10.3964/j.issn.1000-0593(2023)07-2313-06
主成分分析在温室气体时序红外光谱处理中的应用研究
傅里叶变换红外光谱技术可同时测量多种温室气体组分的浓度.仪器噪声和谱线重叠效应会对光谱数据的质量产生影响,从而影响各组分反演浓度的结果.针对上述问题,使用不同数量的主成分对时序测量光谱矩阵进行重建,并将重建光谱矩阵与原始光谱矩阵之间的欧式距离和余弦距离作为动态选择主成分数量的判据,重建时序测量光谱,从而提高时序光谱数据的质量.采用该方法分别对数值仿真光谱、标准气体测量光谱和外场实验测量光谱进行了处理.结果表明,叠加 0.001 RMS噪声的数值仿真光谱经过光谱重建后,光谱的结构特征未明显改变,重建光谱与原始光谱之间的残差标准差为 4.191×10-4,有效降低了测量光谱中噪声的影响.采用该方法对标准气体的平均测量光谱进行了重建,并比较了重建光谱与平均光谱的反演浓度精度.1 min 平均测量光谱反演各组分浓度的精度为 CO2:0.24 μmol·mol-1、CH4:5.24 nmol·mol-1、N2O:2.92 nmol·mol-1 和CO:4.72 nmol·mol-1;5 min平均测量光谱反演各组分浓度的精度为CO2:0.18 μmol·mol-1、CH4:2.30 nmol·mol-1、N2O:1.03 nmol·mol-1 和 CO:1.53 nmol·mol-1;1 min重建光谱反演各组分浓度的精度为CO2:0.17 μmol·mol-1、CH4:2.97 nmol·mol-1、N2 O:0.72 nmol·mol-1 和CO:1.40 μmol·mol-1;5 min重建光谱反演各组分浓度的精度为 CO2:0.15 μmol·mol-1、CH4:1.74 nmol·mol-1、N2O:0.29 nmol·mol-1 和CO:0.97 nmol·mol-1.利用重建光谱进行反演能够显著提高气体反演浓度的精度,5 min重建光谱反演浓度的精度结果能够达到 WMO/GAW的扩展测量精度要求.在外场实验中,1 min重建光谱反演CO2 得到的浓度与 1 min平均光谱反演得到的CO2 浓度的相关系数可达到 89.40%.综合分析可知,对 FTIR时序光谱数据进行主成分动态选择不仅降低了时序测量光谱中噪声的影响,而且有效保留了时序测量光谱的特征变化信息.
傅里叶变换红外光谱、主成分分析、光谱降噪、温室气体
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X831(环境监测)
国家自然科学基金;安徽省重点研究与开发计划项目;国家自然科学基金
2023-07-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
共6页
2313-2318
