【正文】 1)對其進(jìn)行測量便可得到濃度，這些波段主要在紫外，我們選取以表 1 的波長為中心波長的一定波長范圍 (由測量的波長定標(biāo)決定)的光譜測量并分析以得到氣體的濃度，而且可以根據(jù)新的吸收截面添加到軟件的數(shù)據(jù)庫里便可測量新的氣體濃度。表 1：氣體測量的參考波長主要?dú)怏w 參考波長（nm）二氧化硫 SO2 305臭氧 O3 285二氧化氮 NO2 345210–20210–2022–21–17–201–190–1810–1810–19–1710–18–1950450403503025020 主， nm O3SO2NO2主, cm 2圖 1 氣體吸收截面圖DOAS 的測量原理光源（氙燈）發(fā)出的光，通過卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直傳輸?shù)酱髿饴窂剑? 3一部分光被安放在路徑另一端的角反射鏡反射回來，被望遠(yuǎn)鏡接收聚焦在光纖的入射端面。光纖把光導(dǎo)入光譜儀，經(jīng)光譜儀分光，出射約為 66nm 的譜寬。光譜被探測器——光電二極管陣列 PDA 接收后，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)通過計算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。通過比較經(jīng)過大氣痕量氣體吸收的大氣光譜與燈譜的不同而確定大氣中的氣體成分。由于每種氣體都有自己的特征吸收光譜，分析光譜的譜線結(jié)構(gòu)及變化就可以確定吸收氣體及氣體的濃度。 計 算 機(jī)控 制 器PDA 探 測 器光 譜 儀光 纖 束 角 反 射 鏡 高 壓 氙 燈副 鏡M1卡 塞 格 倫 望 遠(yuǎn) 鏡 0sevral km光 闌濾 光 片 輪主 鏡圖 2 差分吸收光譜分析儀的測量原理差分吸收光譜分析儀的光學(xué)部分差分吸收光譜分析儀的光學(xué)部分由光源、卡塞格倫發(fā)射接收一體望遠(yuǎn)鏡、光纖、光譜儀、光電二極管探測器 PDA 及角反射鏡陣列組成。氙燈發(fā)出的光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡內(nèi)主鏡的外環(huán)準(zhǔn)直為平行光進(jìn)入大氣。角反射鏡安裝于路徑的另一端將光反射回望遠(yuǎn)鏡入口，光經(jīng)過主鏡內(nèi)環(huán)聚焦和副鏡反射，匯聚在光纖的入射端面。光纖的末端直接連于 SSM301 型光譜儀的入射狹縫處，經(jīng)光纖傳輸?shù)墓獗还庾V儀分光后被 PDA 接收。電學(xué)部分電學(xué)部分由光源（氙燈及其電源） 、信號采集系統(tǒng)（光譜儀、光電二極管陣列 PDA 及其控制電路） 、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（計算機(jī)）組成，所有電源都接在220V 電網(wǎng)中。其框圖如圖 3 所示。185。226。 212。180。 178。191。 214。235。175。181。198。181。231。212。180。 235。175。181。198。 182。168。 177。234。 178。191。 214。185。175。181。198。181。231。212。180。 185。175。181。198。 424V電 源5V電 源 濾 光 片 電 機(jī)光 譜 儀 電 機(jī)光 闌 電 機(jī)步 進(jìn) 電 機(jī)驅(qū) 動 器 1步 進(jìn) 電 機(jī)驅(qū) 動 器 2固 態(tài) 繼 電 器 濾 光 片 盤光 譜 儀光 闌 光 耦光 耦光 耦PDAPC及控制軟件 控制邏輯電路AD電 路RS23圖 3 電路控制測量框圖三、系統(tǒng)說明望遠(yuǎn)鏡采用開放式 Cassegrain 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，光源位于望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部，雙臂支撐的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)位于光路一端，反射鏡陣列位于光路另一端將光反射回接收望遠(yuǎn)鏡。