一种氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统及方法

摘要

本发明公开了一种氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统及方法。测量系统主要采用光源、高分辨率傅里叶变换红外(FTIR)干涉仪、气体样品池、滤光片、探测器和计算机。本发明根据高分辨率FTIR干涉仪和探测器测量的固定温度和压强的氨气标准气体的高分辨率中红外光谱来得到氨气分子吸收线参数。

说明书

技术领域

本发明涉及环境遥感监测、气体吸收谱线的分子线参数光学检测技术与方法领域，具体为一种氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统及方法。

背景技术

由于农业肥料挥发、畜牧业禽畜排泄物、生物质燃烧、机动车排放、工业生产和其他人为活动的排放，近年来我国大气中氨气(NH

近年来基于红外光谱技术的地基遥感成为监测大气氨气浓度和垂直廓线的高精度技术。在地基红外遥感反演中，反演气体浓度垂直廓线一般是基于分子吸收线参数数据库(例如HITRAN数据库)进行光谱吸收线拟合，通过不断更新反演参数，使得拟合光谱和观测光谱残差最小，以此获得不同高度的浓度信息。因此大气氨气廓线的反演准确度依赖分子线参数的准确性。然而HITRAN数据库中在中红外波段氨气分子吸收线强的不确定度约为20％，展宽系数的不确定度为10％，分子线参数大的不确定性影响了气体廓线反演的准确度。因此，为了准确反演大气不同高度的氨气浓度，需要研究不同压强和温度下的氨气分子线参数，尤其要建立准确的分子吸收线线型。

在地基遥感对实际测量光谱进行分析拟合过程中，光谱的吸收线型将直接影响光谱拟合的结果，而光谱的吸收线型随着气体压强和温度的改变而变化，因而在实际大气的压强范围内，不同展宽物理机制及其耦合产生了复杂的光谱吸收线型。研究发现，多种气体分子如二氧化碳(CO

测量分子吸收线参数常用的红外光谱技术是傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术、调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和腔衰荡光谱(CRDS)技术等。现有的红外光谱分子吸收线探测系统通常存在光谱分辨率不高、系统噪声大的问题，因此，需要建立高分辨率的红外光谱探测系统和光谱拟合方法来研究红外波段的氨气分子吸收线参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统及方法，弥补大气痕量气体吸收线参数传统测量技术手段的不足，能够实现对氨气吸收线参数的高精度、高准确性的测量，能够实现复杂的分子吸收线型模型在不同大气压力下的适用性研究。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统，包括中红外光源1、聚焦抛物面镜a2、光阑3、准直抛物面镜4、平面镜a5、高分辨率FTIR干涉仪6、平面镜b7、聚焦抛物面镜b8、气体样品池9、滤光片10、碲镉汞(MCT)探测器11、进气口12、气体质量流量控制计13、抽气泵14、水冷却系统15、液氮罐16、密封箱17、真空泵18和计算机19；所述光源1提供中红外波段的光；所述聚焦抛物面镜a2把光源1发出的光束进行聚焦；所述光阑3用于控制进入测量系统的光通量，防止碲镉汞(MCT)探测器11饱和；所述准直抛物面镜4把光阑3出射的发散光变成平行光；所述平面镜a5把准直抛物面镜4反射的平行光反射到高分辨率FTIR干涉仪6内；所述高分辨率FTIR干涉仪6把入射的平行光变成相干的平行光出射；所述平面镜b7把高分辨率FTIR干涉仪6出射的平行光反射到聚焦抛物面镜b8；所述聚焦抛物面镜b8是把FTIR干涉仪6出射的平行光聚焦到气体样品池9；所述滤光片10使通过气体样品池9后的中红外波段的光达到碲镉汞(MCT)探测器11；所述碲镉汞(MCT)探测器11响应中红外波段的光，生成干涉信号；气体样品池9由进气口12通入干燥氮气或氨气标准气体，气体样品池9的出气口连接一个气体质量流量控制计13和抽气泵14，抽气泵14抽取气体到气体样品池9，气体质量流量控制计13用于控制气体流量；所述水冷却系统15用于对中红外光源1进行冷却降温；所述液氮罐16中的液氮用于对碲镉汞(MCT)探测器11进行制冷，降低探测器噪声；中红外光源1、聚焦抛物面镜a2、光阑3、准直抛物面镜4、平面镜a5、高分辨率FTIR干涉仪6、平面镜b7、聚焦抛物面镜b8、气体样品池9、滤光片10和碲镉汞(MCT)探测器11共同置于密封箱17内；所述真空泵18置于密封箱17附近，用于抽取密封箱17内气体使之处于近真空状态(气压小于100Pa)，避免密封箱17内气体对测量的干扰；所述进气口12传输的气体在气体质量流量控制计13和抽气泵14的作用下通过气体传输气路进入气体样品池9，由碲镉汞(MCT)探测器11采集FTIR干涉仪6出射的相干光束通过气体样品池9后的红外干涉图；所述光阑3、高分辨率FTIR干涉仪6和真空泵18均由所述计算机19控制，将碲镉汞探测器11采集的干涉图输入计算机19中，通过快速傅里叶变换算法获得光谱图，并通过计算机(19)对获得的光谱图分析获得氨气的分子线参数。

