1、第八章 傅里叶变换红外发射光谱 Chapter 8 FTIR Emission Spectroscopy,参考书目,吴谨光. 近代傅里叶变换红外光谱技术及应用. 北京：科学技术文献出版社, 1994 林沝, 吴平平, 周文敏, 王俊德. 实用傅里叶变换红外光谱学. 北京：中国环境科学出版社, 1991 张建奇，方小平. 红外物理.西安：西安电子科技大学出版社, 2004,背 景,在FTIR光谱技术开展之前，测定样品的透射光谱/吸收光谱，是鉴别材料的主要方法。 随着FTIR技术的发展，使FTIR发射光谱技术得以在多种领域，特别是对那些不宜做透射光谱的体系，如物体表面、腐蚀性极强及不透明样品、高温
2、样品等的定性或定量分析及其它特性的研究中应用，并且已成为非常重要而且是极有潜力的一种研究手段。,主 要 内 容,红外发射光谱 什么是红外辐射？ 红外辐射的基本定律 黑体辐射特性的三个基本定律 傅里叶变换红外发射光谱的测量方法 红外发射光谱的应用 遥感FTIR,Infrared Radiation？,红外辐射也称红外线，是1800年由英国天文学家Herschel在研究太阳的热效应时发现的。 一切温度高于绝对零度的有生命的和无生命的物体时时刻刻都在不停的辐射红外线。 辐射能量的大小、频率和波长由产生辐射源的温度、大小和材料的特性，如发射率来决定。 当一个辐射源所发射的能量照射到另一个物体上时，它的
3、一部分可能被发射，一部分被透射，另一部分可能被它吸收产生热。 红外辐射存在于世界上的任何角落。 整个星空、高山大海、森林湖泊 军事装置，如坦克、车辆、军舰、飞机等，由于它们有高温部位，如发动机、尾气等，所以都是强红外辐射源。 红外辐射的波长范围0.751000m。,I、Characteristics,红外辐射对人的眼睛不敏感，所以必须用红外辐射敏感的红外探测器才能探测到； 红外辐射的光量子能量比可见光的小，例如10m的红外光子能量大约是可见光光子能量的1/20； 红外辐射的热效应(Heat Effect)比可见光强得多； 电磁波的频率越高，热效应越强，但穿透力越差 烤箱vs.微波炉 红外辐射更
4、易被物质所吸收。,II、Basic Definitions,透射(transmission)、吸收(absorption)和反射(reflection) 当一个物体放射出的辐射能，照射到另一个物体上的时候，辐射能就可能被该物体透射、反射或吸收。根据能量守恒原理：t+r+a=1t、r、a分别表示该物体的透射率、反射率或吸收率。,III、常用辐射量单位,1、辐射能(radiant energy) 以电磁波的形式发射、传输和接收的能量，用Q表示，单位是J。 辐射能密度(radiant energy density) 辐射场内单位体积中的辐射能，用表示，单位是J/m3 。,2、辐射功率(radiant
5、 power),发射、传输或接收辐射能的时间速率，用P表示，单位W，定义式为,辐射在单位时间内通过某一面积的辐射能称为经过该面积的辐射通量(radiant flux)，辐射通量也称为辐通量，单位W。,辐射通量密度(radiant flux density)：辐射源在单位面积上发射出的辐射通量，单位W/m2。,其中，t为时间，单位s。,3、辐射强度(radiant intensity),点源：物理尺寸可以忽略不计，理想上将其抽象为一个点的辐射源，否则就是扩展源。 在实际情况下，能否把辐射源看作点源，首要问题不是辐射源的真实物理尺寸，而是它相对于观测者（或探测器）所张的立体角度。 一般来说，如果测
6、量装置没有使用光学系统，只要在比辐射源的最大尺寸大10倍的距离处观测，辐射源就可以视为一个点源。 如果测量装置使用了光学系统，则基本的判断标准是探测器的尺寸和辐射源像的尺寸之间的关系：如果像比探测器小，辐射源可以认为是一个点源；如果像比探测器大，则辐射源可认为是一个扩展源。,辐射强度是描述点辐射源的辐射功率在空间分布的特性。,辐射强度(radiant intensity),辐射源在某一方向上的辐射强度是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出的辐射功率，用I表示。,单位W/Sr（瓦/球面度）,辐射强度对整个发射立体角的积分，就可以得到辐射源发射的总辐射功率P，即,各向同性的辐射源，P=4I,4