方位角范圍：10176。～+10176。俯仰角范圍：10176。～+10176。SSM301 型光譜儀參數(shù)波長范圍：200nm～900 nm焦距：300mm光柵：1200l/mm，閃耀波長：300nm光譜分辨率： nm（ 處，縫寬：10μm）DOAS 外界條件氣溫：40176。C ～+40176。C氣壓：84～（630～800mmHg） 角反射鏡的空氣條件濕度：不大于 95%氣壓：84～（630～800mmHg）其他設(shè)備 5紫外石英光纖連接望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)與光譜儀。電源和控制系統(tǒng)的電壓為 220V177。10%、50177。1Hz。裝置最大電消耗不大于。四、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差分吸收光譜分析儀由三大塊組成：光發(fā)射與接收系統(tǒng)、測量設(shè)備系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)。光發(fā)射與接收系統(tǒng)⑴光源部分包括氙燈、氙燈電源以及散熱裝置。⑵望遠(yuǎn)鏡，用于光發(fā)射和接收，其包括：望遠(yuǎn)鏡框（前面帶有固定裝置） 、鏡筒（內(nèi)部帶有固定裝置） 、主球面鏡（中間有孔以光纖通過） 、光闌（用于大氣測量光路和參考光路的切換） 、副鏡（用于反射光到光纖入射端面） 、石英保護(hù)窗、光纖入口、雙臂支架用于望遠(yuǎn)鏡水平或垂直調(diào)節(jié)。⑶光纖，用于傳輸光到光譜儀。⑷角反射鏡，帶三角架的角反射鏡安裝于大氣路徑的另一端用于光的原路返回。測量設(shè)備系統(tǒng)⑴光譜儀光譜范圍 200900nm，100μm 的狹縫，分辨率約為 。⑵探測器為 HAMAMATSU 型 號 C5964－1010 的 1024 像元的光電二極管陣列 PDA。數(shù)據(jù)記錄與處理塊⑴16 位的 ADC，飽和水平為 216=65536 counts；⑵PC 機(jī)，帶有控制、測量與數(shù)據(jù)處理的軟件。2022757150圖 4 氙燈的尺寸圖（mm） 6五、DOAS 主要單元的描述光源⑴光源為 OSRAM 的 XBO 150W/CR OFR 型 150W 短弧氙燈紫外光源（見圖 4） ，位于望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部主鏡外環(huán)的焦點(diǎn)處。燈的冷卻設(shè)備（風(fēng)扇）安裝在燈底部的望遠(yuǎn)鏡筒上。氙燈最大耗電為 150w，電流 。氙燈電源可以在外部電壓 180v250v 時保持穩(wěn)定，氙燈電源在 220v 電源下額定功率為 150w，燈工作電壓為 1520v。燈工作時間不少于 1000H。⑵氙燈位置調(diào)整設(shè)備要使氙燈出射光束以近似平行光發(fā)射（最小的光束發(fā)散角） ，氙燈應(yīng)使其最亮部分位于主鏡的焦點(diǎn)，為滿足這樣的要求，在燈的底部望遠(yuǎn)鏡筒上安裝了一個調(diào)整裝置以細(xì)調(diào)燈的位置。角反射鏡陣列角反射鏡陣列由三個角反射鏡組成，見圖 5。其作用是將入射到其上的光線沿原路反射回去，原理是利用光線在其三個側(cè)面的全反射將光返回，每個角反射鏡的尺寸為 ，精度不低于 5ms。60m?底 座楔 形 罩 角 反 射 鏡圖 5 角反射鏡陣列的示意圖望遠(yuǎn)鏡⑴望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)為卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，包括兩個部分—框架和管筒，用螺絲連接，內(nèi)壁涂有高吸收光的涂料。