高探測(cè)大氣NO3靈敏度的方法，其特征在于：包括以下步 驟：
[0006] (1)、測(cè)量背景光譜1。（ λ )、大氣吸收光譜I ( λ )，標(biāo)定鏡片反射率曲線R( λ ):
[0007] 在光學(xué)諧振腔腔體內(nèi)充入氮?dú)?，用光譜儀記錄光學(xué)諧振腔輸出的光譜信號(hào)，得到 背景光譜Ic ( λ );將實(shí)際大氣抽入到光學(xué)諧振腔腔體內(nèi)，用光譜儀記錄光學(xué)諧振腔輸出的 光譜信號(hào)，得到大氣吸收光譜I ( λ )。再將腔體內(nèi)充入氦氣，通過(guò)比較充入氮?dú)夂秃鈺r(shí)光 譜信號(hào)的差異標(biāo)定出鏡片反射率曲線R(A);
[0008] (2)、計(jì)算氮?dú)庠跍y(cè)量波段內(nèi)的瑞利散射消光系數(shù)
[0009] 氮?dú)馊鹄⑸湎庀禂?shù)等于氮?dú)馊鹄⑸浣孛媾c氮?dú)鉂舛鹊某朔e；
[0010] (3)、計(jì)算高分辨率水汽吸收截面<!"〇0):
[0011] 首先利用HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合光學(xué)諧振腔腔體內(nèi)的實(shí)際溫度，得到水汽的吸收 線強(qiáng)，然后根據(jù)光學(xué)諧振腔腔體內(nèi)氣壓和溫度對(duì)吸收線強(qiáng)進(jìn)行多普勒展寬和壓力展寬計(jì)算 得到高分辨率水汽吸收截面<〗:(勒;
[0012] (4)、利用數(shù)學(xué)插值方法，將步驟（1)獲得的低分辨率背景光譜1。（ λ)、鏡片反射率 曲線R(A)以及步驟（2)獲得的低分辨率氮?dú)馊鹄⑸湎庀禂?shù)ap'μ)，轉(zhuǎn)換成高分辨率 的/ 0HR(/i)、Rhr ( λ)和:
[0013] (5)、測(cè)量光學(xué)諧振腔腔體內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度，并將相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換成水汽的絕對(duì) 濃度"Hp :
[0014] 根據(jù)光學(xué)諧振腔腔體內(nèi)的溫度查找飽和水汽密度表，得到對(duì)應(yīng)溫度時(shí)飽和水汽密 度，再將光學(xué)諧振腔腔體內(nèi)的相對(duì)濕度乘以飽和水汽密度得到腔體內(nèi)水汽密度，最后利用 水汽相對(duì)分子質(zhì)量、阿伏伽德羅常數(shù)、水汽密度和水汽絕對(duì)濃度之間的關(guān)系，將水汽密度轉(zhuǎn) 換成水汽的絕對(duì)濃度
[0015] (6)、計(jì)算高分辨率的水汽吸收光譜/Sf0G):
[0016] 第一次迭代計(jì)算時(shí)，將步驟（3)獲得的高分辨率水汽吸收截面，步驟（4) 獲得的高分辨率/f⑶、rhr( λ)和《η:汾以及步驟（5)獲得的水汽絕對(duì)濃度％〇帶入如 下公式中：
[0017]
[0018] 通過(guò)公式計(jì)算出式中，d為光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度，后續(xù)迭代計(jì)算時(shí)，使用步 驟（9)獲得的水汽絕對(duì)濃度》替代公式中的其它參數(shù)不變；
[0019] (7)、計(jì)算低分辨率的水汽吸收光譜
[0020] 將步驟（6)獲得的高分辨率水汽吸收光譜/H^(W與步驟（1)中所用的光譜儀儀器 函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算，得到低分辨率的水汽吸收光譜:
[0021] (8)、計(jì)算低分辨率的水汽吸收截面:
[0022] 第一次迭代計(jì)算時(shí)，將步驟（7)獲得的低分辨率水汽吸收光譜/H,0U)，步驟（1)中 用光譜儀測(cè)得的低分辨率背景光譜IJ λ )以及標(biāo)定出的低分辨率鏡片反射率曲線R( λ )， 步驟（2)獲得的低分辨率氮?dú)馊鹄⑸湎庀禂?shù)以及步驟5獲得的水汽絕對(duì)濃度 %2β帶入如下公式中：
