针对傅里叶变换红外光谱仪因信号噪声干扰较大而导致仪器性能下降的问题, 提出了一种基于巴特沃斯带通滤波器的傅里叶变换红外光谱处理方法。首先对带通滤波电路的传递函数进行了理论推导, 随后结合光谱仪参数并经电路软件 Multisim 仿真确定电路元件的具体值, 并通过实验进一步优化直至满足设计要求指标, 最后将设计的带通滤波器用于光谱仪中, 对比分析了增加滤波板前后测量得到的仪器信噪比。实验结果表明: 基于巴特沃斯滤波器的红外光谱处理方法在 2100 ～ 2200 cm-1和 2500 ～ 2600 cm-1 波段得到的仪器信噪比分别为未加滤波器由传统处理方法得到的仪器信噪比的 1.83 倍和 1.96 倍。表明新处理方法有效提高了仪器信噪比, 改善了仪器的性能指标。

相位误差校正是恢复高质量光谱图的关键环节之一。常用的 Mertz 法利用过零采样的单边干涉图数据, 可以快速进行相位校正。针对该方法中对非对称干涉图利用不均匀导致的光谱图高频分量恢复不准确的问题, 提出基于改进 Mertz 法的相位校正方法。利用奇次多项式对非对称干涉图加权, 使得改进的 Mertz 法均衡利 用 “小双边" 干涉图的光谱信息。实验结果表明: 采用所提出的改进 Mertz 法能有效恢复光谱的细节信息, 提升仪器的信噪比。相比于线性函数加权法, 所提出的奇次多项式加权在 900～1100 cm－1 波段 和 2500～2600 cm－1 波段, 平均峰- 峰值信噪比分别提升了 1.2%、2.3%, 均方根值信噪比分别提升了 3.6% 、1.1%。

傅里叶变换是干涉图分析处理的常用方法,由于截断效应,对样本数据直接进行傅里叶变换时会发生频谱泄漏,常采用加切趾函数的方法减小泄漏。首先分析多种常见切趾函数的性能,研究切趾函数主瓣宽度与旁瓣衰减对频谱泄漏的影响;在此基础上,提出一种基于零阶贝塞尔函数加权的三角窗切趾函数,对三角窗函数加权,使其旁瓣衰减加快。实验结果表明:采用提出的改进的三角窗切趾函数能有效抑制频谱泄漏;相比于三角窗,改进的三角窗切趾函数平均峰-峰值信噪比提升了4.9%,方均根值信噪比提升了3.5%,优于常见窗中最优的布莱克曼窗。改进的三角窗切趾函数的主瓣宽度为0.043π,与汉宁窗接近,具有较高的频率分辨率。

为了研究机场排放对环境大气的影响,在2014年12月10日到16日,采用掩日通量遥测傅里叶红外技术(SOF-FTIR)对北京首都国际机场的乙烯(C2H4)、 己烷(C6H14)和一氧化碳(CO)排放进行了研究。分析了三种组份的特征浓度值及其变化趋势,结果表明三者的特征浓度值变化趋势上具有高度相关性；机场乙烯的平均柱浓度为13.18 ppm, 己烷的平均柱浓度为97.82 ppm, 一氧化碳的平均柱浓度为3065.56 ppm。通过结合国际民航组织发布的测量数据,得到该机场乙烯和己烷的排放量分别达到碳氢化合物排放总量的3.32%和66.96%。 文章结果表明,掩日通量遥测FTIR技术与ICAO的数据具有较好的一致性,为评估飞机排放提供数据支撑。

傅里叶变换红外光谱技术由于具有光通量大、光谱范围宽、分辨率高等诸多优势,在 大气环境监测领域得到广泛应用。以傅里叶变换红外光谱仪微弱红外干涉光信号特征和碲镉汞光电导型红外探测器为 基础,分析了基于迈克逊干涉方法的傅里叶变换光谱仪干涉光信号特征,设计了一种以窄带滤波法为核心的微弱信号检 测电路,建立了等效噪声模型分析电路的噪声性能。采用Tina软件对电路进行了模拟仿真,结果表明该电路在通频带内具 有恒定的增益以及群时延,可实现微弱干涉信号无失真放大。将设计的电路应用于傅里叶变换光谱仪中,在室温条件下 获得了大气400～7000 cm-1中红外波段光谱,几乎覆盖了常见的大气污染物在中红外波段的吸收峰,可以较好 地实现对不同污染气体的分辨与测量。

大气气溶胶PM2.5是形成大气灰霾的主要因素,在中国大部分城市已成为首要污染物。2014年春节前夕对郑州市进行了为期一周的大气颗粒物PM2.5样品采集,利用偏最小二乘(PLS)多元变量定量分析模型,分析了郑州市SO2－4、 NO－3和NH+4三种水溶性离子的衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR), 并与离子色谱(IC)分析结果进行了对比。分析了郑州市春节前夕SO2－4、NO－3和NH+4的污染特征和趋势,初步判定了气溶胶的污染来源。

采用代数迭代(ART)算法和最大似然期望最大化(MLEM)算法,利用开路傅里叶变换红外(OP-FTIR)光谱仪的测量结果,通过仿真模拟了高斯空间分布模型下的气体二维浓度场重建,并利用重建评价指标——逼近度和相关系数,分析了这两种重建算法的重建精度和抗噪性能。结果表明:在单峰气体浓度场中,ART与MLEM算法重建结果的逼近度分别为0.177和0.044;在双峰气体浓度场中,ART与MLEM算法重建结果的逼近度分别为0.263和0.069;MLEM算法更适用于重建复杂的气体浓度场。在不同噪声水平下,ART的抗噪性能优于MLEM算法,MLEM算法对噪声更敏感。

为适应快速发展的在线自动监测技术,将非线性最小二乘算法应用于多成分红外光谱信号的定量分 析,通过拟合设定的气溶胶无机离子成分标准光谱和测量光谱,得到测量光谱的定量信息。结果表明非线 性最小二乘法在多成分红外光谱信号定量分析方面具有一定优势,硝酸根的均方根值(RMS)为0.340%。 利用计算结果分析了合肥董铺岛气溶胶无机离子浓度趋势,得到硫酸根和硝酸根的时间变化趋势。可见 非线性最小二乘法可以进行气溶胶离子化学成分浓度的红外光谱定量分析,且不需实时标定。

被动傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术具有远程操作、在线分析和不需要 红外光源等优点。基于此技术 分析了被动遥测轧钢加热炉内燃烧过程中高温一氧化碳(CO)气体浓度计算的相关理论与方法。针对加 热炉辐射光谱测量包含两层均质红外辐射传输介质的情况,提出了采用炉膛外壁控温改变遥测背景红外辐 射,从而获得炉内CO特征光谱的方法。基于轧钢过程中的燃烧工况进行了CO浓度模拟计算与分析,讨论了CO温 度测量误差对测量浓度反演精度的影响,为该技术的实际应用提供了参考数据及技术方案。

傅立叶变换红外(FTIR)光谱系统用He-Ne激光干涉信号作为参考信号,存在过零点采样误差。 基于光的干涉原理,通过傅里叶变换建立了FTIR光谱仪采样误差与光谱鬼线位置和强度之间的理论仿 真模型。为降低采样误差,采用三次样条插值法修正过零点误差,线性插值法重建红外光干涉信号 强度。结果表明该模型可以作为由采样误差引起光谱误差修正算法的理论依据,三次样条插值法 用于He-Ne信号过零点重建能减小采样误差,误差范围降低了93%,线性插值法用于红外光信号强 度重建能提高光谱信噪比,平均提高5.7%。