[發明專利]一種通過扣除水汽干擾提高探測大氣NO3靈敏度的方法

在審

• 申請號: 201510568105.1
• 申請日: 2015-09-08
• 公開（公告）號: CN105158183A
• 公開（公告）日: 2015-12-16
• 發明（設計）人: 凌六一;黃友銳;韋穎;陳珍萍;邢麗坤;徐善永;唐超禮;韓濤
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及提高吸收光譜技術探測氣體靈敏度方法領域，具體是一種通過扣除水汽干擾提高探測大氣NO₃靈敏度的方法。

背景技術

NO₃是大氣中一種重要的痕量氣體，是對流層夜間化學的關鍵物種和氧化劑，監測大氣NO₃濃度對大氣化學研究至關重要。NO₃在大氣中的體積混合比通常在幾個pptv到幾百個pptv范圍內，這就要求大氣NO₃測量技術與方法要有很高的探測靈敏度。對于吸收光譜測量技術來說，獲得高探測靈敏度的直接方法就是獲得長距離的吸收光程。作為眾多吸收光譜測量技術其中的一種，非相干寬帶腔增強吸收光譜(IBBCEAS)技術利用兩塊高反射率鏡片組成光學諧振腔，在諧振腔的作用下，吸收光程可以達到數公里甚至數十公里，因此具有很高的探測靈敏度。對于大氣NO₃測量來說，IBBCEAS技術的測量波段通常選擇在中心點波長660nm附近、帶寬約幾十納米這樣一個波段內。在這樣一個測量波段內，除了大氣NO₃的吸收之外，大氣中的水汽也存在很強的吸收，因此水汽成為IBBCEAS技術測量大氣NO₃最大的干擾源，影響NO₃的探測靈敏度。水汽又不能通過干燥裝置將其濾除，因為NO₃是自由基，具有很強的活性，NO₃通過干燥裝置后基本上消失殆盡。因此只能從吸收光譜中扣除水汽的吸收干擾來提高探測靈敏度。現有的扣除水汽吸收干擾的方法就是將水汽的吸收截面與大氣NO₃的吸收截面同時作為參考吸收截面參與光譜擬合，并且光譜只擬合一次就輸出擬合結果。其中水汽吸收截面是固定不變的，它是通過特定氣壓和溫度下的高分辨率水汽吸收線強與光譜儀儀器函數卷積后得到。當大氣濕度很大、水汽含量很高時，在測量得到的吸收光譜中水汽的吸收結構占主導，此時若將一個固定的水汽吸收截面而非實際有效的水汽吸收截面作為參考吸收截面來參與光譜擬合，那么起主導作用的水汽吸收結構就很難從被測吸收光譜中被扣除，從而掩蓋了大氣NO₃的吸收結構，導致大氣NO₃的探測靈敏度下降。

發明內容

本發明的目的是提供一種通過扣除水汽干擾提高探測大氣NO₃靈敏度的方法，以解決現有技術IBBCEAS技術測量大氣NO₃中扣除水汽吸收干擾方法存在的問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種通過扣除水汽干擾提高探測大氣NO₃靈敏度的方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)、測量背景光譜I₀(λ)、大氣吸收光譜I(λ)，標定鏡片反射率曲線R(λ)：

在光學諧振腔腔體內充入氮氣，用光譜儀記錄光學諧振腔輸出的光譜信號，得到背景光譜I₀(λ)；將實際大氣抽入到光學諧振腔腔體內，用光譜儀記錄光學諧振腔輸出的光譜信號，得到大氣吸收光譜I(λ)。再將腔體內充入氦氣，通過比較充入氮氣和氦氣時光譜信號的差異標定出鏡片反射率曲線R(λ)；

(2)、計算氮氣在測量波段內的瑞利散射消光系數

氮氣瑞利散射消光系數等于氮氣瑞利散射截面與氮氣濃度的乘積；

(3)、計算高分辨率水汽吸收截面

首先利用HITRAN數據庫，并結合光學諧振腔腔體內的實際溫度，得到水汽的吸收線強，然后根據光學諧振腔腔體內氣壓和溫度對吸收線強進行多普勒展寬和壓力展寬計算得到高分辨率水汽吸收截面

(4)、利用數學插值方法，將步驟(1)獲得的低分辨率背景光譜I₀(λ)、鏡片反射率曲線R(λ)以及步驟(2)獲得的低分辨率氮氣瑞利散射消光系數轉換成高分辨率的R^HR(λ)和

(5)、測量光學諧振腔腔體內的溫度和相對濕度，并將相對濕度轉換成水汽的絕對濃度

根據光學諧振腔腔體內的溫度查找飽和水汽密度表，得到對應溫度時飽和水汽密度，再將光學諧振腔腔體內的相對濕度乘以飽和水汽密度得到腔體內水汽密度，最后利用水汽相對分子質量、阿伏伽德羅常數、水汽密度和水汽絕對濃度之間的關系，將水汽密度轉換成水汽的絕對濃度

(6)、計算高分辨率的水汽吸收光譜