差分吸收监测气体成分的研究
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摘要
大气污染破坏生态系统对人体健康造成极大的危害。为了防治大气污染，首先要对各种污染气体进行监测。本论文研究了在一段距离内，对大气中的有毒气体进行空气质量连续监测的实时在线监测，它的测量范围可从数百米到数公里，可以反映一个区域的平均污染程度，不需要多点取样，监测结果比单点监测更具代表性。重点对差分吸收光谱技术(DOAS)用于监测污染气体进行研究。详细分析了差分吸收方法，并进行了数值模拟计算分析，并且参考大量权威机关安徽光机所的实验流程，在拟合反演算法应用了混合最小二乘法，利用该方法能简化反演算法的计算过程，并且得到的浓度反演数值和结果相符合。说明该方法有很高的精度，是可行的。
Air pollution destroys ecological condition and does great harm to human beings. To prevent air pollution, monitoring of polluted gases' concentrations is needed to be done firstly. Our research emphasizes on how to utilize the technique of differential optical absorption spectroscopy (DOAS) in the system. The results show that it has a relatively high accuracy. The method has been applied to monitor the seasonal variation of the column amounts of the pollution air. We evaluated the system by experiments. We established an experimental setting for the evaluation. The reproducibility, accuracy and linearity of the system were detected on the setting by testing standard gases with known compared with another instrument of the same kind. It showed that the test results of our system were close to those of international advanced instrument of the same kind. At last, we discussed how the error was produced and how to eliminate it.
Air pollution destroys ecological condition and does great harm to human beings. To prevent air pollution, monitoring of polluted gases' concentrations is needed to be done firstly. Our research emphasizes on how to utilize the technique of differential optical absorption spectroscopy (DOAS) in the system. The results show that it has a relatively high accuracy. The method has been applied to monitor the seasonal variation of the column amounts of the pollution air. We evaluated the system by experiments. We established an experimental setting for the evaluation. The reproducibility, accuracy and linearity of the system were detected on the setting by testing standard gases with known compared with another instrument of the same kind. It showed that the test results of our system were close to those of international advanced instrument of the same kind. At last, we discussed how the error was produced and how to eliminate it.
引文
1．谢品华、刘文清等，差分光学吸收光谱(DOAS)技术在烟气SO2监测中的应用，《光子学报》，Vol．29(3)，2000。
2．周斌、刘文清等，空气中NO2浓度的太阳光谱法测量研究，《量子电子学报》，Vol．17(2)2000。
3．周斌、刘文清等，以太阳为光源测量大气污染物研究中精确跟踪太阳的方法，《光子学报》，Vol．29(11)，2000。
4．周斌、刘文清等，用太阳光谱测量空气中NO2浓度的方法研究，《物理学报》，Vol．49(12)2000。
5．周斌、刘文清等，差分吸收光谱仪测量上下限的确定，《应用光学》，Vol．22(5)，2001。
6．张玉钧、刘文清等，β射线自动监测大气中PM10含量的设计方案，《光子学报》，Vol．30(3)，2001。
7．刘建国、刘文清等，环境监测技术及其发展方向，《光电子技术与信息》，Vol．14(2)，2001。
8．郑朝晖、刘文清等，烟道SO2含量在线监测仪的研制，《自动化与仪表》，第5期2001。
9．周斌、刘文清等，差分光学吸收光谱法测量大气污染气体的研究，《环境科学研究》，Vol．14(5)2001。
10．周斌、刘文清等，差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法的研究，《物理学报》，Vol．50(9)2001。
11．崔延军、刘文清、周斌等，“苯和甲苯差分吸收光谱方法的实验室测量研究”量子电子学报，Vol．20，No．3，2003。
12．郑朝晖、张玉钧、周斌等，“旋转光栅式光谱仪的研制与应用”，光子学报，Vol．29，No．2，2000。
13．张玉钧、刘文清、周斌等．“大气中可吸入粉尘(PM10)β射线法测量的理论与数据处理”，量子电子学报，Vol．18，No．1，2001。
14．张玉钧、刘文清、周斌等，“激光雷达高精度跟踪运动目标的方法研究”，量子电子学报，Vol．18，No．5，2001。
15．周斌、刘文清、张玉钧等，“以太阳为光源测量大气污染物研究中精确跟踪太阳的方法”，光子学报，Vol．29，No．11，2000。
16．徐莹，赵建林，向强等．无透镜傅里叶变换全息图数值再现中的图像处理[J]．光学学报，2004，24 11：1503～1506。
17．杨维，明宗峰，宋国乡等．一族分段n次小波阈值参数滤波器函数[J]．华南理工大学学报，2005，33 8：54～5。
18．齐锋，刘文清，周斌等．利用人工神经网络方法提高差分吸收光谱系统测量精度研究[J]．光学学报，2002，22 11：1345～50。
19. Zhou Jun, Yue Guming, Jin Chuanjia et al.. Two-wavelength mie lidar for monitoring of tropospheric aerosol. Acta Optica Sinica (光学学报), 2000, 20(10):1412～1417 (in Chinese) .
20. Ai Yong, Zhang Xunjie, Lu Suet al.. Characteristics of the solidum layers observed by the laser radar in Wuhan. Chin. J. Lasers (中国激光), 1998, 25(7):654～657β(in Chinese) .
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23. Mégie G J, Ancellet G, Pelon J. Lidar measurements of ozone vertical profiles. Appl. Opt., 1985, 24(21):3454～3463 .
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25. Hu Huanling, Wang Zhien, Wu Yonghua et al.. An UV-DIAL system for measurements of stratospheric ozone. Chin. Atmospheric Science, 1998, 22(3): 293～301.
26. Zheng Yi, Yao Jianquan, Zhu Shaoming et al.. Sttimulated Raman scattering in oxygen or oxygen-helium mixing gas pumped by a Q-switch frequency doubled Nd '. YAG laser. Acta Optica Sinica (光学学报), 1995, 15(11): 1594-1597 (in Chinese) .
27. Grant W B, Browell E V, Higdon N S et al.. Raman shifting of KrF laser radiation for tropospheric ozone measurements. Appl. Opt., 1991, 30(18) :2628～2633 .
28. Uchino O, Tabata I. Mobile lidar for simultaneous measurements of ozone, aerosol, and temperature in the stratosphere. Appl. Opt., 1991, 30(15) :2005～2012 .
29. U. Platt , D. Perner , H. W. Ptz. Simultaneous measurements absorption [J ]. 1979 , 84 10 : 6329～6335Geophys. Res.
30. Platt U , Perner D. Direct measurements of atmospheric CH O , 1980 , 85 12 : 7453～ 7458Geophys. Res.
31. Jochen Stutz , Ulrich Platt. Numerical analysis and estimation of the statistical error of differential optical absorption spectroscopymeasurement with least2squares methods[J]. 1996 .
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25. Hu Huanling, Wang Zhien, Wu Yonghua et al.. An UV-DIAL system for measurements of stratospheric ozone. Chin. Atmospheric Science, 1998, 22(3): 293～301.
26. Zheng Yi, Yao Jianquan, Zhu Shaoming et al.. Sttimulated Raman scattering in oxygen or oxygen-helium mixing gas pumped by a Q-switch frequency doubled Nd '. YAG laser. Acta Optica Sinica (光学学报), 1995, 15(11): 1594-1597 (in Chinese) .
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