7、、辐射出射度(radiant exitance),辐出度，是描述扩展辐射源的辐射功率在源表面分布特性。 辐射源单位表面积向半球空间（2立体角）内发射的辐射功率称为辐射出射度，用M表示。,单位W/m2。,对于发射不均匀的辐射源表面，总辐射功率,如果辐射源表面的辐射出射度M为常数，则P=MA。,5、辐射亮度(radiance),辐亮度，是描述扩展源所发射的辐射功率在源表面不同位置上沿空间不同方向的分布特性。 辐射源在某一方向上的辐射亮度是指在该方向上的单位投影面积内向单位立体角中发射的辐射功率，用L表示。,P,单位W/(m2Sr),从面元A向立体角元内发射的辐射通量是二级小量(P)= 2P,A=A
8、cos,在方向观测到的辐射源表面位置x处的辐射亮度，就是2P比A与之积的极限值,d2P=LcosddA,辐射亮度L和辐射出射度M之间的关系：,P,小面源是具有一定尺度的“点源”，它既有点源特性的辐射强度，又有面源的辐射亮度。,对于上述所测量的小面积元A，有 如果小面源的辐射亮度L不随位置变化,则小面源的辐射强度为即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐射亮度乘以小面源在该方向上的投影面积（或表观面积）。,6、辐射照度(irradiance),描述一个物体表面被辐照的程度。 被照表面的单位面积上接收到的辐射功率称为该被照射处的辐射照度，简称辐照度，用E表示。,辐照度的数值是投射到表面上每
9、单位面积的辐射功率，单位W/m2。,辐射照度和辐射出射度的差别： 辐射出射度M描述辐射源的特性，它包括了辐射源向整个半球空间发射的辐射功率； 辐射照度E描述被照表面的特性，它可以是由一个或数个辐射源的辐射功率，也可以是来自制定方向的一个立体角中投射来的辐射功率。,IV、光谱辐射量,前面的六个基本辐射量事实上是默认为包含了全部波长（0）的全部辐射的辐射量，因此，把它们称为全辐射量。 我们关心的是在某特定波长附近的辐射特性(单色辐射量)； 在指定波长处取一个小的波长间隔，在这个小的波长间隔内的辐射量（波段辐射量）X（可以是Q、P、M、I、L和E）的增量与之比的极限，就定义为相应的光谱辐射量。,光谱
10、辐射功率(spectral radiant power),表征在指定波长处单位波长间隔内的辐射功率,单位W/m,P通常是的函数，即P=P(),波长为的单色辐射功率,在光谱带12之间的波段辐射功率,如果1=0，2=，就得到全辐射功率,其他光谱辐射量,光谱辐射强度，spectral radiant intensity ，单位W/(Srm),光谱辐射出射度，spectral radiant exitance，单位W/(cm2m),光谱辐射亮度，spectral radiance，单位W/(cm2Srm),光谱辐射照度，spectral irradiance，单位W/(cm2m),同样可得到相应的单色
11、辐射量、波段辐射量和全辐射量。,二、红外辐射基本定律,基尔霍夫（Kirchhoff）定律在任一给定的温度下，辐射通量密度与吸收率之比，对于任何材料来说，都是一个常数，并等于该温度下，绝对黑体的辐射通量密度。,W辐射源的辐射通量密度，每单位平方厘米面积上，每秒钟所辐射出来的总能量；a 吸收率；WBB黑体的发射率,Kirchhoff定律,一个好的吸收体必然是一个好的发射体。如果吸收率高，则发射率一定也高. 在热平衡条件下，物体辐射的能量一定等于吸收的能量，Kirchhoff定律可以表示为：a=,a 辐射吸收率(radiant absorptivity)，指物体吸收的辐射功率与入射的辐射功率之比。
