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基于差分吸收光谱的光纤收发小型化空气监测系统研究

作　者: 耿晓娟
导　师: 魏永杰
学　校: 河北工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 空气质量自动监测差分吸收光谱(DOAS) 光纤收发一体小型化
分类号: X84
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着我国城市化、工业化进程的不断推进，大气环境形势日趋严峻，严重危害到人类的健康。人们对生存环境的改善要求也越来越强烈，开发性能高、应用范围广的环境监测仪器，是目前环境保护和治理的基础性重点工作。本文根据差分吸收光谱(DOAS)技术的基本原理，首次提出将光纤一体式结构用于DOAS系统发射和接收光谱。在已开发的典型结构DOAS系统基础上，研制基于光纤收发一体的小型化DOAS样机，用于连续监测空气中的主要污染气体，增强系统的环境适应能力，可用于露天环境的安装和使用；在性能方面，可提高光谱利用效率、减小硬件复杂的结构、简化调整。以该样机为核心，开发了空气质量自动监测系统，采用小型化的工控机，对各功能模块进行控制和数据采集。通过采用上述关键技术，使开发的空气质量自动监测系统工作更稳定，具有更强的灵活性和实用性。论文的主要工作有以下几个方面：1.在课题组开发的典型DOAS系统基础上，提出将光纤一体式结构用于DOAS系统，对光谱进行发射和接收，研制了基于光纤收发一体的小型化DOAS系统，用于监测空气中SO2、NO2和O3等痕量气体的浓度。2.以DOAS测量单元为核心，开发了空气质量自动监测系统，集成CO、颗粒物、气象参数测量单元，实现了环境空气质量主要指标的实时监测。3.开发了系统软件，实现了系统控制和数据采集、数据处理、结果显示等功能，并预留无线传输端口，便于远程数据传递。研究了数据处理算法。4.采用SO2、NO2标准气体对研制的样机进行标定，并采用研制的样机对空气质量进行了现场监测。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-18
  §1-1 空气质量监测的目的和意义  10-12
    1-1-1 大气中的主要污染气体及其危害  10-11
    1-1-2 空气质量监测的目的和意义  11-12
  §1-2 空气质量监测方法  12-14
    1-2-1 非光学检测方法  12-13
    1-2-2 光学检测方法  13-14
  §1-3 差分吸收光谱的关键技术及发展  14-16
  §1-4 课题研究的目的和意义  16
  §1-5 本文主要内容  16-18
第二章 DOAS技术的理论基础  18-23
  §2-1 DOAS 技术基本原理  18-21
    2-1-1 朗伯-比尔定律  18-19
    2-1-2 修正的朗伯-比尔定律  19
    2-1-3 差分吸收光谱法的基本思想及特点  19-21
  §2-2 差分吸收光谱的分离方法  21-22
    2-2-1 多项式拟合  21
    2-2-2 傅里叶变换分析法  21-22
    2-2-3 Savitzky-Golay 平滑滤波  22
  §2-3 本章小结  22-23
第三章新型DOAS及空气质量自动监测系统的研制  23-42
  §3-1 光纤收发一体式 DOAS 测量原理  23-26
    3-1-1 典型 DOAS 系统结构  23-25
    3-1-2 光纤收发一体的 DOAS 系统结构  25-26
  §3-2 光纤收发一体的 DOAS 系统研制及参数选择  26-34
    3-2-1 光谱测量范围的选择  27-28
    3-2-2 光源选择及耦合结构确定  28-30
    3-2-3 光谱仪的选择  30-31
    3-2-4 望远系统光学元件选择  31-32
    3-2-5 DOAS 系统设计  32-34
  §3-3 新型空气质量自动监测系统的研制  34-38
    3-3-1 CO 测量  35
    3-3-2 颗粒物测量  35
    3-3-3 气象参数测量  35-37
    3-3-4 小型化控制设备及数据传输  37-38
  §3-4 基于光纤传光的光谱测量系统的扩展应用  38-41
    3-4-1 宽光谱气体测量系统  38-39
    3-4-2 光纤式卡塞格林望远镜结构的 DOAS 系统  39-40
    3-4-3 基于光纤发射和探测信号的烟气检测方法  40-41
  §3-5 本章小结  41-42
第四章软件设计及算法实现  42-54
  §4-1 软件功能介绍  43-48
    4-1-1 参数设置  43-44
    4-1-2 数据采集  44-45
    4-1-3 测量结果显示  45-47
    4-1-4 数据查询与保存  47-48
  §4-2 数据处理  48-53
    4-2-1 测量光谱处理  48-50
    4-2-2 对标准吸收截面的处理  50
    4-2-3 气体浓度反演算法  50-53
  §4-3 本章小结  53-54
第五章系统标定及现场监测实验  54-62
  §5-1 标准气体实验  55-60
    5-1-1 标气实验准备工作  55-56
    5-1-2 SO_2测量实验  56-59
    5-1-3 NO_2测量实验  59-60
    5-1-4 测量误差分析  60
  §5-2 现场测量实验  60-61
  §5-3 本章小结  61-62
第六章总结与展望  62-64
  §6-1 总结  62
  §6-2 展望  62-64
参考文献  64-68
致谢  68-69
攻读学位期间所取得的相关科研成果  69

基于差分吸收光谱的光纤收发小型化空气监测系统研究

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