[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

摘要

本发明公开了一种通过扣除水汽干扰提高探测大气NO₃灵敏度的方法，包括以下步骤：测量光谱，标定镜片反射率；计算氮气瑞利散射消光；计算高分辨率水汽吸收截面；将测量光谱、镜片反射率和氮气瑞利散射消光高分辨率化；测量腔内水汽浓度；计算高分辨率的水汽吸收光谱；计算低分辨率的水汽吸收光谱；计算低分辨率的水汽吸收截面；光谱拟合；判断迭代是否结束。本发明根据IBBCEAS光学谐振腔内的压力和温度实时计算水汽吸收截面，并采用迭代计算的方法逐次逼近真实的水汽吸收截面，从而在后续光谱反演中能将水汽吸收结构从吸收光谱中有效扣除掉。与现有方法相比，本发明大大提高了IBBCEAS技术探测大气NO₃的灵敏度。

主权项

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第一次迭代计算时，将步骤(3)获得的高分辨率水汽吸收截面步骤(4)获得的高分辨率R^HR(λ)和以及步骤(5)获得的水汽绝对浓度带入如下公式中：${\mathrm{\σ}}_{H_{2}O}^{HR}\left(\mathrm{\λ}\right)\·n_{H_{2}O}=\[\frac{1-R^{HR}\left(\mathrm{\λ}\right)}{d}+{\mathrm{\α}}_{N_2}^{HR,Ray}\left(\mathrm{\λ}\right)\]\·\[\frac{I_0^{HR}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_{H_{2}O}^{HR}\left(\mathrm{\λ}\right)}-1\],$通过公式计算出式中，d为光学谐振腔的长度，后续迭代计算时，使用步骤(9)获得的水汽绝对浓度替代公式中的其它参数不变；(7)、计算低分辨率的水汽吸收光谱将步骤(6)获得的高分辨率水汽吸收光谱与步骤(1)中所用的光谱仪仪器函数进行卷积运算，得到低分辨率的水汽吸收光谱(8)、计算低分辨率的水汽吸收截面第一次迭代计算时，将步骤(7)获得的低分辨率水汽吸收光谱步骤(1)中用光谱仪测得的低分辨率背景光谱I₀(λ)以及标定出的低分辨率镜片反射率曲线R(λ)，步骤(2)获得的低分辨率氮气瑞利散射消光系数以及步骤5获得的水汽绝对浓度带入如下公式中：${\mathrm{\σ}}_{H_{2}O}\left(\mathrm{\λ}\right)\·n_{H_{2}O}=\[\frac{1-R\left(\mathrm{\λ}\right)}{d}+{\mathrm{\α}}_{N_2}^{Ray}\left(\mathrm{\λ}\right)\]\·\[\frac{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_{H_{2}O}\left(\mathrm{\λ}\right)}-1\],$通过公式计算出式中，d为光学谐振腔的长度，后续迭代计算时，使用步骤(9)获得的水汽绝对浓度替代公式中的其它参数不变；(9)、计算吸收系数α(λ)：拟合参考吸收截面到吸收系数α(λ)，得到NO₃的浓度和水汽的浓度吸收系数α(λ)计算公式为：$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)={\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{NO}}_3}\left(\mathrm{\λ}\right)\·n_{{\mathrm{NO}}_3}+{\mathrm{\σ}}_{H_{2}O}\left(\mathrm{\λ}\right)\·n_{H_{2}O}^{\′}=\[\frac{1-R\left(\mathrm{\λ}\right)}{d}+{\mathrm{\α}}_{N_2}^{Ray}\left(\mathrm{\λ}\right)\]\·\[\frac{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}{I\left(\mathrm{\λ}\right)}-1\],$将步骤(1)测量得到的I₀(λ)、I(λ)、标定的R(λ)以及步骤(2)得到的带入此式，计算得到吸收系数α(λ)；以步骤(8)获得的低分辨率水汽吸收截面和低分辨率的NO₃吸收截面作为参考吸收截面，采用最小二乘法同时拟合这两个参考吸收截面到吸收系数α(λ)，得到NO₃的浓度和水汽的浓度(10)、判断迭代是否结束：以步骤(9)拟合得到的水汽浓度的拟合误差为判断条件，当拟合误差大于设定值时，迭代继续，转到步骤(6)，重复进行步骤(6)至步骤(9)的操作步骤，直至拟合误差小于设定值；若满足迭代结束条件，退出迭代过程，操作步骤结束并输出最终的NO₃浓度结果。