12、比辐射率(发射率,radiant emissivity)，指同一温度下，物体的辐射发射量与黑体的辐射发射量之比。,Kirkhoff 定律,绝对黑体blackbody (a=1)，不随波长变化 灰体gray body (a1),不随波长变化 选择性辐射体selective radiator:随波长变化且1（因而也随波长变化且1）,红外辐射体分为：,三种类型辐射体的光谱发射率,黑体,黑体是最有效的辐射体； 黑体的辐射功率大小只与它的温度有关。,绝对黑体：能够完全吸收入射辐射，并且有最大发射率的物体。,三、黑体辐射的基本定律,Planck定律 Stefan-Boltzmann定律 Wien位移定律,
13、Planck定律,W-光谱辐射通量密度（Wcm-2m-1），光谱辐射出射度 T -绝对温度（K） - 波长 h- Planck常数 6.62561034(Ws-2) C-光速 2.9979251010(cms-1) C1=2hC2=第一辐射常数=3.74104(Wcm-2m4) C2=hc/k=第二辐射常数=1.438104（mK） K-Boltzmann常数=1.381023(WsK-1) e-自然对数的底=2.71828,Max Planck (1858 1947) Nobel Prize 1918,Planck定律的意义 黑体辐射通量密度与波长的关系,W随连续变化，曲线只有一个极大值；
14、T越高， W也越大，不同温度的曲线永不相交，曲线下的面积就是T4（Stefan-Boltzmann定律）； 随着T的升高，辐射极大值所在位置m移向短波方向（Wien定律） 黑体的辐射只与黑体的绝对温度有关。,Stefan Boltzmann定律,W 辐射通量密度（Wcm-2） Stefan-Boltzmann常数=5.6710-12(Wcm-2K-4),辐射通量密度随绝对温度的四次方成正比，故相当小的温度变化就会引起辐射通量密度很大的变化。,将Planck公式在零到无穷大的波长范围内积分得到的辐射通量密度。即从1平方厘米面积的黑体，辐射到半球空间里的总辐射通量。,Wien位移定律,对Planc
15、k公式微分，就求得黑体温度与光谱辐射通量密度的峰值波长的关系。mT=bm 光谱辐射通量密度的峰值波长（m）b Wien位移常数=2897.8(mK) 光谱辐射通量密度的峰值波长与绝对温度成反比。,可计算出：人体(T=310K)辐射的峰值波长约为9.4m；太阳（看作T6000K的黑体）的峰值波长约为0.48m。 太阳辐射的50以上功率是在可见光区和紫外区，而人体辐射几乎全部在红外区。,将Wien位移定律mT的值代入Planck公式，可得到黑体辐射出射度的峰值式中，b11.286210-11W/(m2mT5)上式表明，黑体的光谱辐射出射度峰值与绝对温度的五次方成正比，与图中曲线随温度的增加辐射曲线
16、的峰值迅速提高相符。,若增加一个因子，我们就能将上述描述黑体辐射的公式，用于非黑体辐射源上。 这个因子就是发射率，它是非黑体的辐射源的辐射通量密度W与具有同一温度的黑体辐射通量密度W的比值。是介于0和1之间的值，它与材料种类、表面磨光的程度、波长和温度有关。它的一般表达式为 ()为辐射源的光谱发射率。,三种辐射体的辐射特性,黑体是最佳热辐射源，在任何温度下，黑体的光谱分布曲线是其它各种辐射源的光谱分布曲线的包络线。 灰体的发射率是黑体的一个不变的分数,灰体的W与的关系曲线与黑体相似的，但m的值比黑体小。 喷气式飞机尾喷管、无动力空间飞行器、人、大地及空间背景。 选择性辐射体，W与的关系和黑体或
17、灰体完全不一样。,a）黑体或称Planck辐射体，()=0； b）灰体，()= =常数1； c）选择性辐射体，()随波长变化。,根据能量守恒原理：t+r+a=1黑体将吸收全部的入射能量，即，a=1，r=t=0。,在给定温度下，任何材料的发射率在数值上等于该温度的吸收率。,Stefan-Boltzmann,Kirchhoff,=a,对于气体样品，或者是在金属支持体上，或者是在不吸收基体物上的凝聚相样品，样品的反射率是很小的，r0，所以很好地存在近似式,()+t()=1,即()=1-t(),所以样品的发射率与它的浓度之间的关系为,四、FTIR发射光谱的测量方法,实验室测量：利用红外发射附件，该附件
