[发明专利]一种通过扣除水汽干扰提高探测大气NO3灵敏度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及提高吸收光谱技术探测气体灵敏度方法领域，具体是一种通过扣除水汽干扰提高探测大气NO₃灵敏度的方法。

背景技术

NO₃是大气中一种重要的痕量气体，是对流层夜间化学的关键物种和氧化剂，监测大气NO₃浓度对大气化学研究至关重要。NO₃在大气中的体积混合比通常在几个pptv到几百个pptv范围内，这就要求大气NO₃测量技术与方法要有很高的探测灵敏度。对于吸收光谱测量技术来说，获得高探测灵敏度的直接方法就是获得长距离的吸收光程。作为众多吸收光谱测量技术其中的一种，非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)技术利用两块高反射率镜片组成光学谐振腔，在谐振腔的作用下，吸收光程可以达到数公里甚至数十公里，因此具有很高的探测灵敏度。对于大气NO₃测量来说，IBBCEAS技术的测量波段通常选择在中心点波长660nm附近、带宽约几十纳米这样一个波段内。在这样一个测量波段内，除了大气NO₃的吸收之外，大气中的水汽也存在很强的吸收，因此水汽成为IBBCEAS技术测量大气NO₃最大的干扰源，影响NO₃的探测灵敏度。水汽又不能通过干燥装置将其滤除，因为NO₃是自由基，具有很强的活性，NO₃通过干燥装置后基本上消失殆尽。因此只能从吸收光谱中扣除水汽的吸收干扰来提高探测灵敏度。现有的扣除水汽吸收干扰的方法就是将水汽的吸收截面与大气NO₃的吸收截面同时作为参考吸收截面参与光谱拟合，并且光谱只拟合一次就输出拟合结果。其中水汽吸收截面是固定不变的，它是通过特定气压和温度下的高分辨率水汽吸收线强与光谱仪仪器函数卷积后得到。当大气湿度很大、水汽含量很高时，在测量得到的吸收光谱中水汽的吸收结构占主导，此时若将一个固定的水汽吸收截面而非实际有效的水汽吸收截面作为参考吸收截面来参与光谱拟合，那么起主导作用的水汽吸收结构就很难从被测吸收光谱中被扣除，从而掩盖了大气NO₃的吸收结构，导致大气NO₃的探测灵敏度下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过扣除水汽干扰提高探测大气NO₃灵敏度的方法，以解决现有技术IBBCEAS技术测量大气NO₃中扣除水汽吸收干扰方法存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种通过扣除水汽干扰提高探测大气NO₃灵敏度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、测量背景光谱I₀(λ)、大气吸收光谱I(λ)，标定镜片反射率曲线R(λ)：

在光学谐振腔腔体内充入氮气，用光谱仪记录光学谐振腔输出的光谱信号，得到背景光谱I₀(λ)；将实际大气抽入到光学谐振腔腔体内，用光谱仪记录光学谐振腔输出的光谱信号，得到大气吸收光谱I(λ)。再将腔体内充入氦气，通过比较充入氮气和氦气时光谱信号的差异标定出镜片反射率曲线R(λ)；

(2)、计算氮气在测量波段内的瑞利散射消光系数

氮气瑞利散射消光系数等于氮气瑞利散射截面与氮气浓度的乘积；

(3)、计算高分辨率水汽吸收截面

首先利用HITRAN数据库，并结合光学谐振腔腔体内的实际温度，得到水汽的吸收线强，然后根据光学谐振腔腔体内气压和温度对吸收线强进行多普勒展宽和压力展宽计算得到高分辨率水汽吸收截面

(4)、利用数学插值方法，将步骤(1)获得的低分辨率背景光谱I₀(λ)、镜片反射率曲线R(λ)以及步骤(2)获得的低分辨率氮气瑞利散射消光系数转换成高分辨率的R^HR(λ)和

(5)、测量光学谐振腔腔体内的温度和相对湿度，并将相对湿度转换成水汽的绝对浓度

根据光学谐振腔腔体内的温度查找饱和水汽密度表，得到对应温度时饱和水汽密度，再将光学谐振腔腔体内的相对湿度乘以饱和水汽密度得到腔体内水汽密度，最后利用水汽相对分子质量、阿伏伽德罗常数、水汽密度和水汽绝对浓度之间的关系，将水汽密度转换成水汽的绝对浓度

(6)、计算高分辨率的水汽吸收光谱