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基于声光可调谐滤波器（AOTF）的二氧化氮相机

DOI：10.5194/amt-9-6025-2016 期刊：Atmospheric Measurement Techniques 出版年份：2016 更新时间：2025-09-23 15:22:29
摘要： 边界层中二氧化氮（NO?）的丰度与空气质量及污染源监测密切相关。通过观测界定清晰（如烟囱、火山、船舶）或范围较大（如城市）的NO?时空分布，可应用于排放通量监测或研究烟羽动态化学及其传输过程。目前地面NO?场测绘主要采用可见光扫描光栅光谱仪，虽具有较高反演精度，但时空分辨率较低，难以捕捉动态特征。我们研发了一种新型被动遥感仪器，可高时空分辨率测量二氧化氮斜柱密度（SCD）的二维分布。其测量原理与广泛应用的滤光片式二氧化硫（SO?）相机高度相似——均基于分子吸收截面差异波长的光谱成像。不同于SO?相机，本仪器通过声光可调谐滤光器（AOTF）实现光谱选择，能解析目标分子的光谱特征。通过在燃煤电厂烟羽中成像NO?丰度，验证了NO?相机的性能：实验以3分钟时间分辨率和50厘米空间采样率（覆盖250×250平方米区域）获取了NO?斜柱密度的二维分布，检测限接近5×101?分子/平方厘米，最大检测斜柱密度达4×101?分子/平方厘米。数据揭示了烟羽初期NO与NO?转化的动态过程（前所未有的分辨率）：从排放至垂直上升100米范围内，NO?浓度以0.75-1.25克/秒速率增长。在与SO?相机联合观测时，该仪器还能消除NO?对SO?光谱干扰引入的偏差。
作者： Emmanuel Dekemper，Jurgen Vanhamel，Bert Van Opstal，Didier Fussen
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

开发并展示一种新型被动遥感仪器，用于以高时空分辨率测量二氧化氮（NO2）斜柱密度的二维分布，克服现有方法（如光栅光谱仪）的局限性。

研究成果

基于声光可调滤光器的二氧化氮相机成功实现了高时空分辨率的二维二氧化氮分布测量，为烟羽动力学与化学过程的精细研究提供了可能。该技术展现出排放监测能力，并能校正二氧化硫相机数据。未来改进方向包括温度稳定化及采用CMOS探测器以提升时间分辨率。

研究不足

该仪器的时间分辨率为3分钟，比SO2相机（1赫兹）慢。温度变化导致的波长漂移可能引入截面测量的不确定性。需要均匀的背景照明和光学薄烟羽，这限制了其在某些条件下的适用性。检测限约为5×101?分子/平方厘米，对于极低浓度可能不足。

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