基于非线性最小二乘法的多光谱拟合程序:应用于12CH4谱线参数分析

摘要

精确的甲烷分子实验光谱参数在大气科学和天文探测等领域有着广泛的应用,特别是谱线的展宽系数及其温度依赖系数对于甲烷分子浓度廓线的研究尤为重要.精密的实验测量是获得准确谱线参数的重要手段.采用实验测量获取谱线参数时,需要在已知实验条件(浓度,温度,总压力,吸收光程以及气体分子种类的混合比等)的情况下,多次扫描同一波段范围得到多组实验室吸收光谱,然后利用基于非线性最小二乘法的拟合程序处理这些光谱,反演获得所需要的光谱参数.然而,一般常用的单光谱拟合程序处理实验光谱既费时又容易引起拟合过程中的误差传递.针对此问题,采用最小二乘拟合技术和Levenberg-Marquardt迭代算法编写了一款适用于处理由可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)所获得的吸收光谱的多光谱拟合程序.该程序可同时处理多张实验光谱,并基于全局拟合方法获得一套光谱参数.详细介绍了该程序的原理、使用方法及数据处理过程.利用多光谱拟合程序中的Voigt线型处理了2958～2959 cm-1波数内甲烷(12CH4)分子6条跃迁谱线的实验光谱,获得了296.0,251.0,223.0,198.0和173.0 K共5组温度下12CH4分子6条谱线的空气展宽系数.与之前文献报道的该波段内采用单光谱拟合程序得到的相应数据对比结果表明:获得的各温度下的空气展宽系数与参考文献中相应数据差值的百分比处在-4.97％ ～1.58％ 之间,两者数据整体符合较好,并且在30组对比数据中,有4组由单光谱拟合程序得到的空气展宽系数的误差值小于由多光谱拟合程序得到的相应数值,有2组数据显示由两种方法获得的误差值相等,其余24组由多光谱拟合程序获得的数据拟合误差小于由单光谱拟合程序获得的相应数值,表明多光谱拟合程序具有良好的可靠性,适用于气体分子吸收光谱的处理.