譜線加寬

譜線加寬研究背景

CO₂分子是重要的大氣分子，在紅外波段具有較強(qiáng)的吸收，因此在大氣輻射傳輸和紅外遙感等方面具有極其重要的應(yīng)用。大氣輻射傳輸和紅外遙感研究需要精確的大氣分子光譜參數(shù)。在大氣分子光譜的實(shí)際應(yīng)用中，通常以N₂，O₂或干燥空氣作為載氣，然后用 Voigt 或 Lorentz 線型擬合得到譜線的加寬系數(shù)。然而實(shí)際大氣中除了N₂和O₂ 之外還含有大量水汽，而且水汽的濃度隨地域、季節(jié)和海拔的不同變化非常大，而HITRAN數(shù)據(jù)庫所給出的譜線加寬系數(shù)為空氣和自加寬系數(shù)，文獻(xiàn)很少報(bào)道水汽對(duì)大氣分子譜線的加寬影響。差頻(DFG)激光器是最近發(fā)展起來的一種新型的激光光源，以其高分辨力、寬波長(zhǎng)選擇性、室溫工作以及可連續(xù)調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于痕量探測(cè)和光譜參數(shù)探測(cè)中。本文介紹了以差頻激光器作為光源，結(jié)合長(zhǎng)光程懷特池，報(bào)道了水汽分子對(duì)CO₂譜線加寬的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的光譜數(shù)據(jù)和HITRAN04中CO₂的光譜參數(shù)，比較分析了在實(shí)際大氣中(海平面，10 km光程)不存在水汽和存在水汽時(shí)的CO₂的透過率。

譜線加寬數(shù)據(jù)分析和討論

實(shí)驗(yàn)以多次平均的方法測(cè)量了壓力為0.821 kPa 的純CO₂吸收光譜以及加入1.485 kPa水汽后CO₂的水汽加寬吸收光譜。探測(cè)范圍從2422 cm^-1到2457 cm^-1，總共有26條吸收譜線被探沿到。用Voigt線型擬合得到了CO₂的10011→10002吸收帶 P(8)到 P(2)以及R(0)到 R(42)吸收譜線水汽加寬系數(shù)值。測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)除了Doppler 效應(yīng)所引起的Gaussian 加寬和氣體分子碰撞引起的 Lorentz 加寬之外，還包含儀器加寬，該差頻系統(tǒng)的儀器線寬約為 60 MHz。為得到精確的水汽對(duì)CO₂的Lorentz加寬系數(shù)，在處理CO₂的水汽加寬光譜之前，先用 Voigt 線型擬合0.821 kPa 的純CO₂光譜，得到線寬值，這個(gè)線寬值是CO₂光譜的自身線寬和儀器線寬的卷積。在用 Voigt 線型擬合CO₂的水汽加寬光譜時(shí)，用擬合得到的純CO₂光譜線寬值固定其線寬，得到的加寬系數(shù)值是水汽加寬的系數(shù)，擬合的數(shù)據(jù)如表1所示。在表1中線位置、線強(qiáng)和干燥空氣的加寬系數(shù)值取自HITRAN04 數(shù)據(jù)庫，最后一項(xiàng)為測(cè)量的水汽加寬系數(shù)，經(jīng)計(jì)算擬合所得的水汽加寬系數(shù)比干燥的空氣加寬系數(shù)平均大 52%。圖1是位于 2449.06419 cm^-1的CO₂吸收線 R(28)在未充入水汽和充入水汽之后的透過率比較圖。圖3為用Voigt 線型擬合的CO₂的水汽加寬光譜的例子，圖2(a)為實(shí)際測(cè)得的光譜和擬合曲線，圖2(b)是實(shí)際光譜和擬合曲線之間的殘差。