所述光源1是中红外光源，波长覆盖范围为350-8000cm

所述的光阑3是由0.5mm、1.0mm、1.5mm、1.7mm和2.0mm孔径大小的一组固定孔径的光阑安装在转动轮上的光阑组。实际测量中根据碲镉汞探测器11的信号强弱选择合适的光阑。

所述高分辨率FTIR干涉仪6的光谱分辨率为0.005cm

所述气体样品池9为多次反射样品池，池壁为不锈钢，内部电抛光并镀金，样品池基底长度为20cm，光程长为72m。

所述进气口12、气体样品池9、气体质量流量控制计13和抽气泵14之间的气路管道是不锈钢，内部电抛光并镀金。

所述气体质量流量控制计13控制气体流量的流速范围为0.5-1.5Lmin

所述的抽气泵14的流速为3Lmin

所述的滤光片10为窄带滤光片，透过光的波长范围为500-1500cm

所述的碲镉汞(MCT)探测器11的波长响应范围为600-10000cm

所述密封箱17为有机玻璃，真空泵18通过密封箱17的抽气口对密封箱17抽真空。

一种氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量方法，步骤为：首先用真空泵18把密封箱17内的压强抽至100Pa以下，接着用抽气泵14将气体样品池9抽成固定的低压(低于1000Pa)，然后向气体样品池9抽入高纯氮气(体积百分比为99.999％)，待气体样品池9内高纯氮气保持在恒定压强和恒定温度后(压力范围为0.6kPa到100kPa，温度范围为20℃到25℃)10分钟，利用高分辨率FTIR干涉仪6和碲镉汞(MCT)探测器11采集高纯氮气的干涉图作为背景干涉图；当采集完背景干涉图后，将气体样品池9抽成固定的低压(低于1000Pa)，然后向气体样品池9中充入NH

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明可以实现高精度、高准确性测量氨气分子吸收线参数。

(2)本发明可以实现分子不同吸收线型模型在0.9kPa到90kPa之间不同大气压力下的适用性研究。

附图说明

图1为本发明氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统结构原理图。

注：图中实线代表光路，虚线代表数据线，点线代表气体传输气路，虚点线代表冷却水或液氮传输管路。

图中，1中红外光源、2聚焦抛物面镜a、3光阑、4准直抛物面镜、5平面镜a、6高分辨率FTIR干涉仪、7平面镜b、8聚焦抛物面镜b、9气体样品池、10滤光片、11碲镉汞(MCT)探测器、12进气口、13质量流量控制计、14抽气泵、15水冷却系统、16液氮罐、17密封箱、18真空泵、19计算机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

