低检出限小型多光程DOAS系统关键问题研究

为应对在小空间内低检出限的测量痕量气体的挑战，需要突破构建小型多光程光路、降低检出限两大难点，发展低检出限小型DOAS系统。为此，本项目将引入矩阵光学等方法解决共轭焦点型多光程光路的分析、评价及优化问题，设计出低检出限的小型多光程光路；将深入研究小型多光程DOAS系统中差分信号和噪声特性，并针对性地引入盲信号处理、化学计量学等方法，提出高精度的浓度反演方法，进一步降低检出限；将研究差分信噪比及其与检出限和系统参数的关系，并基于它统筹光源、小型多光程光路和光谱仪，全局优化设计，构建出低检出限的小型多光程DOAS实验系统。这些基础性问题的解决和实验系统的研制，将为微小型DOAS技术研究和相关应用发展提供新的基础。

紫外/可见宽波段的差分吸收光谱（DOAS）技术与多光程技术相结合，能够在小体积内实现大气中多种痕量组分的同时测量。目前的小型多光程DOAS系统还存在光程不够长、检出限不够低的不足。本课题在多光程光路的分析与优化、系统整体分析与优化、系统设计与实验等小型化低检出限多光程DOAS系统的关键问题上开展了深入研究，创新性研究进展包括：.首先分析了三类适合小型DOAS系统的多光程光路的结构特点，将其抽象概括为单位放大倍率多光程光路（UMS光路）。分析UMS光路的像差特点，揭示了像散是影响UMS光路成像质量最主要的因素，比球差、彗差大2~4个数量级。提出了一种通用的UMS光路的像散分析方法。建立了UMS光路的等效像散模型，基于4×4系统传输矩阵，获得了UMS光路的精确像散值。对多种UMS光路进行了像散分析，验证了该方法的正确性和有效性。应用该方法校正像散可以优化像质，优化的成像光斑RMS半径能够减小到现有其他方法的25%~64%，可以为UMS光路优化设计提供高质量的初始结构。进一步理论推导了UMS光路像散的矢量叠加形式，并求解了多种UMS光路的解析像散。通过解析像散对光路进行参数优化，其结果与精确像散相差在5‰以内，减小到Kohn方法的1/10。.提出了一种利用补偿球面镜对UMS光路进行像散补偿的方法，推导了像散补偿的理论公式，并进一步调整光束发散角，与后续光谱仪的数值孔径相匹配。在此基础上，优化设计了成像质量均衡的可变光程改进型White光路，在12~96可变光程数下，成像光斑RMS半径的变化范围是补偿前的1/10。.对小型多光程DOAS系统进行了整体分析，基于差分信噪比分析了检出限和系统参数的关系，并实现了整体设计方案的优化。基于双直角反射镜的改进型White光路结构，合理缩减了光路自由度，完成了高参数冗余度的系统光机设计。构建了小型多光程DOAS痕量气体检测实验系统，基本光程为0.75m，光程数达96次，总光程72m，系统差分噪声水平为(2~5)×e-5 ，实验估计系统SO2检出限为0.9ppb。