望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)口徑 為 220mm，主鏡為D主 7一表面鍍鋁的凹面鏡，曲率半徑 。副鏡同樣為一表面鍍有紫外增108Rm?主強(qiáng)鋁的凹面鏡，曲率半徑 。望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)特性如下:429副組合焦距：873mm光束發(fā)散角：3mrad視角：在望遠(yuǎn)鏡筒的后面，有一個小室可作為光纖入口，通過光纖調(diào)整架使光聚焦于光纖入射端面。為了保護(hù)望遠(yuǎn)鏡不被污染與受潮，望遠(yuǎn)鏡的入口有一石英保護(hù)窗。螺絲把望遠(yuǎn)鏡固定在雙臂支架上，可調(diào)節(jié)10186。～+10186。 的垂直角度及10186。～ +10186。 的方位角。⑵望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射與接收功能為了實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的收發(fā)功能，望遠(yuǎn)鏡的主鏡被分成兩部分用。外環(huán)被用來作為發(fā)射使用，中間一部分是用來接收返回的光。望遠(yuǎn)鏡大氣測量光路如圖6(A)所示，當(dāng)光闌位置與主光軸平行，氙燈發(fā)出的光被主鏡的外圈部分準(zhǔn)直為平行光射向遠(yuǎn)處的角反射鏡，被角反射鏡反射回的光經(jīng)主鏡的內(nèi)圈部分及副鏡被匯聚于光纖的入射端面。⑶對燈的光譜信號的測量，用于計算污染氣體的光學(xué)厚度及其濃度。當(dāng)光闌位置與主光軸垂直時，為參考光路模式，見圖 6(B)。氙燈發(fā)出的光經(jīng)過主光軸上一系列光學(xué)元件中心的小孔，到達(dá)光纖的入射端面，實(shí)現(xiàn)燈譜測量。 (A) 8(B)圖 6 望遠(yuǎn)鏡的測量狀態(tài)與光闌位置之間的關(guān)系 (A)為大氣測量光路模式，(B)為參考光路模式，用于測量氙燈燈譜⑷ 光纖光纖用于光的傳輸，由 7 根 100μm 的光纖組成，光纖在入射處呈圓形，而在出射處排列成一條狹縫與光譜儀入射狹縫對應(yīng)，這樣，當(dāng)光譜儀入射狹縫與光纖出口對應(yīng)時，可以充分利用光能量。光譜儀⑴光學(xué)結(jié)構(gòu)差分吸收光譜分析儀的組成部分 SSM301 型光譜儀采用典型的 CzernyTurner 水平對稱式光學(xué)系統(tǒng)，其原理圖如圖 7 所示。光通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀的入射狹縫，經(jīng)濾光片盤上的濾光片和反射鏡后被投射到準(zhǔn)直物鏡上，形成平行光束投射到光柵上，經(jīng)色散后的光通過聚焦鏡，成像在光譜儀的出射狹縫處，從而得到按波長順序排列的光譜。圖 7 光譜儀工作原理圖⑵動力學(xué)結(jié)構(gòu)光柵轉(zhuǎn)動機(jī)械是一個正弦機(jī)構(gòu)，正弦機(jī)械結(jié)構(gòu)是為了提供波長隨轉(zhuǎn)動線性變化，使其便于數(shù)字化計算。光譜儀變換光譜波長的正旋機(jī)構(gòu)與光學(xué)室隔離，有效的減少了雜散光，并且避免機(jī)械系統(tǒng)潤滑油慢性揮發(fā)對光學(xué)元件表面的污染。光柵通過步進(jìn)電機(jī)（位于光譜儀的底部）轉(zhuǎn)動出射一定波段的光譜。