如图1所示，本发明的氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统，包括中红外光源1、聚焦抛物面镜a2、光阑3、准直抛物面镜4、平面镜a5、高分辨率FTIR干涉仪6、平面镜b7、聚焦抛物面镜b8、气体样品池9、滤光片10、碲镉汞(MCT)探测器11、进气口12、气体质量流量控制计13、抽气泵14、水冷却系统15、液氮罐16、密封箱17、真空泵18和计算机19；光源1提供中红外波段的光；聚焦抛物面镜a2把光源1发出的光束进行聚焦；光阑3用于控制进入测量系统的光通量，防止碲镉汞(MCT)探测器11饱和；准直抛物面镜4把光阑3出射的发散光变成平行光；所述平面镜a5把准直抛物面镜4反射的平行光反射到高分辨率FTIR干涉仪6内；所述高分辨率FTIR干涉仪6把入射的平行光变成相干的平行光出射；平面镜b7把高分辨率FTIR干涉仪6出射的平行光反射到聚焦抛物面镜b8；聚焦抛物面镜b8把FTIR干涉仪6出射的平行光聚焦到气体样品池9；滤光片10使通过气体样品池9后的特定中红外波段的光达到碲镉汞(MCT)探测器11；碲镉汞(MCT)探测器11响应中红外波段的光，生成干涉信号；气体样品池9由进气口12通入干燥氮气或氨气标准气体，气体样品池9的出气口连接一个气体质量流量控制计13和抽气泵14，抽气泵14抽取气体到气体样品池9，气体质量流量控制计13用于控制气体流量；水冷却系统15用于对中红外光源1进行冷却降温；液氮罐16中的液氮用于对碲镉汞探测器11进行制冷，降低探测器噪声；中红外光源1、聚焦抛物面镜a2、光阑3、准直抛物面镜4、平面镜a5、高分辨率FTIR干涉仪6、平面镜b7、聚焦抛物面镜b8、气体样品池9、滤光片10和碲镉汞(MCT)探测器11共同置于密封箱17内；真空泵18置于密封箱17附近，用于抽取密封箱17内气体使之处于近真空状态(气压小于100Pa)；进气口12传输的气体在气体质量流量控制计13和抽气泵14的作用下通过气体传输气路进入气体样品池9，由碲镉汞(MCT)探测器11采集FTIR干涉仪6出射的相干光束通过气体样品池9后的红外干涉图；光阑3、高分辨率FTIR干涉仪6和真空泵18均由所述计算机19控制，将碲镉汞(MCT)探测器11采集的干涉图输入计算机19中，通过快速傅里叶变换算法获得光谱图，并通过计算机19对获得的光谱图分析获得氨气的分子线参数。

本具体实施方式中，所述光源1是中红外光源，波长覆盖范围为350-8000cm

本发明的氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统在使用时，首先用真空泵18把密封箱17内的压强抽至100Pa以下，接着用抽气泵14将气体样品池9抽成固定的低压(低于1000Pa)，然后向气体样品池9抽入高纯氮气(体积百分比为99.999％)，待气体样品池9内高纯氮气保持在恒定压强和恒定温度(压强范围为0.6kPa到100kPa，温度范围为20℃到25℃)后10分钟，利用高分辨率FTIR干涉仪6和碲镉汞(MCT)探测器11采集高纯氮气的干涉图作为背景干涉图；当采集完背景干涉图后，将气体样品池9抽成固定的低压(低于1000Pa)，然后向气体样品池9中充入NH

在气体温度T(单位K)和压强p(单位为atm)下测量的透过率光谱为：

这里ν是频率(单位为cm

另外可以通过氨气吸收截面σ(ν,p,T)(单位为cm

这里吸收截面σ(ν,p,T)为分子吸收线线强S(v,T)(单位为cm·molecule

这里分别用简单的Voigt分子吸收线线型和复杂的Galatry分子吸收线线型来描述氨气分子吸收线的线型：

Voigt线型为：

Galatry线型为：

这里x′＝x-s，x＝(v-v

然后应用非线性最小二乘光谱拟合算法搜索Γ

这里的i对应于光谱Γ中的N个数据点，线宽γ是谱线的展宽参数包括α

总之，本发明基于测量氨气分子吸收线参数的FTIR技术，研发了一套氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统，能够实现对氨气吸收线参数的高精度、高准确性的测量，能够实现复杂的分子吸收线型模型在不同大气压力下的适用性研究。利用本发明的氨气分子吸收线参数的中红外光谱测量系统可以有效弥补传统测量技术的缺陷。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。