譜線加寬研究結(jié)論

利用窄線寬差頻激光器結(jié)合長(zhǎng)光程懷特吸收池研究了水汽分子對(duì)CO₂的線型加寬的影響，測(cè)量了CO₂分子的水汽加寬系數(shù)。實(shí)驗(yàn)以多次平均的方法測(cè)量了壓力為 0.821 kPa 的純CO₂吸收光譜以及加入1.485 kPa 水汽后CO₂的水汽加寬吸收光譜。探測(cè)范圍是從 2422 cm-1 到 2457 cm-1，用Voigt 線型擬合得到了CO₂的10011→10002吸收帶P(8)到P(2)以及R(0)到R(42)吸收譜線水汽加寬系數(shù)值。通過CO₂分子10011→10002 帶R支和部分P支在室溫下水汽加寬吸收光譜研究，數(shù)據(jù)顯示水汽對(duì)CO₂分子的吸收光譜具有較大的加寬作用，比HITRAN 04 數(shù)據(jù)庫上的干燥空氣的加寬系數(shù)平均大52%。并且數(shù)值分析了CO₂分子在這一波段室溫條件下，0.1 MPa的干燥和潮濕空氣(含2.0 kPa水汽)中CO₂的透過率(海平面，10 km光程)，分析比較顯示兩者之間最大的差值約為0.5‰，說明大氣中水汽的存在對(duì)大氣透過率有一定的影響。該研究結(jié)果對(duì)衛(wèi)星遙感探測(cè)和激光大氣傳輸?shù)难芯烤哂幸欢ǖ膮⒖家饬x。

水汽的高分辨率吸收光譜研究一直是熱點(diǎn)，在燃燒診斷、大氣輻射、激光大氣傳輸以及大氣探測(cè)等研究領(lǐng)

域具有重要意義。自20世紀(jì)60年代起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了大量的理論研究工作，并應(yīng)用各種光譜技術(shù)，如傅里葉光譜、光聲光譜及波長(zhǎng)調(diào)制光譜等，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。水汽譜線的各種參數(shù)中，除譜線位置、強(qiáng)度、壓致位移等參數(shù)外，水汽在不同周圍分子環(huán)境中的碰撞加寬也是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。譬如，1968 年，Burch 對(duì)水汽在氮?dú)?、空氣條件下的加寬系數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，得到兩者的比例為 0.9；2000年，Lucchesini等人采用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)對(duì)水汽的氮?dú)夂涂諝饧訉捪禂?shù)進(jìn)行了測(cè)量，驗(yàn)證了Burch的結(jié)論，得到了820～830 nm范圍內(nèi)水汽的空氣和氮?dú)饧訉捪禂?shù)之比為 0.9 ±0.2；2006年，高曉明等人在對(duì)1.31 μm附近的水汽光譜參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為準(zhǔn)確獲得水汽譜線吸收強(qiáng)度，參考了Lucchesini等人的測(cè)量結(jié)果，通過水汽的氮?dú)饧訉捪禂?shù)推算出了水汽的空氣加寬系數(shù)。由于Lucchesini及高曉明等人的光譜測(cè)量范圍不同，此時(shí)水汽的空氣和氮?dú)饧訉捪禂?shù)是否在不同的波段范圍具有相同的比例關(guān)系尤為重要。為此，本文利用近些年興起的連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，對(duì)近紅外波段1.517 μm 附近(6586.5～6595.5 cm-1范圍內(nèi))的7條水汽的空氣和氮?dú)饧訉捪禂?shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到此波段的兩者比值仍約為0.9，進(jìn)一步證實(shí)了Burch的理論分析結(jié)果。此外，本文還就系統(tǒng)測(cè)得的水汽Lorentzian線寬與HITRAN2004數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

譜線加寬測(cè)量原理

產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代的腔衰蕩光譜，是一種高精度、高靈敏度新型光譜技術(shù)，其本質(zhì)仍是基于Lam bertBeer定律的直接吸收光譜。但與常規(guī)的直接吸收光譜不同，該技術(shù)不是測(cè)量經(jīng)吸收介質(zhì)后光強(qiáng)的絕對(duì)衰減值，而是將吸收介質(zhì)引入高Q值無源腔內(nèi)，通過測(cè)量無源腔引入吸收介質(zhì)前后腔壽命的變化來反演出腔內(nèi)介質(zhì)的吸收度，從而提高了測(cè)量靈敏度和精度。

