多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）结合计算机断层重建算法可获取目标痕量气体的空间分布情况。 为研究在具有背景浓度的条件下, 如城市背景下某个竖直截面上重建NO2空间分布的可行性, 设计了气体浓度可控条件下的验证性实验; 证明了利用MAX-DOAS在竖直平面重建NO2气体分布的可行性。 将充入标准气体的JGS1石英玻璃样品池作为研究对象, 使用两台MAX-DOAS采集光谱数据。 将气体浓度的梯度作为先验信息, 利用经典的ABOCS算法和Barzilai-Borwein算法重建了竖直平面内的NO2气体分布, 验证了利用MAX-DOAS在竖直平面内重建NO2气体空间分布的可行性, 同时确定了背景浓度对重建结果的影响。 研究结果表明, 以天空为背景的光谱作为参考谱和以空样品池为背景作为参考谱, 反演得到的NO2浓度非常接近, 因此研究对象中的样品池容器在NO2竖直平面分布重建方法中对实验结果的影响可以忽略。 实验中以市区为背景的MAX-DOAS具有较高的背景浓度, 特别是在仰角较低的情况下NO2背景浓度几乎达到6×1016 molec·cm-2, 以城市郊区没有明显的污染源为背景的MAX-DOAS, 背景浓度较低可以忽略。 重建结果显示, 当仰角为28°时, 气体沿光路的平均分子数密度为3.932 7×1015 molec·cm-2, 且在样品池内下部密度大, 上部密度小; 重建得到的SCD和测量得到的SCD符合比较好, 计算结果显示重建得到的气体分子数密度的峰值为5.77×1015 molec·cm-2, 与以城市郊区为背景的MAX-DOAS反演结果较为接近, 而以市区为背景时, 特别是仰角较小时, NO2背景浓度特别明显, 重建结果比测量结果的值小很多。 结果表明, 背景浓度在重建图像中表现为伪影, 影响对气体分布的观察, 而如果在重建算法时加入利用样品池内外气体存在浓度突变这一先验信息, 能够减轻背景浓度对重建结果造成的影响。

烟羽断层重建质量受两方面条件限制: 其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。 以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）进行CT重建, 受采集数据速度的限制, 重建图像的时间分辨率较低。 另一个限制条件是, 采集到的数据量有限, 是典型的不完全角度重建。 过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法, 重建图像受测量误差的影响比较大, 分辨率较低且伪影较多。 构造了基于成像差分吸收光谱技术（IDOAS）的光谱数据采集系统, 与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比, 数据采集的时间分辨率提高了160多倍, 基本解决了时间分辨率的问题。 提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法——投影凸函数集低三阶导数法, 简称为POCS-LTD。 在投影的过程中, 使用代数重建算法使重建图像符合投影方程; 在全变分迭代的过程中使用了优化算法, 将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向, 前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。 对重建算法进行了数值模拟, 并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标, 对重建结果进行了分析。 数值模拟表明, 算法具有良好的抗误差能力, 与传统的低三阶导数法相比, 本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。 使用烟羽数据采集系统进行了外场实验, 用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建, 重建图像显示烟羽图像清晰, 伪影得到了较好的抑制。 介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法, 提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率, 减少了重建图像的伪影, 扩大了光谱测量技术的应用范围。

临边辐射探测技术是一种新型卫星探测技术,主要利用紫外-可见光-红外太阳散射光谱获得臭氧等痕量气体在垂直方向上的分辨率廓线信息。基于波长配对光谱分析法、乘代数重建技术以及SCIATRAN正向模型,用SCIAMACHY仪器临边辐射反演垂直高度为10~40 km、分辨率为1 km的臭氧数密度。首先,根据臭氧在Chappuis-Wulf波段的吸收特性分析波长配对的机理,并结合临边辐射权函数确定臭氧反演的波长和反演范围。然后,分析了几种典型的波长配对组合对反演结果的影响,确定一组较好的波长配对组合。最后,对迭代算法反演过程中的误差来源如迭代次数、先验廓线、切线高度和NO2浓度参量进行不同程度的偏差反演,误差结果表明,这些参数都会明显影响垂直高度小于20 km的臭氧廓线反演结果。

为了实现二维多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪的扫描需求,以两相步进电机驱动芯 片TMC261为核心,基于STM32微处理器和光电编码器,设计了棱镜扫描控制系统。分析了二维MAX-DOAS外置棱镜对转动精度 和分辨率的需求,从控制系统结构设计、具体实现过程两个方面阐述了系统方案,并进行测量实验来评估实际效果。结果表 明棱镜的转动步进角细分倍数 在0～256范围内可调。扫描分辨率最多可达1.8°/256, 位置精度误差低于5%, 步距角精度误差绝对值低于8%。 所设计扫描控制系统在光学仪器中具有广泛应用前景。

