[发明专利]一种实现大气CO2

说明书

本发明公开一种实现大气CO₂现场探测的转镜式傅里叶变换紫外拉曼光谱仪，包括激发与收集光路、拉曼光谱仪光路、白光参考光路和控制系统。通过将转镜式傅里叶变换光谱仪(Turbo FTS)应用于拉曼光谱仪，并探索其在紫外波段光谱分析的应用，实现大气CO₂的微弱拉曼光谱的现场探测；通过设计一套控制系统对转镜、PMT和数据采集卡的精确控制，实现等光程差间隔采样。本发明可以极大提高探测大气CO₂的信噪比，可以有效提高紫外拉曼光谱复原的准确度并降低运行时间。

技术领域

本发明涉及傅里叶变换拉曼光谱分析领域，特别涉及一种实现大气CO₂现场探测的转镜式傅里叶变换紫外拉曼光谱仪。

背景技术

CO₂是导致全球气候变暖的最重要的温室气体，对大气CO₂进行探测可以为大气CO₂的源与汇分析提供可靠数据，为国家早日实现“碳达峰”与“碳中和”战略目标提供技术支持。然而，现有的质谱探测法结构复杂、体积大，傅里叶变换红外吸收光谱探测法对测定条件要求严苛、准确度不高，二者要应用于现场探测受到很大限制，而拉曼光谱探测法具有很好的指纹特性(准确度高)且结构简单，应用前景广阔。但拉曼光谱探测法存在一个关键问题：信噪比低，难以实现现场探测。

转镜式傅里叶变换光谱仪(Turbo FTS)能够获得高信噪比、高分辨率和高稳定性光谱信号，特别适合大气中CO₂的现场探测。然而，Turbo FTS的转镜在旋转时产生的光程差与转过的角度成非线性关系，均匀时间采样获得的是非等光程差间隔采样干涉信号，无法直接通过快速傅里叶变换(FFT)准确复原光谱信号。针对这一问题，现有的解决方法主要分为软件方法和硬件方法两类。软件方法包括NUFFT法和二次采样法，NUFFT法不适合大转角干涉信号的处理，而二次采样法受到插值技术的限制。软件方法利用了近似的原理，存在较大误差。硬件方法主要是参考光路法，但该方法难以满足紫外波段拉曼光谱的工作条件。

因此有必要研究如何将Turbo FTS应用于拉曼光谱分析技术，并解决Turbo FTS的转镜在旋转时产生的光程差与转过的角度成非线性关系的问题，获得高信噪比(工作在紫外波段)高分辨率(大转角范围)高准确度(等光程差间隔采样)的拉曼光谱，实现大气CO₂的现场探测。

发明内容

本发明提供了一种实现大气CO₂现场探测的转镜式傅里叶变换紫外拉曼光谱仪，通过设计高信噪比光学系统(包括激发与收集光路、拉曼光谱仪光路、白光参考光路)，将Turbo FTS应用于紫外拉曼光谱分析；通过硬件改进和控制系统设计的方式解决Turbo FTS的转镜在旋转时产生的光程差与转过的角度成非线性关系的问题，获得等间隔采样干涉信号，从而实现大气CO₂的紫外拉曼光谱的准确复原，进而实现大气CO₂的现场探测。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种实现大气CO₂现场探测的转镜式傅里叶变换紫外拉曼光谱仪，包括：激发与收集光路、拉曼光谱仪光路、白光参考光路和控制系统，其特征在于：

(1)所述的激发与收集光路包括紫外激光器、激光扩束镜B、激光扩束镜A、拉曼滤光片、准直透镜A、光阑、收集透镜。按照紫外激光的走向，其光路结构组成及空间定位的先后顺序如下：紫外激光器→激光扩束镜B→激光扩束镜A→拉曼滤光片→准直透镜A→光阑→收集透镜，紫外激光照射大气CO₂后产生拉曼散射光，按照拉曼散射光的走向，其光路结构组成及空间定位的先后顺序如下：收集透镜→光阑→准直透镜A→拉曼滤光片；