腔衰蕩技術(shù)進(jìn)行吸收光譜測(cè)量有如下優(yōu)勢(shì)：①該技術(shù)測(cè)量的τ是光強(qiáng)的相對(duì)值，由此可避免光源功率起伏對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；②無源腔內(nèi)光波的等效吸收路徑為L(zhǎng)/δ，由于δ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，因此腔衰蕩光譜能在較短的腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)的吸收路徑，從而極大地提高測(cè)量靈敏度；③腔損耗越小、腔內(nèi)吸收越低，其吸收測(cè)量靈敏度和精度越高。

譜線加寬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

當(dāng)腔長(zhǎng)掃描至激光頻率處，入射光開始在腔內(nèi)諧振，系統(tǒng)利用探測(cè)器(PDA400，Thorlabs)來獲得腔透射光功率信號(hào)，并將此信號(hào)傳給系統(tǒng)控制電路。為實(shí)現(xiàn)無源腔的基模衰蕩，系統(tǒng)中除優(yōu)化無源腔的結(jié)構(gòu)外，還在控制電路中增加了一個(gè)峰值探測(cè)電路。當(dāng)峰值探測(cè)電路獲取腔透射光信號(hào)峰值后，系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)設(shè)置衰蕩閾值。當(dāng)諧振時(shí)腔透射光功率大于此閾值時(shí)，控制電路在40 ns內(nèi)關(guān)斷DFB激光器，并停止PZT驅(qū)動(dòng)，同時(shí)觸發(fā)高速數(shù)據(jù)卡采集衰蕩數(shù)據(jù)。此時(shí)，腔透射光信號(hào)將以單指數(shù)形式衰減，計(jì)算機(jī)將衰蕩信號(hào)讀入內(nèi)存，然后采用Levenberg-Marquardt 法對(duì)其進(jìn)行單指數(shù)擬合，求得其衰減時(shí)間后，即可求得腔損耗值。當(dāng)進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)，只要掃描激光波長(zhǎng)、測(cè)得不同波長(zhǎng)處的腔損耗值后，即可求得腔內(nèi)吸收介質(zhì)的吸收光譜。如圖3所示，當(dāng)腔內(nèi)存在吸收介質(zhì)時(shí)，不同激光頻率處的腔衰蕩信號(hào)是不同的。當(dāng)激光頻率靠近介質(zhì)的吸收峰時(shí)，腔損耗較大，此時(shí)腔透射光強(qiáng)度較弱，衰蕩時(shí)間較短；相反，當(dāng)激光譜線遠(yuǎn)離吸收峰時(shí)，腔損耗值變小，此時(shí)腔透射光強(qiáng)度增大，衰蕩時(shí)間變長(zhǎng)。

譜線加寬研究結(jié)論

利用所建立的高靈敏度連續(xù)波腔衰蕩光譜系統(tǒng)對(duì) 1.517 μm(6590 cm-1)附近水汽的譜線加寬系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，得到水汽分子的空氣、氮?dú)饧訉捪禂?shù)比值為 0.8969 ±0.0687，這一測(cè)量結(jié)果與 Lucchesini 等人利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)測(cè)得 820～830 nm范圍內(nèi)的比值 0.9 ±0.2較為吻合，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了Burch的結(jié)論。此外，從系統(tǒng)測(cè)得的水汽分子在空氣環(huán)境中的譜線加寬系數(shù)與HITRAN2004數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的比較中發(fā)現(xiàn)，除6594.698，6590.871 cm^-1處 2 條水汽譜線加寬系數(shù)存在較大誤差外，其它 5 條譜線結(jié)果吻合。本系統(tǒng)中，由于光譜掃描范圍主要由系統(tǒng)所用的 DFB 激光器所決定，因此，若更換光源可進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的光譜掃描范圍。此外，本文中實(shí)驗(yàn)研究也顯示了腔衰蕩光譜技術(shù)在氣體濃度檢測(cè)應(yīng)用中的潛在價(jià)值。 2100433B

譜線加寬有均勻加寬和非均勻加寬。

如果引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)都是等同的，稱作均勻加寬；如果原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的靜觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，即可區(qū)分譜線上的某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā)射的，稱作非均勻加寬。

