譜線加寬水汽分子對 CO2 譜線加寬的影響

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。在大氣分子光譜的實際應用中，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。然而實際大氣中除了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數據庫所給出的譜線加寬系數為空氣和自加寬系數，文獻很少報道水汽對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、寬波長選擇性、室溫工作以及可連續(xù)調諧等優(yōu)點而被廣泛應用于痕量探測和光譜參數探測中。本文介紹了以差頻激光器作為光源，結合長光程懷特池，報道了水汽分子對CO₂譜線加寬的影響。根據實驗測量獲得的光譜數據和HITRAN04中CO₂的光譜參數，比較分析了在實際大氣中(海平面，10 km光程)不存在水汽和存在水汽時的CO₂的透過率。

譜線加寬數據分析和討論

實驗以多次平均的方法測量了壓力為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值。測量的光譜數據除了Doppler 效應所引起的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CO₂的Lorentz加寬系數，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，用擬合得到的純CO₂光譜線寬值固定其線寬，得到的加寬系數值是水汽加寬的系數，擬合的數據如表1所示。在表1中線位置、線強和干燥空氣的加寬系數值取自HITRAN04 數據庫，最后一項為測量的水汽加寬系數，經計算擬合所得的水汽加寬系數比干燥的空氣加寬系數平均大 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)為實際測得的光譜和擬合曲線，圖2(b)是實際光譜和擬合曲線之間的殘差。

譜線加寬研究結論

利用窄線寬差頻激光器結合長光程懷特吸收池研究了水汽分子對CO₂的線型加寬的影響，測量了CO₂分子的水汽加寬系數。實驗以多次平均的方法測量了壓力為 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，數據顯示水汽對CO₂分子的吸收光譜具有較大的加寬作用，比HITRAN 04 數據庫上的干燥空氣的加寬系數平均大52%。并且數值分析了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大氣透過率有一定的影響。該研究結果對衛(wèi)星遙感探測和激光大氣傳輸的研究具有一定的參考意義。

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每個都是等同的，稱作均勻加寬；如果原子體系中每個原子只對譜線內與它的靜觀中心頻率相應的部分有貢獻，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加寬；非均勻加寬分有多普勒加寬和晶格缺陷加寬。

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

域具有重要意義。自20世紀60年代起，國內外學者們對此進行了大量的理論研究工作，并應用各種光譜技術，如傅里葉光譜、光聲光譜及波長調制光譜等，進行了實驗研究。水汽譜線的各種參數中，除譜線位置、強度、壓致位移等參數外，水汽在不同周圍分子環(huán)境中的碰撞加寬也是一個重要的研究內容。譬如，1968 年，Burch 對水汽在氮氣、空氣條件下的加寬系數進行了理論計算，得到兩者的比例為 0.9；2000年，Lucchesini等人采用波長調制光譜技術對水汽的氮氣和空氣加寬系數進行了測量，驗證了Burch的結論，得到了820～830 nm范圍內水汽的空氣和氮氣加寬系數之比為 0.9 ±0.2；2006年，高曉明等人在對1.31 μm附近的水汽光譜參數進行測量時，為準確獲得水汽譜線吸收強度，參考了Lucchesini等人的測量結果，通過水汽的氮氣加寬系數推算出了水汽的空氣加寬系數。由于Lucchesini及高曉明等人的光譜測量范圍不同，此時水汽的空氣和氮氣加寬系數是否在不同的波段范圍具有相同的比例關系尤為重要。為此，本文利用近些年興起的連續(xù)波腔衰蕩光譜技術，對近紅外波段1.517 μm 附近(6586.5～6595.5 cm-1范圍內)的7條水汽的空氣和氮氣加寬系數進行實驗研究，得到此波段的兩者比值仍約為0.9，進一步證實了Burch的理論分析結果。此外，本文還就系統(tǒng)測得的水汽Lorentzian線寬與HITRAN2004數據庫數據進行了比較。

譜線加寬測量原理

產生于20世紀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，其本質仍是基于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，該技術不是測量經吸收介質后光強的絕對衰減值，而是將吸收介質引入高Q值無源腔內，通過測量無源腔引入吸收介質前后腔壽命的變化來反演出腔內介質的吸收度，從而提高了測量靈敏度和精度。

