[發明專利]一種差分吸收光譜測量中的光譜漂移修正方法

無效

• 申請號: 201110404621.2
• 申請日: 2011-12-08
• 公開（公告）號: CN102495014A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 朱堅磊;邵樂驥;徐雷;陳科;龔真;項震
• 申請（專利權）人: 杭州微蘭科技有限公司
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務所有限公司 33214
• 代理人: 王從友

技術領域

本發明涉及一種氣體組分的測定方法，尤其涉及采用DOAS測量氣體組分中差分吸收光譜測量中的光譜漂移修正方法。

背景技術

20世紀80年代，?Platt等將差分吸收光譜技術（DOAS）推廣應用于對流層大氣研究中。從此，DOAS技術得到了迅猛發展，諸多研究機構根據自己的研究特點，應用DOAS技術設計儀器。這些應用包括空氣污染監測、火山氣體分析大氣對流層，平流層氣體成分監測等。

到了80年代末，DOAS技術作為氣體檢測手段被廣泛認可，OPSIS公司確定了DOAS系統的基本結構，其他公司也紛紛推出自己的商業性DOAS系統，并且在結構、硬件、軟件算法上提出了很多改進思路。1990年，Axelson等首先采用卡塞格林望遠鏡結構簡化了裝置。1992年，John?M.C等采用光電二極管陣列(PDA)代替光電倍增管(PMT),快速采集光譜數據，并實現了測量的自動化。1995年，Theo?Brauers等改進了PDA探測器哦帶來的像元間差別對測量結果的影響。1996年，Stutz等對濃度反演方法進行改進，為了消除光譜平移、拉伸和壓縮對測量的影響，采用最小二乘與非線性的Levenberg-Marquardt方法，代替前人純線性的算法，提高了測量結果的準確性。2000年，Ahilleas等提出針對高精細光譜的濃度反演法。不同結構，不同探測器，不同算法的提出和應用推動了DOAS技術的發展。

目前，DOAS系統的研究主要集中在瑞典?(OPSIS?AB公司的OPSIS_DOAS系統)、德國?(Heidelberg?大學和Hoffmann公司開發的HMT?DOAS系統)、美國?(熱環境研究所的DOAS2000系統)、法國?(Environment?SA開發的DOAS系統)和俄羅斯?(Eridan-1科技中心開發的DOAS?4R)等國。

DOAS技術正是基于不同氣體對光有不同的吸收光譜，稱為氣體對光的“指紋”吸收特性，辨別不同的物質，測定他們的濃度。

在DOAS煙氣檢測儀中采用的光譜儀，是將光束通過狹縫，經過光柵分光，最終投射在PDA探測器上獲得所需的光譜。理論分析和實驗結果表明，分光光譜投射在PDA上的位置與光束的入射方向以及平行度有很大關系。對于相對位置不變的光路和光譜儀，由于所有的器件都是固定的，我們可以通過光譜定標來正確標定光譜儀的波長坐標。但是對于非固定光路，比如為了用同一套光譜儀測量多條光束的譜線，一組波長定標參數就不一定滿足各種光路情況下的光譜定標。因為無法得到絕對平行的入射光束。圖1示意該現象的產生過程。

對于較慢變化的光譜，該現象并不明顯，因為微弱的譜線漂移造成的鄰近的信號????????????????????????????????????????????????與的差別并不大，所產生的差分吸收譜線的計算誤差也相對較小，通常情況下可以忽略不計．比如我們所使用的氘燈，其信號譜線相當平緩，我們通過不同的光路測量了兩條原始燈譜和，分別對應兩只角反射器。其中為用內部反射鏡測得燈譜、為樣品池無吸收氣體時用樣品池端角反射器測得。理論上若兩條測量光路的光學器件材料相同的話，吸收特性應當一致，所以/也應該是一條水平線，其高度為兩條光路的透過率之比。實際比值譜線往往有一定的波動如圖2。由于譜線的相對偏移對測量的影響，與具體的波長值沒有什么關系，?因此圖中橫坐標均為實際PDA探測器的通道數，并非真實波長值。從圖中可以看到，吸收譜線在燈信號較強的時候基本是直線，當信號較弱的時候譜線微弱偏移的影響凸現出來，造成吸收譜線有較大的擾動。

而當我們采用發射光譜結構起伏較大的光源時(閃光氙燈)，相同的分析過程可以看到，對于幅度變化較大的光源，譜線漂移造成的影響非常顯著，以至于其產生的結構相對于真實的污染物來說已不可忽視，如果不加處理，使得污染氣體的多元線性組合模型不能正確地描述DOAS吸收光譜。從而造成污染氣體濃度值回歸的結果與實際的濃度值存在很大的誤差。甚至于當譜線偏移產生的結構和某種氣體標準吸收截面類似的時候，會產生完全錯誤的結果。

中國發明專利申請（申請號：2011103727620，申請日：2011-11-22）公開了基于差分吸收光譜的氣體組分濃度反演算測定方法，該方法在實際測量中利用最小二乘擬和反演濃度的前提是得到所有吸收氣體的差分吸收截面，但氣體吸收截面往往隨溫度，壓強變化影響很大也相當復雜。不同氣體都有各自特點，造成光譜的拉伸壓縮也不同，修正相當繁瑣。另外，實際測得的吸收光譜由于光路對準等原因往往會產生譜線的漂移，這給反演算法帶來的誤差是致命的。