一种傅里叶红外光谱校准数据库软件系统研究

大气与环境光学学报 ›› 2013, Vol. 8 ›› Issue (5): 344-353.

一种傅里叶红外光谱校准数据库软件系统研究

曹瑛1, 徐亮2*, 刘建国2, 童晶晶2

（1 甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州730050；
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽合肥 230031）

收稿日期:2013-04-24 修回日期:2013-06-13 出版日期:2013-09-28 发布日期:2013-09-06
通讯作者: 徐亮（1981-），安徽芜湖县人，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事红外光谱分析测试技术研究. E-mail:xuliang@aiofm.ac.cn
作者简介:曹瑛（1981-），甘肃天水市人，研究生，主要从事计算机科学与应用研究。
基金资助:
中国科学院环境光学与技术重点实验室开放基金（2005DP173065-08-01-01）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB05040500）资助

A Calibration Database Software of Fourier Transform Infrared Spectroscopy

CAO Ying1, XU Liang2*, LIU Jian-Guo2, TONG Jing-Jing2

(1 Gansu Construcion Vocational Technical College, Lanzhou 730050, China;
2 Key Laboratory of Environment Opticcs and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Received:2013-04-24 Revised:2013-06-13 Published:2013-09-28 Online:2013-09-06

摘要/Abstract

摘要：

傅里叶红外光谱分析方法具有分辨率高、光通量大、频带宽等优点，在痕量成分分析领域应用广泛。在污染大气成分在线监测过程中，准确的标准光谱数据库是进行大气成分探测的首要条件和计算基础。开发了一套可用于红外光谱在线分析的校准光谱数据库平台，研究在使用傅里叶红外光谱仪进行实际测量的过程中，影响表观光谱的仪器因素，具体包括仪器分辨率、切趾函数和入射辐射的立体角等。在此基础上，对傅里叶红外光谱仪仪器线型函数进行建模，实现高分辨率校准光谱的环境参数和仪器线型函数匹配，建立了一套基于HITRAN的红外光谱定量校准数据库，并给出了基于该数据库的仿真校准光谱实例。该数据库可用于大气痕量和微量成分的红外光谱分析研究。

关键词: 傅里叶变换红外光谱, 分辨率, 切趾函数, 仪器线型函数, 标准光谱, 数据库

Abstract:

Fourier transform infrared spectroscopy has advantages of high resolution, large flux, wide frequency band, and is widely used in the field of trace element analysis. In the online monitoring process of atmospheric pollution composition, accurate standard spectral database is the first condition and calculation basis of atmospheric composition detection. A set of calibration spectra database platform used in the online analysis by infrared spectrum is presented. The factors with affecting spectral instruments, including the instrument resolution, apodization functions and the solid angle of incident radiation, etc, are studied in the use of the Fourier infrared spectrometer by the process of actual measurement. On this basis, the instrument lineshape function of the Fourier transform infrared spectrometer is modeled. Then the true high resolution spectrum was degraded from high resolution to low resolution, which closely modeled the true measured spectra by a real spectrometer. A set of infrared quantitative calibration database based on HITRAN is established. The simulation of calibration spectra based on the database are given. The database can be used in the infrared spectral analysis of trace gas and trace element research.

Key words: Fourier transform infrared spectrometry, resolution, apodization, instrument lineshape function, standard spectrum, database

中图分类号:

O657.3

曹瑛徐亮刘建国童晶晶. 一种傅里叶红外光谱校准数据库软件系统研究[J]. 大气与环境光学学报, 2013, 8(5): 344-353.

CAO Ying, XU Liang, LIU Jian-Guo, TONG Jing-Jing. A Calibration Database Software of Fourier Transform Infrared Spectroscopy[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2013, 8(5): 344-353.