均勻加寬分有自然加寬，碰撞加寬和晶格振動(dòng)加寬；非均勻加寬分有多普勒加寬和晶格缺陷加寬。

直升機(jī)平臺(tái)的正弦加隨機(jī)振動(dòng)譜線無法直接做為邊界條件施加在有限元模型上，必須轉(zhuǎn)化為仿真軟件可用的譜線。傳統(tǒng)的正弦加隨機(jī)譜線轉(zhuǎn)化為窄帶加寬帶譜線的方法及其轉(zhuǎn)化公式，即分離為純正弦譜線和純隨機(jī)譜線的方法，以及基于振動(dòng)試驗(yàn)的一種新的轉(zhuǎn)化為窄帶加寬帶譜線方法，最后以某PCB板組件為例在NX Nastran中進(jìn)行了對(duì)比仿真分析。結(jié)果表明，3種轉(zhuǎn)化方法中基于試驗(yàn)的轉(zhuǎn)化方法最為嚴(yán)酷，分離為純正弦與純隨機(jī)方法次之，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)化方法響應(yīng)最小。

近年來，隨著直升機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備被加裝到直升機(jī)平臺(tái)，這些設(shè)備在直升機(jī)平臺(tái)上工作時(shí)的振動(dòng)問題也越來越受關(guān)注，另一方面，由于電子設(shè)備研發(fā)周期越來越短，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在研發(fā)階段進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度論證計(jì)算，盡可能一次性通過振動(dòng)試驗(yàn)，這對(duì)設(shè)計(jì)師提出了很高的要求。隨著電子設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的手工計(jì)算和依據(jù)經(jīng)驗(yàn)校核的精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，需要借助于有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核設(shè)計(jì)。因此，研究直升機(jī)載設(shè)備振動(dòng)條件在有限元仿真軟件中的處理方法就顯得尤為重要。

針對(duì)直升機(jī)振動(dòng)譜線的特點(diǎn)，本文介紹了傳統(tǒng)的將正弦加隨機(jī)譜轉(zhuǎn)化為純隨機(jī)譜的方法，并提出了2種新的將正弦加隨機(jī)譜轉(zhuǎn)化為仿真軟件可直接應(yīng)用譜線的方法。最后以某直升機(jī)譜線為例，運(yùn)用NX Nastran軟件對(duì)某PCB板組件進(jìn)行響應(yīng)仿真分析，得到了3種處理方法的位移和應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果，并作了對(duì)比分析。

譜帶基線振動(dòng)環(huán)境特點(diǎn)

直升機(jī)平臺(tái)振動(dòng)特性是在低水平寬帶隨機(jī)振動(dòng)背景上疊加很強(qiáng)的主導(dǎo)正弦。主導(dǎo)正弦是由旋轉(zhuǎn)器件(主要是旋翼、尾槳和發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸等)產(chǎn)生的，這些振源的振動(dòng)頻率相對(duì)較低，一般為KW(W為旋翼或尾槳的工作轉(zhuǎn)速頻率，K為槳葉的片數(shù))及其各階倍頻(一般只取前4階，忽略高階分量)。寬帶隨機(jī)背景是由于氣動(dòng)流場(chǎng)噪音等因素引起的。直升機(jī)的振動(dòng)環(huán)境大致可以劃分為3個(gè)影響區(qū)：機(jī)身前半部主要為主旋翼振動(dòng)影響區(qū)：主減、傳動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)附近主要為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)影響區(qū)；尾梁及垂尾附近主要為尾槳影響區(qū)。由于3個(gè)區(qū)域的振動(dòng)譜線相似，后面以主旋翼振動(dòng)影響區(qū)為例進(jìn)行分析。

譜帶基線SOR型振動(dòng)譜線在有限元軟件中的處理

當(dāng)前的主流商用有限元分析軟件(如ANSYS,NASTRAN等)動(dòng)力學(xué)分析包含模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等模塊。對(duì)于直升機(jī)平臺(tái)SOR型振動(dòng)譜線，正弦定頻振動(dòng)屬于諧響應(yīng)范疇，寬帶隨機(jī)屬于隨機(jī)振動(dòng)范疇，但目前尚沒有能夠處理這種混合振動(dòng)模式的模塊，譜線無法同時(shí)施加在有限元模型上。對(duì)此，需要采用近似簡(jiǎn)化的方法，將SOR譜線轉(zhuǎn)化成有限元模型可接受的邊界條件。