18、可以加热升温，以人造黑体作为标准。该附件主要用来测量固体或液体样品的光谱比辐射率。 红外遥感测量：主要用来测量红外辐射源的光谱辐射通量密度W。,1、红外发射附件测量,用DTGS检测器及红外发射附件，将待测样品和黑体加热到某一温度进行测量时，样品的比辐射率Ws()和Wb()分别为待测样品和黑体在同一加热温度下的光谱辐射通量密度。,Bauer等人设计的测量设备结构图,Oertel H.Bauer W Facility for the measurement of spectral emissivities of bright metals in the temperature range from
19、 200 to 1 200 . 1998,椭球反射镜反射计测量系统结构框图,Markham J R.Kinsella K.Carangelo R M A bench top FT-IR based instrument for simultaneously measuring surface spectral emittance and temperature. 1993,Bharadwaj S P.Modestl M F.Riazzi R J Medium resolution transmission measurements of water vapor at high temperat
20、ure 2006(04),Modest的高温发射率测量装置示意,Hanssen L.Mekhontsev S.Khromchenko V Infrared spectral emissivity characterization facility at NIST 2004,NIST红外光谱发射率测试系统结构示意图,2、遥感测量,在温度T时，仪器测得的待测红外辐射源的单光束光谱。,D.B. Chase, Applied Spectroscopy, 1981, 35: 77,在温度为T1和T2下，测定黑体的光谱辐射通量密度 ，以及样品的光谱辐射通量密度 。 对于黑体而言，光谱比辐射率 恒等于1，反
21、射率 ，则有,测量步骤,对于样品而言，则有,则,例：基于快速傅立叶红外光谱仪的自然地物光谱发射率测量,仪器所测得的红外信号，其总的表达式为,根据Kirchhoff 定律，对于不透明的物体，其发射率和反射率R 的和为1,Ls 为样品的辐射亮度，Wm-3sr-1； LBB 为黑体的辐射出射度，Wm-3sr-1； 为传感器与目标之间的大气传输率； sol 为太阳与目标之间的大气传输率； LUWR 为上升流的辐射亮度，Wm-3sr-1； LDWR 为沉降流的辐射亮度， Wm-3sr-1； Isol 为太阳入射的辐射照度，Wm3； 为样品的发射率。,式(2)的第二个部分考虑了物体对于周围环境入射能量的反
22、射，物体周围环境的入射能量主要包括天空的背景辐射、云层辐射以及样品表面半球区域内的物体辐射。通常利用沉降流LDWR 来表征周围环境的入射能量，沉降流数据可以通过漫反射金板获得。 第三个部分考虑了太阳入射能量对于测量结果的影响。,因此，对于自然地物，其光谱发射率曲线可按下式进行计算,在812 m 波段其辐射能量近似等于0，在812 m 波段太阳的入射能量相对于自然地物的辐射能量可以忽略。从而可将式(2)化简为：,在自然地表物体的表面温度为T 时，其发射率与其辐射亮度Ls 的关系如下式：,Kirchhoff定律,Planck定律,样品的表面温度T:,王 珲, 等. 基于快速傅立叶红外光谱仪的自然地
23、物光谱发射率测量. 红 外 技 术, 2009, 31(4): 210-214,王 珲, 等. 基于快速傅立叶红外光谱仪的自然地物光谱发射率测量. 红 外 技 术, 2009, 31(4): 210-214,3、红外辐射源的光谱辐射通量密度,在温度T时，仪器测得的待测红外辐射源的单光束光谱 其真实辐射通量密度应是 扣除背景后，可得 则待测辐射源的真实光谱辐射通量密度为,4、仪器响应函数 IRF,仪器响应函数R(,T)可事先用黑体进行标定； 测量黑体的单光束发射光谱 ，减去背景单光束光谱 ，扣除大气中水蒸气和二氧化碳的吸收，得到黑体的表观发射光谱。 用此表观发射光谱除以同一温度下的理论黑体的发射
