[发明专利]基于差分吸收光谱的气体组分浓度反演算测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种吸收谱线有重叠的气体组分浓度的测定方法。

背景技术

20世纪80年代， Platt等将差分吸收光谱技术（DOAS）推广应用于对流层大气研究中。从此，DOAS技术得到了迅猛发展，诸多研究机构根据自己的研究特点，应用DOAS技术设计仪器。这些应用包括空气污染监测、火山气体分析大气对流层，平流层气体成分监测等。

到了80年代末，DOAS技术作为气体检测手段被广泛认可，OPSIS公司确定了DOAS系统的基本结构，其他公司也纷纷推出自己的商业性DOAS系统，并且在结构、硬件、软件算法上提出了很多改进思路。1990年，Axelson等首先采用卡塞格林望远镜结构简化了装置。1992年，John M.C等采用光电二极管阵列(PDA)代替光电倍增管(PMT),快速采集光谱数据，并实现了测量的自动化。1995年，Theo Brauers等改进了PDA探测器哦带来的像元间差别对测量结果的影响。1996年，Stutz等对浓度反演方法进行改进，为了消除光谱平移、拉伸和压缩对测量的影响，采用最小二乘与非线性的Levenberg-Marquardt方法，代替前人纯线性的算法，提高了测量结果的准确性。2000年，Ahilleas等提出针对高精细光谱的浓度反演法。不同结构，不同探测器，不同算法的提出和应用推动了DOAS技术的发展。

目前，DOAS系统的研究主要集中在瑞典 (OPSIS AB公司的OPSIS_DOAS系统)、德国 (Heidelberg 大学和Hoffmann公司开发的HMT DOAS系统)、美国 (热环境研究所的DOAS2000系统)、法国 (Environment SA开发的DOAS系统)和俄罗斯 (Eridan-1科技中心开发的DOAS 4R)等国。

DOAS技术正是基于不同气体对光有不同的吸收光谱，称为气体对光的“指纹”吸收特性，辨别不同的物质，测定他们的浓度。

在大气研究中，如图1所示，光源发出的光束                                                经过一定光程的衰减，原则上可以有得出衰减后的光强，但在实际测量中式忽略了很多其他消光因素的存在，包括气体分子的瑞利散射（），气溶胶米氏散射（）和大气扰动等因素，采用修正的朗伯-比尔定律写为：

其中：表示由瑞利散射引起的消光：入射光在线度小于光波长的微粒上散射后散射光出和入射光波长相同光，在大气中主要是由于空气分子的散射，光被散射出光路无法被接收到。瑞利散射带来的“吸收”截面可由下式表示：

C表示空气分子浓度，δ₀≈4.4×10^-16cm²·nm⁴。

表示由米氏散射引起的消光：当入射光遇到直径与入射光波长相当的微粒时发生的散射，主要是空气中大量存在的气溶胶粒子，烟尘等引起的。米氏散射可表示为：

和分别是第种气体的吸收截面和浓度。

一个原始的烟气吸收光谱不仅包含了污染气体的吸收光谱，也包含了其消光因素信息，而且当光经过一定光程的烟道气体时，由瑞利散射和米氏散射引起的光强衰减往往大于分子吸收。这些都在原理上阻碍了应用朗伯-比尔定律直接测量烟气浓度。为了得到各种气体的浓度需要把各种衰减因子分离开来。DOAS技术的一个基本思想就是把气体的吸收截面分为两部分：

其中：代表吸收截面随波长缓慢变化部分称为宽带光谱，代表吸收截面随波长迅速变化部分称为窄带光谱。而大气衰减中瑞利散射，米氏散射和大气扰动都是随波长缓慢变化的，这两部分的分离可以通过一定的数学处理实现，利用不含瑞利散射和米氏散射信息的窄带部分推算吸收物质浓度。令：

则有

其中：中包含了吸收光谱所有随波长慢变化成分，包含了随波长快变化的成分。这一分离可以用一定的数字滤波或者多项式拟和实现（如图2）。

从而有：

对于此消除了烟尘，油污等因素影响的吸收公式再分析其中气体成分和含量就容易多了。

本发明目的是要对烟道中二氧化硫气体含量的监测，因此需要对二氧化硫吸收光谱进行测量，NO作为在紫外波段可能影响SO₂吸收的主要烟道气体，其吸收截面光谱也需要被测量。