大气痕量气体监测的差分吸收光谱技术理论与应用研究

摘要

随着大气环境污染的日益严重,人们对环境质量的要求和理解不断提高,以差分吸收光谱技术(DOAS)为代表的新兴光谱遥感监测技术,由于其大范围、连续、实时监测的方式,正在成为大气污染监测的理想工具.基于DOAS在大气污染监测上的优越性和中国的国情,我国应重点发展DOAS大气污染连续监测系统.该研究从DOAS理论分析着手,通过对DOAS两个关键问题的深入分析提出了相应的数学处理方法;与传统点监测技术进行比较,论文阐述了DOAS的优缺点及其广泛的应用前景.对决定DOAS测量精度的被测气体吸收光谱方面的诸多问题作者进行了深入研究.首次提出了利用温度的二次方程来校正温度对吸收截面的影响、利用洛仑兹函数与低气压纯气体吸收截面的卷积来校正压强对吸收截面的影响:设计了一套操作方便、测量准确,既能满足气体也能满足蒸气态物质测量的吸收截面测量系统;通过对多种气体吸收光谱的测量以及查阅大量的数据库,建立了较为完善的大气痕量气体吸收光谱数据库.作者也对DOAS系统设计中关键参数的设计进行了理论分析;设计完成了能够满足中国目前空气质量监测要求的新型的DOAS系统,它可同时探测包括NO<,2>、SO<,2>、O<,3>、NO<,3>、CS<,2>、HONO、CH<,2>O、OClO、ClO在内的多种气体,并且自动化程度高,成本低,能适应在中国广泛推广的要求;针对现有的光~机械扫描系统的不足,对其进行了改进,使得探测系统更加准确;将传输光纤的出口排列成线性,可作为光谱仪的狭缝,简化了光谱仪的设计.在对DOAS测量过程分析的基础上,完成了DOAS数据处理系统软件的开发;建立了利用残留光谱的标准偏差评估DOAS系统测量误差的评估标准;对影响残留光谱的各种因素进行了实验分析;根据实验结果对DOAS探测方法做了改进.研究及实验结果展示了DOAS在中国广泛的应用前景,该文的研究成果为该方法在中国的成功应用提供了理论和实验基础,为改变或部分改变中国目前大气污染监测的落后现状提供了技术支持.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1环境监测技术的意义和目的

1.2大气的组成及主要气态污染物

1.3大气污染的传统监测技术概述

1.4理想大气监测技术的要求

1.5光谱遥感监测技术

1.6我国环境空气质量监测现状

1.7本课题的目的和意义

1.8本论文的主要内容与创新点

第二章长光程差分吸收光谱技术的原理及应用

2.1长光程差分吸收光谱技术(DOAS)原理

2.2 DOAS可利用的光谱区间及可探测的物质

2.3差分吸收光谱技术理论分析

2.4 DOAS的应用

2.5本章小结

第三章大气痕量气体的紫外—可见吸收光谱的测量

3.1分子吸收光谱概述

3.2紫外——可见吸收光谱的测量

3.3 200-500nm区间SO2和NOx吸收截面的测量

3.4温度、压强对吸收截面的影响及校正

3.5测量SO2和NO2最佳波长区间的选择

3.6与SO2和NO2测量相关的其他物质的吸收截面

3.7气体的差分吸收截面

3.8本章小结

第四章DOAS系统设计

4.1 DOAS系统结构

4.2 DOAS系统设计中关键参数的设计与分析

4.3设计纲要

4.4分析系统的设计

4.5形成光程的光学系统的设计

4.6系统探测极限的确定

4.7干扰气体的探测极限

4.8 DOAS系统与干法点式系统的比较

4.9本章小结

第五章实验数据处理及分析

5.1 DOAS系统测量过程分析

5.2 DOAS数据处理过程

5.3 DOAS测量误差的评估

5.4影响残留光谱的因素

5.5 DOAS计算方法探讨

5.6结论

5.7本章小结

第六章结论

6.1本课题完成的主要研究内容和结论

6.2本课题完成的创造性工作

6.3进一步的研究方向

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