24、光谱（Planck函数），即得到仪器的响应函数。,仪器响应函数的变化规律,不同的仪器其响应函数有不同的变化规律： Nicolet 170RS遥感FTIR光谱仪：该仪器的仪器响应函数的影响随标准绝对黑体温度的上升而降低(Junde WANG, Tianshu WANG, et al. Spectosc. Lett., 1997, 30: 783)； Bruker EQUINOX55遥感FTIR的仪器响应函数，不但与校正时所用的黑体温度有关，而且还和校正时仪器接收到的信号大小有直接关系。 所以在做发射光谱测量时，必须要对仪器进行校正。,Bruker EQUINOX55的IRF,五、红外发射光谱的应
25、用,凝聚相材料的特性表征 矿物精细结构 农药微量分析 如：DDT、狄氏剂、马拉硫磷等 生物样品超微量分析 如：人类活体皮肤的色素沉着、感染部位等进行无损伤检查 无机化合物的价态分析 如：铜表面的一价铜和二价铜的价态 时间分辨发射光谱 表征快速反应过程中的物理化学特性，特别是分析中间产物,见：林沝等编著. 实用傅里叶变换红外光谱学. 中国环境科学出版社，1991，449465,1、矿岩样品红外发射光谱的测定,樊江水, 何冠生 于明湘. 西北大学学报(自然科学版), 1996, 26(3): 205-208,求得：发射率=0.85 按照维恩位移定律mT=b，求出m=2.91m，理论与实验相符,84
26、7K,2、润滑剂分子结构及润滑作用机理,高鸿锦，孙素琴. 光谱学与光谱分析, 1993, 13(5): 27-33,C=O,C=O,C=C,Si-O,3、聚合物电解质导电机制研究,许金梅, 姜艳霞, 等. 光谱学与光谱分析, 2007, 27(2): 247-249,六、遥感傅里叶变换红外光谱,RS-FTIR简介 RS-FTIR系统 气体温度的测量 分子转振光谱测温法 最大强度谱线测温法 光谱辐射绝对能量分布 燃烧产物浓度 例 RS-FTIR遥测污染气体 吸收光谱法 发射光谱法 例,1、遥感FTIR,红外辐射或吸收,地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量,遥感FTIR,广泛的用途
27、,气体组分鉴定和定量测定 红外辐射源的物理特性 红外辐射能量的光谱分布及温度的测定 化学特性及它们随时间的变化特性的测定,对城市污染源排放的废气进行监测,小型烟囱排放出气体 Carlson,光化学烟雾气体 Walter,运动场三氯乙烯、三氯甲烷、 三氯乙烷和三氯三氟乙烷 四种VOCs气体 Phan,奥运村附近上空的臭氧 Gamiles,CO、CO2、NO、N2O、 NH3CH4、SO2、H2O、HCl及 HCHO等气体的浓度 Haus,燃油发动机尾气 J D Wang,利用太阳光或月球光作为红外吸收/发射光源，以轮船、飞机、卫星等作为遥感平台，直接、迅速获取大量常规手段难以得到的大气环境信息。
28、,军事、地质、气象学研究、大气化学、工业在线监测、森林火灾报警、研究火山爆发释放出来的气体,2、遥感FTIR的发展,1967年，Low提出使用一台8in的反射式望远镜，收集傅里叶变换红外光谱仪约183米处的发电厂烟囱排放的气体的红外辐射，旨在鉴定烟囱排气中的污染物，如CO2和SO2等。 与此同时，美国空气污染控制局认为，必须开发一种新仪器，能够遥测各种污染源排放的气体，要求光谱仪能够： 远距离进行大气中的红外吸收测定； 能远距离对各种红外源排放的红外辐射特性，进行单端测定。 它无需取样和样品前处理等繁杂手续，特别适用于那些事先无法知道的那些待测对象。 1979年，Herget提出一个基于Dal
29、l-Kirkham望远镜的优秀设计，构成了发射遥感系统，简称ROSE（Remote Optical Sensing of Emission）。 随后在ROSE系统的基础上，各种商品化遥感FTIR仪器迅速发展起来。,ROSE系统,ROSE系统的主要缺点,分束器为KBr或BaF2的，极易潮解，野外作业，仪器维护很困难； 不管是做吸收测量还是发射测量，都要借助肉眼观察接收望远镜成象情况，要对准待测目标是比较难的； 接收型望远镜口径过大，对提高仪器灵敏度有利，但也带来很大的不利，如整个干涉仪无法加盖，全部裸露在外。为防尘等带来一系列问题。,NICOLET 170RS,Bruker EQUINOX55,