[0023]
[0024] 通過(guò)公式計(jì)算出σΗ?〇(4。式中，d為光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度，后續(xù)迭代計(jì)算時(shí)，使用步 驟（9)獲得的水汽絕對(duì)濃度》'H:〇替代公式中的，其它參數(shù)不變；
[0025] (9)、計(jì)算吸收系數(shù)α ( λ ):擬合參考吸收截面到吸收系數(shù)α ( λ )，得到NO3的濃 度％^和水汽的濃度吸收系數(shù)α (λ)計(jì)算公式為：
[0026]
[0027] 將步驟⑴測(cè)量得到的以入入^入入標(biāo)定的以入丨以及步驟⑵得到的^^^} 帶入此式，計(jì)算得到吸收系數(shù)α (λ);以步驟（8)獲得的低分辨率水汽吸收截面和 低分辨率的ν〇3κ收截面σΝ￡%α)作為參考吸收截面，采用最小二乘法同時(shí)擬合這兩個(gè)參考 吸收截面到吸收系數(shù)α ( λ )，得到NO3的濃度和水汽的濃度<ι2〇 ;
[0028] (10)、判斷迭代是否結(jié)束：
[0029] 以步驟（9)擬合得到的水汽濃度》'_的擬合誤差為判斷條件，當(dāng)擬合誤差大于設(shè) 定值時(shí)，迭代繼續(xù)，轉(zhuǎn)到步驟（6)，重復(fù)進(jìn)行步驟（6)至步驟（9)的操作步驟，直至擬合誤差 小于設(shè)定值；若滿足迭代結(jié)束條件，退出迭代過(guò)程，操作步驟結(jié)束并輸出最終的NO 3濃度結(jié) 果。
[0030] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與有益效果在于：
[0031] (1)本發(fā)明采集每一條大氣吸收光譜時(shí)都記錄每條光譜所對(duì)應(yīng)的溫度和氣壓，然 后根據(jù)采集的溫度和氣壓實(shí)時(shí)計(jì)算水汽吸收截面，這樣得到的水汽吸收截面不論溫度和氣 壓如何變化，均能真實(shí)地與測(cè)量光譜中水汽的吸收結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，從而能有效地把水汽吸收 從測(cè)量光譜中扣除掉，大大提高了大氣~0 3的探測(cè)靈敏度。
[0032] (2)本發(fā)明在計(jì)算水汽吸收截面時(shí)不僅考慮到了光學(xué)諧振腔內(nèi)的溫度和壓力變化 因素，而且采用多次迭代計(jì)算方法，使初次計(jì)算得到的水汽吸收截面逐漸逼近真實(shí)的水汽 吸收截面，能最大限度地扣除掉水汽的吸收結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善了大氣~0 3的探測(cè)靈敏度。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1為本發(fā)明操作流程圖。
[0034] 圖2 (a)為具體實(shí)施例方法步驟中光譜儀測(cè)量得到的低分辨率背景光譜I。（ λ )曲 線圖。
[0035] 圖2(b)為具體實(shí)施例方法步驟中得到的高分辨率背景光譜/uHRU)曲線圖。
[0036] 圖2(c)為具體實(shí)施例方法步驟中標(biāo)定出的低分辨率鏡片反射率曲線R(X)曲線 圖。
[0037] 圖2(d)為具體實(shí)施例方法步驟中得到的高分辨率鏡片反射率曲線Rhr(A)曲線 圖。
[0038] 圖2(e)為具體實(shí)施例方法步驟中得到的低分辨率氮?dú)馊鹄⑸湎庀禂?shù)〇^y(i) 曲線圖。
[0039] 圖2(f)為具體實(shí)施例方法步驟中得到的高分辨率氮?dú)馊鹄⑸湎庀禂?shù) <"Raya)曲線圖。
[0040] 圖2(g)為具體實(shí)施例方法步驟中計(jì)算得到的高分辨率水汽吸收截面Wja)曲 線圖。
[0041] 圖2 (h)