譜帶基線基于試驗(yàn)的SOR譜轉(zhuǎn)化為ROR譜方法

設(shè)備最終需要通過振動(dòng)試驗(yàn)來鑒定是否滿足安裝平臺(tái)的抗振要求。振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)SOR譜線的實(shí)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外通用的試驗(yàn)控制算法如下：先從通過加速度傳感器獲得的正弦加隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)中分離出正弦信號(hào)的幅頻及隨機(jī)信號(hào);再分別根據(jù)正弦振動(dòng)試驗(yàn)及隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制算法進(jìn)行均衡控制;均衡后獲得的激勵(lì)信號(hào)根據(jù)線性疊加原理重疊輸出，通過功率放大器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作，如此往復(fù)，進(jìn)行閉環(huán)控制。

正弦定頻信號(hào)理論上具有零帶寬，在振動(dòng)控制器中正弦實(shí)際寬度總是與數(shù)據(jù)分析的頻率分辨帶寬相同，而幅值隨著分析帶寬的變窄而增大。設(shè)定振動(dòng)控制器的分析帶寬后，在PSD譜圖上，正弦信號(hào)表現(xiàn)為寬度等于分析帶寬的窄帶信號(hào)。2100433B

1814年夫瑯禾費(fèi)在太陽光譜中首先觀測(cè)到576條吸收線,并將其中最明顯的幾條用A、B、C、D、E等字母標(biāo)記。實(shí)際上夫瑯禾費(fèi)譜線約有3萬多條。根據(jù)這些吸收線和已知元素的光譜對(duì)照,就能分析太陽大氣的化學(xué)成分。

1．單線曲線隧道的加寬辦法

在曲線上，由于車輛平面是一個(gè)矩形，車輛軸線與線路中線發(fā)生偏移，兩端向曲線外側(cè)發(fā)生偏移（d外），中部則向曲線內(nèi)側(cè)偏移（d內(nèi)1）；又由于曲線外軌超高，引起車輛內(nèi)傾，使內(nèi)軌頂面以上日處控制點(diǎn)偏移了一個(gè)水平距離（d內(nèi)2）。因此，為了保證列車能順利地通過曲線隧道，必須將隧道凈空加寬。曲線內(nèi)、外側(cè)總加寬為：

W=W1 W2=d內(nèi)1 d內(nèi)2 d外=

式中：R一曲線半徑（m）；

h一曲線外軌超高（mm）；

H一自軌面算起的計(jì)算點(diǎn)高度（mm）。

由于隧道內(nèi)側(cè)加寬Wl總大于外側(cè)加寬W2，所以，隧道斷面加寬后，線路中線是不動(dòng)的，而隧道中線卻向曲線內(nèi)側(cè)偏移了一個(gè)距離d=（W1-W2）/2。在設(shè)計(jì)時(shí)，W值向上可進(jìn)為10cm的整位數(shù)以簡(jiǎn)化拱架規(guī)格。施工時(shí)，按照W決定襯砌斷面澆筑的拱模，按照d確定拱模中線（即隧道中線）與線路中線的間距。

2．曲線隧道地段加寬范圍

對(duì)于新建的曲線地段的隧道，為了保證運(yùn)營(yíng)凈空，以及便于施工，一般按照下列方式確定加寬范圍。

(1)位于曲線地段的隧道，其斷面加寬除圓曲線部分按規(guī)定辦理外，緩和曲線部分一般可分兩段加寬，即自圓曲線終點(diǎn)至緩和曲線中點(diǎn)，并向直線方向延長(zhǎng)13m，采用圓曲線加寬斷面；其余緩和曲線并自緩和曲線起點(diǎn)向直線段延長(zhǎng)22m，采用緩和曲線中點(diǎn)加寬斷面，即加寬值為圓曲線之半。

(2)當(dāng)隧道位于反向曲線上，且其間公切線（夾直線）長(zhǎng)度小于44m時(shí)，重疊部分按兩端不同的曲線半徑分別核算其內(nèi)外側(cè)加寬值，實(shí)際加寬值應(yīng)采用其中較大者。

(3)不同加寬值襯砌斷面的銜接，可在兩拱架間順接整體澆筑（混凝土襯砌）或錯(cuò)臺(tái)相接（石或混凝土制塊襯砌）。