30、EQUINOX55,红外光谱仪,外置红外光源,Bruker Vertex70,Bruker OPAG 33,3、燃烧气体温度的测量,含有氟、氯等元素的有机化合物燃烧，将会产生大量的含有C、H、O、Cl、F等元素的气体化合物，如CO2、HCl、HF、H2O等，利用这些分子的热激发产生的分子基带转振光谱，就可以对剧烈的、非稳定的燃烧火焰温度进行直接的测量。 分子转振光谱测温法 最大强度谱线测温法,（1）分子转振光谱测温法,根据Einstein方程，分子受激辐射的转动或转振谱线强度，即每秒由辐射源辐射出的能量Iem可以表示为：,Aj0 是Einstein 自发辐射的变迁几率, h 是Plancks
31、常数（h=6.625610-27erg.sec） 0 是分子转振谱带辐射线的频率（cm-1） Nj 是初始状态的分子数目。,由波动机理，自发辐射的变迁几率Aj0与频率0 有如下的关系：,（1）分子转振光谱测温法,所以：,根据Maxwell-Boltzmann分布定律, 对于严格的转动，自发辐射的变迁几率A=0, 在转动状态，实际的分子数目本质上是由转动水平的热分布来决定的:,N0 是总的分子数目 Qr 被称作配分函数（或转动态的分子数）Bv 是振动状态时的转动常数 J+1和J 分别是谱线上态和下态的总角量子数 k 是Boltzmann常数(1.3810-16erg/K) c 是光速(31010
32、cm/sec)，T 是火焰的绝对温度(K),（1）分子转振光谱测温法,得出转振谱带中的谱线强度为,Iem 谱线强度 Cem 是依赖于偶极子量子数的变化和初始振动状态时的总分子数的常数 Qr 被作配分函数（或转动态的分子数） 0 是分子转振谱带辐射线的频率 J，J+1分别对应于转振光谱精细结构的R分支和P分支 Bv 是振动状态时的转动常数,因此，,（1）分子转振光谱测温法,当转振光谱的谱线轮廓是Lorentzian线形，则,带入上式得：,其中Dv 几乎是一个常数,对以上方程取自然对数，得到：,（1）分子转振光谱测温法,则可以推导出,b是一个常数,转振光谱的谱带中心0处的最大光谱辐射亮度W0 （单
33、位W/(cm2srcm-1)）,Irelative 是谱线的相对强度，R(v)是仪器响应函数，如前所述，在给定的频率v处，仪器的响应函数是常数。,（1）分子转振光谱测温法,R分支,P分支,J 是下态角子数； 对于R分支，取值为0, 1, 2,(J= m-1)； 对于P分支，取值为1, 2, 3,(J=-m)； m是谱线序数。,（2）最大强度谱线测温法,双原子分子转振发射基带光谱精细结构中的最大强度光谱线对应的转动量子数J，与热气体的温度有密切关系：J 为上态角量子数；Bv为分子转动常数；a=2k/h，k和h分别为Boltzmann和Planck常数；T为待测温度 (K)。 测量的前提条件：燃烧
34、的火焰要比较稳定，燃烧越稳定，测量的结果就越可靠。,（3）光谱辐射绝对能量分布,光谱辐射亮度表示为仪器响应函数R(,T)可事先用黑体进行标定,单位：W(cm2Srcm-1)-1,单位：W(cm2Srcm-1)-1-1,（4）燃烧产物浓度,气体的浓度C 与吸光度A()和透过率()有如下的关系：,对于气体,在火焰温度T下，气体的浓度C,W(v,T) 气体的光谱辐射通量密度 Wbb(v,T) 黑体的光谱辐射通量密度,例1：固体推进剂,固体推进剂的燃烧火焰的发射光谱-时间图,Liming Zhang, Lin Zhang, Yan Li. Propellants, Explosives, Pyrote