参考文献

[1] Xu Liang, Liu Jianguo, Gao Minguang, et al. Application of long open path FTIR system in ambient air monitoring [J].Spectroscopy and Spectral Analysis, 2007, 27(3): 448-451(in Chinese).
徐亮, 刘建国, 高闽光, 等. 开放式长光程傅里叶变换红外光谱系统在环境气体分析中的应用 [J]. 光谱学与光谱分析, 2007, 27(3): 448-451.
[2] Lee B. Highlights of the clean air act amendments of 1990 [J]. Air Waste Manag. Assoc., 1991, 41(1): 16-19.
[3] Shcaefer K, Haus R., Heland J, et al. Passive remote detection of atmospheric trace gases by emission and absorption spectroscopy with FTIR [J]. Ber. Bunsen-Ges. Physical Chemistry, 1995, 99(3): 405-411.
[4] Griffith D W T, Galle B. Flux measurements of NH3, N2O and CO2 using dual beam FTIR spectroscopy and the flux-gradient technique [J]. Atmospheric Environment, 2000, 34(7): 1087-1098.
[5] Todd L A. Evaluation of an open-path Fourier transform infrared(OP-FTIR) spectrophotometer using an exposure chamber [J]. Applied Occupupational and Environmental Hygiene, 1996, 11(11): 1327-1334.
[6] Xu Liang. Investigation on the Methods and Techniques for Trace Gases Analysis by Active Fourier Transform Infrared Spectroscopy [D]. Beijing: Doctorial Dissertation of Graduate School of Chinese Academy of Sciences, 2007(in Chinese).
徐亮. 大气痕量气体的主动FTIR光谱分析方法及应用研究 [D]. 北京: 中国科学院研究生院, 2007.
[7] Esler M B, Griffith D W T, Wilson S R, et al. Precision trace gas analysis by FTIR spectroscopy: 1. simultaneous analysis of CO2, CO, CH4 and N2O in air [J]. Analytical Chemistry, 2000, 72(1): 206-215.
[8] Esler M B, Griffith D W T, Wilson S R, et al. Precision trace gas analysis by FTIR spectroscopy: 2. the13C/12C isotope ratio of CO2 [J]. Analytical Chemistry, 2000, 72(1): 216-221.
[9] Goody R M, Yung Y L. Atmospheric Radiation [M]. England: Oxford University Press, 1989: 125-187.
[10] Rothman L S, Jacquemart D, Barbe A, et al. The HITRAN 2004 molecular spectroscopic database [J]. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2005, 96(2): 139-204.
[11] Zhang Hua, Shi Guangyu. A fast and efficient line-by-line calculation method for atmospheric absorption [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2000, 24(1): 111-121(in Chinese)．
张华, 石广玉. 一种快速高效的逐线积分大气吸收计算方法 [J]. 大气科学, 2000, 24(1): 111-121.
[12] Griffiths P R, Haseth de J. Fourier Transform Infrared Spectroscopy [M]. Wiley & Sons, New York: 1986.
[13] Anderson R J, Griffiths P R. Errors in absorbance measurements in infrared Fourier transform spectrometry because of limited instrument resolution [J]. Analytical Chemistry, 1975, 47(14): 2339-2347.

[1]	王雪林, 陈文忠∗. 亚北极太平洋气溶胶光学厚度与净初级生产力的变化特征及其相关性研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(5): 558-569.
[2]	吴文涵, 麻金继∗, 孙二昌, 郭金雨, 杨光, 王宇瑶. 基于深度学习的云参量反演方法研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(4): 453-464.
[3]	何娟, 张华, ∗, 苏红娟, 周喜讯, 陈琪, 谢冰, 游婷. 全球分光地表反照率的长期变化[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(3): 279-293.
[4]	程璐璐, 施文杰, 夏果∗, 王江涛, 陈巧芹, 金施群. 偏振氧A 带光谱气溶胶垂直剖面反演的信息量分析和灵敏度研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(3): 360-368.
[5]	陈标, 吴东, ∗. 基于CALIOP 和MODIS 的北极地区海雾检测研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(2): 267-278.
[6]	贾宏亮, 罗俊, 肖东升∗. 基于遥感数据和GWR 模型的成都PM2.5 浓度时空分布特征研究[J]. 大气与环境光学学报, 2021, 16(6): 529-540.
[7]	杨光, 麻金继, ∗, 孙二昌, 吴文涵, 郭金雨, 林锡文, . 2004–2018 年间中国区域气溶胶时空变化特征研究[J]. 大气与环境光学学报, 2021, 16(5): 443-456.
[8]	韩东成, ∗, 杨世植, 赵强, 韩露, 杨志, 崔生成. 面向对象的高分辨率遥感影像建筑物信息提取[J]. 大气与环境光学学报, 2021, 16(4): 358-364.
[9]	徐波, 叶晓新, 张毅∗, 杨晓龙, 李发帝. 利用便携式FTIR 技术获取城市餐饮 VOCs 排放特征[J]. 大气与环境光学学报, 2020, 15(5): 357-364.
[10]	刘东, 周雨迪, 朱小磊, 陈扬, 徐沛拓, 刘崇, 王南朝, 沈雪. 大气海洋高光谱分辨率激光雷达鉴频特性研究[J]. 大气与环境光学学报, 2020, 15(1): 48-54.
[11]	杜丽丽,易维宁,张冬英,方薇,宋波. 艇载低空遥感数据管理系统构建[J]. 大气与环境光学学报, 2019, 14(5): 359-366.
[12]	梁渠张亚婷张强领邹雪陈美玲王鸿梅黄超群沈成银储焰南. 质子转移反应飞行时间质谱的建立与性能研究[J]. 大气与环境光学学报, 2019, 14(4): 289-295.
[13]	杨久春李正强陈兴峰李保生侯伟真赵少帅葛邦宇马? 张洋. 基于高时空分辨率卫星数据的气溶胶光学厚度反演系统[J]. 大气与环境光学学报, 2018, 13(2): 112-120.
[14]	杨维周海金司福祺孙友文韩雪冰徐兴伟刘文清. 基于MODIS遥感数据地表反照率经纬度查询软件设计[J]. 大气与环境光学学报, 2017, 12(6): 446-455.
[15]	周喜讯张华荆现文. 中国地区云量和云光学厚度的分布与变化趋势[J]. 大气与环境光学学报, 2016, 11(1): 1-13.