地表反照率是研究陆地辐射收支情况、区域及全球气候、地貌等信息的先决条件,对其进行精确测量是开展相关研究的前提和保证。由于大气层吸收的影响,地表反照率不能进行直接测量。因此,采用测量垂直向下与向上散射光的方法,结合SCIATRAN辐射传输模型获得地表反照率。基于此方法,在机载平台上进行观测实验,获取机载平台上垂直向上和向下的辐亮度值,采用迭代反演方法获得石家庄到保定地区紫外波段350~395 nm的地表反照率,并对不同下垫面、不同波段反照率进行比较,对城区中心到边缘过渡变化进行详细分析。结果表明,紫外波段350~395 nm地表反照率随波长增大而缓慢升高,结果与中等分辨率成像光谱仪(MODIS)数据可达到良好的一致性。不同观测区域结果对比显示,城区地表反照率大于农田,且城区中心比边缘地表反照率大0.014左右,其差异也随波长增大而升高。

介绍了一种测量烟羽污染气体二维分布的方法——成像差分吸收光谱(IDOAS)技术。该技术基于成像光谱仪，结合旋转平台实现对目标区域的二维扫描测量，获取目标区域的高光谱数据；采用差分吸收光谱(DOAS)算法对光谱进行处理，获取扫描区域内污染气体的二维分布图，进而对污染气体的分布及扩散趋势进行分析。对地基IDOAS 系统及其测量原理进行了介绍，并开展外场实验，成功获取了电厂烟羽中的SO2 二维分布图，实现电厂污染排放的可视化；对SO2排放率及平均浓度估算方法进行了分析，结合风速，利用获得的二维数据计算得到电厂SO2排放率及平均浓度分别为210 kg/h、6.7 mg/m3。

被动差分吸收光谱技术(DOAS)是一种以太阳散射光为光源,利用不同气体分子的特征吸收来实现气体 定性定量测量的方法。成像光谱技术作为一种新型光电探测技术,能同时获取观测区域的空间信息 和光谱信息,该技术与DOAS结合构成了成像差分吸收光谱系统(IDOAS),可实现对气体的二维成像测 量。设计了基于凸面光栅Offner成像光谱仪、面阵CCD、紫外镜头和扫描旋转台的成像差分吸收 光谱系统,描述了系统的组成并着重介绍了Offner成像光谱仪的光学设计。针对该系统开发了基 于MFC框架的软件系统,实现了探测器参数设置、数据采集与显示、数据存储、电机扫描控制、 多波段成像、图谱合一等功能。利用该系统对发电厂烟羽排放进行外场测量,采用被动差分吸 收光谱方法对采集的太阳散射光谱进行处理获得SO2 柱浓度,实验证明系统运行稳定可靠,可用 于污染气体的二维成像解析。

主要研究了一种利用非色散光学法进行NO2 浓度检测的技术,其基本原理是利用NO2 在紫外可见光波段有 较强吸收的特点,根据朗伯-比尔定律通过预先标定好的气体吸收率与浓度的关系曲线来推导气体浓 度信息。在实验室使用光谱仪、氙灯和已知浓度的一系列标准样气进行实验,从光谱仪测得 的290～410 nm范围的光谱数据中选取带宽为5 nm的四个波段,分别计算不同气体浓度下的吸收 率,然后分别与浓度作多项式拟合。通过对比不同波段范围和拟合阶次下的拟合相关系数,确定 了一个拟合效果最好的波段和拟合阶次,为滤光片的选择提供了依据。

研究了基于被动差分吸收光谱技术(DOAS)测量大气中水汽垂直柱浓度的方法。以大气层顶太阳光谱作为参考谱,基于DOAS方法同时反演水汽和O4斜柱浓度，分析了水汽与O4大气质量因子(AMF)之间的关系，通过计算O4 AMF解析出水汽的垂直柱浓度。采用数值模拟方法研究了DOAS方法反演水汽浓度的饱和吸收问题，对水汽垂直柱浓度进行了修正。与太阳光度计及GOME-2卫星测量的结果对比，显示出较好的测量一致性，验证了该方法的可行性。

介绍了一种测量近地面大气NO2平均浓度的新方法——目标差分吸收光谱方法, 即target DOAS(target difference absorption spectrum technology)。 该方法基于被动差分吸收光谱技术, 测量墙体、 山体等目标的太阳反射光谱, 通过差分吸收光谱算法反演得到目标与仪器之间NO2浓度沿路径的积分值SCD(slant column density), 同时仪器到目标之间的距离已知, 并通过选取特定的参考光谱扣除目标到大气顶层的痕量气体吸收, 最终计算出仪器和目标之间的大气NO2平均浓度。 利用建立的目标DOAS系统在合肥开展了观测实验, 成功获取了观测地大气NO2浓度。 观测结果与主动长光程差分吸收光谱仪观测数据进行对比, 二者呈现较好的一致性, 验证了该方法的可行性。