35、chnics, 2006, 42(5): 410-414 Yan Li, Junde Wang. Instrumen. Sci. & Tech., 2003, 31: 33-47,快速扫描,硝基胍固体推进剂(3s),双基固体推进剂(0.125s), 分子转振光谱测温法,固体推进剂的燃烧火焰在某时刻的发射光谱,P-分支,HCl在2885cm-1处的P分支精细结构,从HCl发射光谱的P分支精细结构得到的温度曲线,A=0.0079,最大强度测温法,HF发射光谱基带精细结构 稳定的燃烧(27秒) 不稳定燃烧(6秒),两种方法测得的温度,A: 分子转振光谱测温法；B: 分子发射光谱最大强度谱线测温法,固
36、体推进剂燃烧辐射的红外光谱能量分布,燃烧火焰的光谱辐射亮度W(,T),燃烧产物的浓度,HCl和HF的浓度随时间的变化曲线,HCl 2677.8 cm-1，吸收系数为1.910-3ppm-1m-1 HF 4174.0 cm-1，吸收系数为5.110-3ppm-1m-1,例2、红外诱饵弹光谱能量分布,35m 812m,可以判断红外诱饵弹在各个大气窗口的红外辐射能力,红外诱饵弹辐射强度,4、RS-FTIR遥测污染气体,主要优点： 无须取样、无须样品的预处理； 可进行单端或/和双端遥感测定，并可以进行24小时连续监测； 不仅避免干扰待测参数，而且保护了测量仪器和人员不受污染； 灵敏度高，分析速度快。,
37、遥感FTIR的测量方式,（1）吸收光谱法,气体的浓度与在指定频率上的透射率之间的关系，服从Beer定律,在热气体中的真实浓度为,()是频率为时，光的透射率 ； Ks待测气体的光谱吸收系数；Cs待测气体的浓度； Ls吸收光程，即待测辐射源的厚度；KA存在于大气中的指定气体的吸收系数；CA存在于大气中的指定气体的浓度； LA光源到仪器之间的距离,单端法（passive）,以太阳光或月光为参考光源，测污染气体对太阳辐射的吸收，求其透过率,单端法（passive）,可以夜间监测,有对准任意方向收集数据的能力,测量时无需点采样，无需进行样品预处理,双端法（positive）,让待测辐射源位于遥感FTIR
38、谱仪和带有Dall-Kirkham准直光镜的Globar光源之间测量，求其透射率。,信噪比高、灵敏度高、检测速度快,远距离、多种污染物实时监测,（2）发射光谱法,从测得的红外源（有一定温度的污染辐射源）的光谱辐射亮度，求得气体的透射率，再根据Beer定律计算浓度。,（2）发射光谱法,测污染气体附近没有被污染的大气的单光束发射光谱作为背景，然后对准污染辐射源，测定其单光束光谱。 扣除背景后除以仪器响应函数，得到污染辐射源的光谱辐射亮度。 计算透射率根据Beer定律计算气体的浓度。,例1、高海拔大气污染物测量,Evans W F J, Puckrin E. McMaster D. SPIE, 20
39、02, 4574: 44.,例1、高海拔大气污染物测量,例2、遥测化学蒸气,张峻，陈哲怡，荀毓龙. 光谱学与光谱分析, 1999, 19(3): 310,给出当蒸气云团与背景辐射的温差很小时(10K)，定量分析蒸气云团特征算法，此方法在进行蒸气云团光谱透过率T计算的同时，还可完成背景的实时扣除和测量仪器的实时校正。,例3、RS-FTIR-CT技术,计算机层析技术（Computed Tomography，简称CT），是近三十年发展起来的一门技术。最早用于医学成像，目前在环境科学、晶体学、天文学、微电子学、地球物理学、光学等诸多领域中也有越来越强大的作用。 20世纪70年代，Byer和Shepp首
40、次提出将CT与光学遥感技术结合绘制大气污染物分布图。,用遥感FTIRCT技术测定大气污染物在空间上的浓度分布，是一项新的大气气体污染物监测技术，它可用于构造气体浓度峰图形，定量分析工业污染气体总释放量，预警大气污染物的空间浓度范围等，具有广泛的实用价值和意义。,RS-FTIR,PICs,浓度分布,CT算法,光路,ART、MART、SBFM、MLEM,RS-FTIR-CT实施流程,Path Integrated Concentration,Open Path FTIR,主要研究单位,华盛顿大学 环境健康系 Yost和Hashmonay 北卡罗来纳州立大学 环境科学与工程系 Todd和Samant