腔衰蕩技術進行吸收光譜測量有如下優(yōu)勢：①該技術測量的τ是光強的相對值，由此可避免光源功率起伏對測量結果的影響；②無源腔內光波的等效吸收路徑為L/δ，由于δ遠遠小于1，因此腔衰蕩光譜能在較短的腔體內實現(xiàn)很長的吸收路徑，從而極大地提高測量靈敏度；③腔損耗越小、腔內吸收越低，其吸收測量靈敏度和精度越高。

譜線加寬實驗系統(tǒng)

當腔長掃描至激光頻率處，入射光開始在腔內諧振，系統(tǒng)利用探測器(PDA400，Thorlabs)來獲得腔透射光功率信號，并將此信號傳給系統(tǒng)控制電路。為實現(xiàn)無源腔的基模衰蕩，系統(tǒng)中除優(yōu)化無源腔的結構外，還在控制電路中增加了一個峰值探測電路。當峰值探測電路獲取腔透射光信號峰值后，系統(tǒng)以此為基礎設置衰蕩閾值。當諧振時腔透射光功率大于此閾值時，控制電路在40 ns內關斷DFB激光器，并停止PZT驅動，同時觸發(fā)高速數據卡采集衰蕩數據。此時，腔透射光信號將以單指數形式衰減，計算機將衰蕩信號讀入內存，然后采用Levenberg-Marquardt 法對其進行單指數擬合，求得其衰減時間后，即可求得腔損耗值。當進行光譜測量時，只要掃描激光波長、測得不同波長處的腔損耗值后，即可求得腔內吸收介質的吸收光譜。如圖3所示，當腔內存在吸收介質時，不同激光頻率處的腔衰蕩信號是不同的。當激光頻率靠近介質的吸收峰時，腔損耗較大，此時腔透射光強度較弱，衰蕩時間較短；相反，當激光譜線遠離吸收峰時，腔損耗值變小，此時腔透射光強度增大，衰蕩時間變長。

譜線加寬研究結論

利用所建立的高靈敏度連續(xù)波腔衰蕩光譜系統(tǒng)對 1.517 μm(6590 cm-1)附近水汽的譜線加寬系數進行了測量，得到水汽分子的空氣、氮氣加寬系數比值為 0.8969 ±0.0687，這一測量結果與 Lucchesini 等人利用波長調制光譜技術測得 820～830 nm范圍內的比值 0.9 ±0.2較為吻合，從而進一步驗證了Burch的結論。此外，從系統(tǒng)測得的水汽分子在空氣環(huán)境中的譜線加寬系數與HITRAN2004數據庫進行的比較中發(fā)現(xiàn)，除6594.698，6590.871 cm^-1處 2 條水汽譜線加寬系數存在較大誤差外，其它 5 條譜線結果吻合。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，若更換光源可進一步擴大系統(tǒng)的光譜掃描范圍。此外，本文中實驗研究也顯示了腔衰蕩光譜技術在氣體濃度檢測應用中的潛在價值。 2100433B

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

近年來，隨著直升機技術的迅速發(fā)展，越來越多的電子設備被加裝到直升機平臺，這些設備在直升機平臺上工作時的振動問題也越來越受關注，另一方面，由于電子設備研發(fā)周期越來越短，需要結構設計師在研發(fā)階段進行詳細的強度論證計算，盡可能一次性通過振動試驗，這對設計師提出了很高的要求。隨著電子設備結構越來越復雜，傳統(tǒng)的手工計算和依據經驗校核的精度已遠遠達不到要求，需要借助于有限元分析軟件進行結構校核設計。因此，研究直升機載設備振動條件在有限元仿真軟件中的處理方法就顯得尤為重要。

針對直升機振動譜線的特點，本文介紹了傳統(tǒng)的將正弦加隨機譜轉化為純隨機譜的方法，并提出了2種新的將正弦加隨機譜轉化為仿真軟件可直接應用譜線的方法。最后以某直升機譜線為例，運用NX Nastran軟件對某PCB板組件進行響應仿真分析，得到了3種處理方法的位移和應力響應結果，并作了對比分析。