位于光譜儀入射狹縫和反射鏡之間的濾光片盤由步進(jìn)電機(jī)控制（位于光譜 9儀入射狹縫右邊，見圖 8） ，可根據(jù)測量程序進(jìn)行濾光片位置的調(diào)整，濾光片盤可以根據(jù)不同的測量要求加入不同的濾光片，總共可以放置 5 塊濾光片，濾光片的型號如表所示：表 2：濾光片的型號濾光片位置 范圍1 用于芳香烴監(jiān)測時的雜散光測量2 —3 —4 SO2，HCHO，NO 2 等5 —電控制單元提供光譜儀及濾光片盤步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)控制，供電設(shè)備與電網(wǎng)通過插座連接。操作者可通過計算機(jī)軟件改變光柵轉(zhuǎn)動方向以及濾光片的位置，PC 與光譜儀之間的控制信號由電控制單元與 PC 機(jī)的串口相連。光電二極管陣列 PDA光電二極管陣列 PDA 位于光譜儀出射焦平面上，主體由一個包含 1024 個反向偏壓 PN 連接的二極管陣列和一個信號讀出和存儲的控制電路組成。所有的二極管都被一個反向的 2 伏電壓完全充電，形成一個耗層。入射光激發(fā)出與入射光強(qiáng)成比例的光電子數(shù)進(jìn)入半導(dǎo)體的導(dǎo)電層。這些移動的載荷中和了部分反向電壓，產(chǎn)生了電信號。電控制單元以上設(shè)備的電氣控制以及光譜儀都放在一個控制箱里，包括電機(jī)驅(qū)動、固態(tài)繼電器、光譜儀、濾光片控制、開關(guān)電源、控制電路、PDA 等。 ⑴光譜儀電機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)：為四相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角：4 相 4 拍時為 度，4 相 8拍時為 度 10驅(qū)動器：接收來自控制卡的步進(jìn)脈沖，分配給步進(jìn)電機(jī)的每一相，并進(jìn)行功率放大。電源：開關(guān)電源 24vDC。⑵光闌電機(jī)控制 光闌電機(jī)是由固態(tài)繼電器控制的模擬電機(jī)。由光耦控制電機(jī)轉(zhuǎn)動位置。固態(tài)繼電器的控制信號由控制電路給出。⑶濾光片盤電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動器：接收來自控制卡的步進(jìn)脈沖，分配給步進(jìn)電機(jī)的每一相，并進(jìn)行功率放大。電源：開關(guān)電源 24vDC。⑷控制電路 由電路中的控制芯片實(shí)現(xiàn)：PDA 的時序信號管理、 PDA 信號 AD 采集、濾光片電機(jī)控制、固態(tài)繼電器控制、光譜儀電機(jī)控制。⑸PC 通訊 控制電路板通過 RS232 與 PC 機(jī)的控制軟件進(jìn)行通訊。⑹開關(guān)電源控制箱內(nèi)有兩個開關(guān)電源：177。15V、5V 供控制電路板；＋24V 供電機(jī)驅(qū)動器。⑺PDA 數(shù)據(jù)處理PDA 數(shù)據(jù)經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在 RAM 內(nèi)， TMS320F240 可以按照用戶要求進(jìn)行累加處理。處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口直接傳給 PC。六、維護(hù)與裝配操作條件⑴測量不能在空氣懸浮物多和濃霧的環(huán)境下進(jìn)行。⑵ 差分吸收光譜分析儀的望遠(yuǎn)鏡、光源、點(diǎn)控制單元等設(shè)施在封閉房間且滿足以下條件：空氣溫度：20186?！?0186。，25186。 時濕度：不大于 80%，氣壓：84～（630～800mHg） 。⑶ 角反射器的環(huán)境條件：空氣溫度：40186?！?0186。 ，濕度：不大于 95%，氣壓： 1184～ （630～800mmHg） 。⑷ 差分吸收光譜分析儀避免與化學(xué)活動性強(qiáng)的物品接觸。⑸ 供暖設(shè)備離差分吸收光譜分析儀大于 。⑹ 房間里必然保證有一個 400mm 的窗戶，以保證安裝望遠(yuǎn)鏡并可以進(jìn)行