41、a 加利福尼亚州立大学环境工程系Drescher EPA(美国环保署）,例4、燃油发动机尾气研究,a、喷气式飞机,Herget W. F. Air Pollution: Ground-based sensing of source emission, in Fourier Transform Infrared Spectroscopy Application to Chemical System， Vol. 2, pp. 111-127, Eds. By Ferraro J. R. and Basile L. J., Academic Press, New York(1979),b、摩托车尾气
42、,Wang J. D., Bian H. Y., Chen Z. R., Luo Y. H. Spectrosc. Lett., 1988, 21: 935,b、摩托车尾气,Wang J. D., Bian H. Y., Chen Z. R., Luo Y. H. Spectrosc. Lett., 1988, 21: 935,c、水上摩托快艇,Wang J. D., Luo Y. H., Chen Z. R. Anal. Chem. Acta，1993, 277: 153,c、水上摩托快艇,Wang J. D., Luo Y. H., Chen Z. R. Anal. Chem. Acta，
43、1993, 277: 153,例5、工业排放气体的监测,燃煤发电厂排烟污染,Low M. J. D., Clancy F. K. Environ. Sci. & Tech., 1967, 1: 73,水泥厂排放气体的测定,Herget W. F., Appl. Opt., 1982, 21: 635,例6、火山喷发气体,C. Oppenheimer, P. Francis, M. Burton, A.J.H. Maciejewski, L. Boardman. Appl. Phys. B 67, 505515 (1998),C. Oppenheimer, P. Francis, M. Burt
44、on, A.J.H. Maciejewski, L. Boardman. Appl. Phys. B 67, 505515 (1998),火山喷发焰中主要的活性气体吸收带、背景浓度及喷发焰中的浓度,例7、森林火灾的报警,Steams J. R., Zahniser M. S., Kolb C. E., Sandford B. P. Appl. Opt., 1986, 25: 2554,2005年，Roland Harig等又研究了扫描成像FTIR 毒气遥测系统，其光谱范围为6.7m 14.7m，光谱分辨力为4 cm-1，灵敏度为3.310 W/(cm2srcm-1 )，每秒扫描6条谱线，视场为
45、285o80o，角分辨力为0.1o,例8 化学战剂检测,时间扫描调制FTIR光谱技术,2001年，德国汉堡大学Roland Harig等研究的由FTIR干涉具、方位一高度扫描镜、DSP数据采集、处理模块和自动识别算法构成的被动FTIR光谱毒云探测、识别与成像系统，能对毒云进行实时识别、成像、定位.,Harig R，M atz GToxic cloud imaging by infrared spectrometry：a scanning FTIR system for identification and visualizationJField Analytical Chemistry and Technology，2001，5(1-2)：7590,墨西哥石油研究所MULopez，SSadovnychiy等研究的FTIR甲烷泄露遥测系统，具有全球定位功能，采用大气吸收谱数据库HITRAN，对浓度为14 ppm 的甲烷的探测距离达400 m,思考题,简述红外发射光谱的测量方法。 已知飞机尾喷口直径Ds=60cm，光学接收系统直径D=20cm，喷口与光学系统相距d=1.8km，当飞机尾喷口的辐射出射度M=1.8W/cm2时，忽略大气的影响，求光学系统所接收的辐射功率。 简述遥感FTIR测量燃烧火焰温度利用的是哪种能级跃迁？并简述其基本原理。,
