[发明专利]一种水分子吸收光谱获取方法

摘要

一种水分子吸收光谱获取方法，该方法包括：步骤1)、参数设置；步骤2)、读入水分子的吸收谱线数据集；步骤3)、计算第i条水分子吸收谱线对应的参数；步骤4)、通过数值近似的方法计算各条水分子吸收谱线的Voigt线型；步骤5)、计算水分子在预设的v0与v1之间的吸收光谱。该方法在无需使用很高分辨率的光谱仪的情况下可以有效地获得水分子吸收光谱，从而可以为腔增强吸收光谱技术提供标准的水分子吸收光谱。同时，该方法能有效地计算当环境条件(温度、气压、水汽浓度)等改变时，水分子吸收谱线的线宽、强度等的相关变化，故能广泛地用于较宽的环境参数变化区间内的标准水分子吸收截面的反演计算。

主权项

1.一种水分子光谱获取方法，其特征在于，包括：步骤1)、参数设置：其中，设置如下参数：T：气体温度，以摄氏度为单位；P：气体压力，以bar为单位；v0：需要计算的光谱波段的起始波数，以cm‑1为单位；v1：结束波数；Δν：波数步长；f：水分子在大气里的混合比例，即水的分压(partial pressure)与所述P的比例；ν'：Voigt线截断值；步骤2)、读入水分子的吸收谱线数据集：2.1)下载水分子的吸收谱线数据；2.2)读取在v0与v1之间的所有水分子吸收谱线，构成一维数组vc；2.3)读取一维数组vc中所有水分子吸收谱线，各条谱线分别有如下参数信息：vc[i]：第i条水分子吸收谱线的中心波数；S[i]：第i条水分子吸收谱线在温度为296K时的吸收系数；σair[i]：第i条水分子吸收谱线的空气分子对应的半峰半宽展宽；σH2O[i]：第i条水分子吸收谱线的水分子对应的半峰半宽展宽；E[i]：第i条水分子吸收谱线的对应的基态能级的能量；nair[i]：第i条水分子吸收谱线的空气分子半峰半宽展宽的温度校正指数；2.4)读取水分子配分函数Q在参比温度296K处的值与在不同温度处的值的比例与温度的一一对应关系；步骤3)、计算第i条水分子吸收谱线对应的参数：其中，参数如下：3.1)洛伦兹半峰半宽展宽，公式为：3.2)多普勒半峰半宽展宽，公式为：其中，MH2O为水分子的摩尔质量，取值为18.01528；3.3)吸收系数的温度校正：3.3.1)通过多项式插值的方法，求得296K处的水分子配分函数的值与预设温度T处的水分子配分函数的值的比例K1，记为：3.3.2)对每一条吸收谱线，计算下述比例K2[i]，用来补偿由于设定温度T不同于参比温度296K而引起的变化，即：(1)处于基态能级上的水分子的比例变化；(2)基态与激发态能级上的水分子比例差的变化；其中，所述h为普朗克常数，所述c为光速，所述k为玻尔兹曼常数。步骤4)、通过数值近似的方法计算各条水分子吸收谱线的Voigt线型：4.1)以上述步骤1)中设定的v0为起始波数，v1为结束波数，Δν为波数步长，构建高分辨率的一维波数列ν，一维波数列ν共含j个数值，分别为ν0，ν0+Δν，ν0+2Δν，…，ν1；4.2)取第i条水分子吸收谱线对应的上述步骤2.3)中提及的各项参数，然后做下列计算：4.2.1)对每一条中心频率为vc[i]的水分子吸收谱线，遍历一维波数列ν中列中的所有j个波数值(即ν0，ν0+Δν，ν0+2Δν，…，ν1)，得到如下一维数组X，其第j个元素X[j]为：4.2.2)计算Y值：4.3)计算每一条中心频率为vc[i]的第i条水分子吸收谱线在一维波数列ν内各个波数位置投射得到的吸收截面值，步骤为：4.3.1)对该条吸收谱线，遍历一维波数列ν，得到其投射在一维波数列ν上的Voigt吸收线型，以一维数组V表示，其第j个元素V[j]为：当|ν[j]‑vc[i]|＞ν'时，V[j]＝0；当|ν[j]‑vc[i]|＜ν'时，其中A、B、C、D四个短数列的取值分别为：A：{‑1.215,‑1.3509,‑1.215,‑1.3509}；B：{1.2359,0.3786,‑1.2359,0.3786}；C：{‑0.3085,0.5906,‑0.3085,0.5906}；D：{0.021,‑1.1858,‑0.021,1.1858}；4.3.2)计算第i条吸收谱线在一维波数列ν内各个波数位置的吸收截面值，结果为一维数组ai，其第j个元素ai[j]为：ai[j]＝V[j]×S[i]×K1×K2[i]其中，ai内的所有j个元素以高分辨率重构了中心频率为vc[i]的吸收谱线的Voigt线型；4.3.3)遍历一维数组νc中的所有波数值，重复步骤4.3.1)‑4.3.2)中的计算，得到二维数组V”，二维数组V”共含i行j列；其中，第i行即为上述一维数组ai，二维数组V”内的所有元素以高分辨率重构了预设的v0与v1之间所有水分子吸收线的Voigt线型；步骤5)、计算水分子在预设的v0与v1之间的吸收光谱：以列为单位，将二维数组V”的每列对应的所有行的数值相加，即可得到一维波数列ν内各波数处由各条水分子吸收谱线贡献的吸收截面值之和；以一一维波数列ν为横轴并以cm‑1为单位，上述计算得到的水分子吸收截面值为纵轴并以cm2为单位，即得到水分子在上述步骤1)中预设的各项参数条件下的标准高分辨吸收光谱图。