譜帶基線振動環(huán)境特點

直升機平臺振動特性是在低水平寬帶隨機振動背景上疊加很強的主導正弦。主導正弦是由旋轉器件(主要是旋翼、尾槳和發(fā)動機傳動軸等)產生的，這些振源的振動頻率相對較低，一般為KW(W為旋翼或尾槳的工作轉速頻率，K為槳葉的片數)及其各階倍頻(一般只取前4階，忽略高階分量)。寬帶隨機背景是由于氣動流場噪音等因素引起的。直升機的振動環(huán)境大致可以劃分為3個影響區(qū)：機身前半部主要為主旋翼振動影響區(qū)：主減、傳動及發(fā)動機平臺附近主要為動力傳動系統(tǒng)影響區(qū)；尾梁及垂尾附近主要為尾槳影響區(qū)。由于3個區(qū)域的振動譜線相似，后面以主旋翼振動影響區(qū)為例進行分析。

譜帶基線SOR型振動譜線在有限元軟件中的處理

當前的主流商用有限元分析軟件(如ANSYS,NASTRAN等)動力學分析包含模態(tài)分析、諧響應分析、譜分析、隨機振動分析和瞬態(tài)動力學分析等模塊。對于直升機平臺SOR型振動譜線，正弦定頻振動屬于諧響應范疇，寬帶隨機屬于隨機振動范疇，但目前尚沒有能夠處理這種混合振動模式的模塊，譜線無法同時施加在有限元模型上。對此，需要采用近似簡化的方法，將SOR譜線轉化成有限元模型可接受的邊界條件。

譜帶基線基于試驗的SOR譜轉化為ROR譜方法

設備最終需要通過振動試驗來鑒定是否滿足安裝平臺的抗振要求。振動試驗臺對SOR譜線的實現(xiàn)，目前國內外通用的試驗控制算法如下：先從通過加速度傳感器獲得的正弦加隨機振動試驗信號中分離出正弦信號的幅頻及隨機信號;再分別根據正弦振動試驗及隨機振動試驗控制算法進行均衡控制;均衡后獲得的激勵信號根據線性疊加原理重疊輸出，通過功率放大器驅動振動臺工作，如此往復，進行閉環(huán)控制。

正弦定頻信號理論上具有零帶寬，在振動控制器中正弦實際寬度總是與數據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。設定振動控制器的分析帶寬后，在PSD譜圖上，正弦信號表現(xiàn)為寬度等于分析帶寬的窄帶信號。2100433B

1814年夫瑯禾費在太陽光譜中首先觀測到576條吸收線,并將其中最明顯的幾條用A、B、C、D、E等字母標記。實際上夫瑯禾費譜線約有3萬多條。根據這些吸收線和已知元素的光譜對照,就能分析太陽大氣的化學成分。

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矩形，車輛軸線與線路中線發(fā)生偏移，兩端向曲線外側發(fā)生偏移（d外），中部則向曲線內側偏移（d內1）；又由于曲線外軌超高，引起車輛內傾，使內軌頂面以上日處控制點偏移了一個水平距離（d內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、外側總加寬為：

W=W1 W2=d內1 d內2 d外=

式中：R一曲線半徑（m）；

h一曲線外軌超高（mm）；

H一自軌面算起的計算點高度（mm）。

由于隧道內側加寬Wl總大于外側加寬W2，所以，隧道斷面加寬后，線路中線是不動的，而隧道中線卻向曲線內側偏移了一個距離d=（W1-W2）/2。在設計時，W值向上可進為10cm的整位數以簡化拱架規(guī)格。施工時，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

對于新建的曲線地段的隧道，為了保證運營凈空，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，即自圓曲線終點至緩和曲線中點，并向直線方向延長13m，采用圓曲線加寬斷面；其余緩和曲線并自緩和曲線起點向直線段延長22m，采用緩和曲線中點加寬斷面，即加寬值為圓曲線之半。

(2)當隧道位于反向曲線上，且其間公切線（夾直線）長度小于44m時，重疊部分按兩端不同的曲線半徑分別核算其內外側加寬值，實際加寬值應采用其中較大者。

(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）或錯臺相接（石或混凝土制塊襯砌）。