2.1.2　差分光学吸收光谱系统

2.1.2.1　长程式DOAS

图2-4是一台典型的长程DOAS仪器的结构框图。基本可以分成以下3个部分：

①光源与接收和发射望远镜；

②光谱仪与光电检测装置；

③电气控制与信号处理系统。

望远镜系统采用收发一体的卡塞格伦（Cassegrain）望远系统。光源被设计在望远镜内部，使整个系统结构紧凑、小巧。高压氙灯发出的光经望远镜中的主镜M准直为平行光射向远处的角反射镜，从角反射镜反射回的光被主镜M汇聚，经次镜M1再次反射，最后聚集在光纤束的入射端面。光通过光纤耦合到光谱仪的入射狭缝，经光谱仪分光后照射到探测器光敏面上。探测器将接收到的光强按波长分布转化为电信号，这些电信号经过控制器中的A/D模数转化后输出给控制模块，控制模块不但能提供探测器所需的时序信号，还能及时接收和处理探测器输出的光谱数据。处理后的数据输入计算机，以光谱曲线的形式显示出来，并计算出相应的浓度。

2.1.2.2　被动DOAS系统

使用天空散射光作为光源的多轴DOAS技术，引入了多个离轴角度，增加了低层大气中的吸收光路，再结合了辐射传输模型后它能够获得对流层痕量气体的垂直柱浓度以及掌握垂直分布信息，它的出现为DOAS技术未来的应用开辟了广阔的领域，可以看作是DOAS发展中的里程碑。

图2-5示例了观测对流层痕量气体的地基多轴DOAS装置。地基多轴DOAS仪器通过改变望远镜指向（即仰角α）可以接收来自不同方向的光线，这样就可以导出吸收体的空间分布信息。对于最简单的天顶散射光观测，望远镜接收到的光子相对于在对流层中那段很短的光程来说已经在平流层穿过了相当长的光程。而此处使用的较低仰角的望远镜（α=5°，10°，20°）极大地增加了低层大气中的吸收路程，使边界层中吸收体的灵敏度得到了很大的增强。对于这里用到的各个仰角望远镜，它们接收到的绝大多数光线是在近地面痕量气体层之上散射进入望远镜的。因此有效的吸收路径可以近似看作是，按照简单的几何关系的长度随望远镜仰角α减小而呈1/sinα增加，也就是和仰角成反比。

在前面介绍的DOAS分析过程，得到了斜柱浓度（slant column density，SCD）S，表示痕量气体沿光程的积分浓度：

　　（2-9）

这里值得注意的是对于SCD的测量，探测器接收的各个单独光子在散射进入DOAS望远镜前经过了不同的路径，因此仅能说明由探测器接收到的全部光子的最可能的路径。因为SCD依赖于仪器的观测方式和当时的各种气象条件，通常需要转换到与观测方式无关的垂直柱浓度（vertical column density，VCD）V，垂直柱浓度则表示了痕量气体浓度c（z）沿垂直路径通过大气的积分浓度。

　　（2-10）

式中　dz——ds的垂直分量。

V仅依赖于痕量气体浓度c随高度z的分布，而不依赖于观测方式和光在到达仪器前在大气中通过的路径。大气质量因子的概念多年来已经用来解释天顶散射光DOAS观测，定义大气质量因子（air mass factor，AMF）A为斜柱浓度S和垂直柱浓度V的比值：

　　（2-11）

式中　θ——太阳天顶角（solar zenith angle，SZA）；

α——望远镜仰角；

ϕ——太阳方位和望远镜指向之间的相对方位角。

AMF依赖于大气中的辐射传输，因此AMF受痕量气体廓线、压力、温度、臭氧和气溶胶廓线，以及云、表面反照率等这些因素共同影响。在最简单的几何近似下AMF能用公式A≈1/cos θ（对于散射在痕量气体层下）或者A≈1/sinα（对散射在痕量气体层上）描述，但这忽略了多次散射等各种重要因素。为了精确计算AMF，特别像米散射、地表反照率、痕量气体廓线等这样的因素的影响只有通过辐射传输计算来量化。

以车载被动DOAS系统为例，车载被动DOAS实验装置由单透镜望远镜、小型紫外CCD（电荷耦合器件）光谱仪、GPS（全球定位系统）接收机、计算机四个主要部分组成。与固定测量不同，车载装置配备了GPS接收机，通过RS232串口实现与计算机的通信，提供精确的地理位置信息、车速和航向。同时系统采用12V蓄电池供电，保证可以不间断测量。工作过程描述如下：望远镜固定在汽车顶部支架上垂直指向天空接收天顶方向散射的太阳光，汽车在选定的污染源附近按照一定方式沿着公路行驶，和天顶散射光DOAS工作过程一样通过软件采集光谱信号并用计算机进行光谱解析，同时采集软件也从GPS接收机的报文中记录下了采集当前光谱时对应的经纬度、车速和航向信息。同时软件中柱浓度反演部分根据事先设定好的FRS参考光谱、痕量气体吸收界面和反演波段等计算对应痕量气体（如SO₂）的垂直柱浓度，在完成一次测量后将风速、风向等参数代入软件中的排放通量计算部分，即可获取该污染源当前某种污染气体的排放通量。