谱线加宽水汽分子谱线加宽系数的腔衰荡光谱测量

水汽的高分辨率吸收光谱研究一直是热点，在燃烧诊断、大气辐射、激光大气传输以及大气探测等研究领

域具有重要意义。自20世纪60年代起，国内外学者们对此进行了大量的理论研究工作，并应用各种光谱技术，如傅里叶光谱、光声光谱及波长调制光谱等，进行了实验研究。水汽谱线的各种参数中，除谱线位置、强度、压致位移等参数外，水汽在不同周围分子环境中的碰撞加宽也是一个重要的研究内容。譬如，1968 年，Burch 对水汽在氮气、空气条件下的加宽系数进行了理论计算，得到两者的比例为 0.9；2000年，Lucchesini等人采用波长调制光谱技术对水汽的氮气和空气加宽系数进行了测量，验证了Burch的结论，得到了820～830 nm范围内水汽的空气和氮气加宽系数之比为 0.9 ±0.2；2006年，高晓明等人在对1.31 μm附近的水汽光谱参数进行测量时，为准确获得水汽谱线吸收强度，参考了Lucchesini等人的测量结果，通过水汽的氮气加宽系数推算出了水汽的空气加宽系数。由于Lucchesini及高晓明等人的光谱测量范围不同，此时水汽的空气和氮气加宽系数是否在不同的波段范围具有相同的比例关系尤为重要。为此，本文利用近些年兴起的连续波腔衰荡光谱技术，对近红外波段1.517 μm 附近(6586.5～6595.5 cm-1范围内)的7条水汽的空气和氮气加宽系数进行实验研究，得到此波段的两者比值仍约为0.9，进一步证实了Burch的理论分析结果。此外，本文还就系统测得的水汽Lorentzian线宽与HITRAN2004数据库数据进行了比较。

谱线加宽测量原理

产生于20世纪80年代的腔衰荡光谱，是一种高精度、高灵敏度新型光谱技术，其本质仍是基于Lam bertBeer定律的直接吸收光谱。但与常规的直接吸收光谱不同，该技术不是测量经吸收介质后光强的绝对衰减值，而是将吸收介质引入高Q值无源腔内，通过测量无源腔引入吸收介质前后腔寿命的变化来反演出腔内介质的吸收度，从而提高了测量灵敏度和精度。

腔衰荡技术进行吸收光谱测量有如下优势：①该技术测量的τ是光强的相对值，由此可避免光源功率起伏对测量结果的影响；②无源腔内光波的等效吸收路径为L/δ，由于δ远远小于1，因此腔衰荡光谱能在较短的腔体内实现很长的吸收路径，从而极大地提高测量灵敏度；③腔损耗越小、腔内吸收越低，其吸收测量灵敏度和精度越高。

谱线加宽实验系统

当腔长扫描至激光频率处，入射光开始在腔内谐振，系统利用探测器(PDA400，Thorlabs)来获得腔透射光功率信号，并将此信号传给系统控制电路。为实现无源腔的基模衰荡，系统中除优化无源腔的结构外，还在控制电路中增加了一个峰值探测电路。当峰值探测电路获取腔透射光信号峰值后，系统以此为基础设置衰荡阈值。当谐振时腔透射光功率大于此阈值时，控制电路在40 ns内关断DFB激光器，并停止PZT驱动，同时触发高速数据卡采集衰荡数据。此时，腔透射光信号将以单指数形式衰减，计算机将衰荡信号读入内存，然后采用Levenberg-Marquardt 法对其进行单指数拟合，求得其衰减时间后，即可求得腔损耗值。当进行光谱测量时，只要扫描激光波长、测得不同波长处的腔损耗值后，即可求得腔内吸收介质的吸收光谱。如图3所示，当腔内存在吸收介质时，不同激光频率处的腔衰荡信号是不同的。当激光频率靠近介质的吸收峰时，腔损耗较大，此时腔透射光强度较弱，衰荡时间较短；相反，当激光谱线远离吸收峰时，腔损耗值变小，此时腔透射光强度增大，衰荡时间变长。

谱线加宽研究结论

利用所建立的高灵敏度连续波腔衰荡光谱系统对 1.517 μm(6590 cm-1)附近水汽的谱线加宽系数进行了测量，得到水汽分子的空气、氮气加宽系数比值为 0.8969 ±0.0687，这一测量结果与 Lucchesini 等人利用波长调制光谱技术测得 820～830 nm范围内的比值 0.9 ±0.2较为吻合，从而进一步验证了Burch的结论。此外，从系统测得的水汽分子在空气环境中的谱线加宽系数与HITRAN2004数据库进行的比较中发现，除6594.698，6590.871 cm^-1处 2 条水汽谱线加宽系数存在较大误差外，其它 5 条谱线结果吻合。本系统中，由于光谱扫描范围主要由系统所用的 DFB 激光器所决定，因此，若更换光源可进一步扩大系统的光谱扫描范围。此外，本文中实验研究也显示了腔衰荡光谱技术在气体浓度检测应用中的潜在价值。 2100433B

谱线加宽研究背景

CO₂分子是重要的大气分子，在红外波段具有较强的吸收，因此在大气辐射传输和红外遥感等方面具有极其重要的应用。大气辐射传输和红外遥感研究需要精确的大气分子光谱参数。在大气分子光谱的实际应用中，通常以N₂，O₂或干燥空气作为载气，然后用 Voigt 或 Lorentz 线型拟合得到谱线的加宽系数。然而实际大气中除了N₂和O₂ 之外还含有大量水汽，而且水汽的浓度随地域、季节和海拔的不同变化非常大，而HITRAN数据库所给出的谱线加宽系数为空气和自加宽系数，文献很少报道水汽对大气分子谱线的加宽影响。差频(DFG)激光器是最近发展起来的一种新型的激光光源，以其高分辨力、宽波长选择性、室温工作以及可连续调谐等优点而被广泛应用于痕量探测和光谱参数探测中。本文介绍了以差频激光器作为光源，结合长光程怀特池，报道了水汽分子对CO₂谱线加宽的影响。根据实验测量获得的光谱数据和HITRAN04中CO₂的光谱参数，比较分析了在实际大气中(海平面，10 km光程)不存在水汽和存在水汽时的CO₂的透过率。

谱线加宽数据分析和讨论

实验以多次平均的方法测量了压力为0.821 kPa 的纯CO₂吸收光谱以及加入1.485 kPa水汽后CO₂的水汽加宽吸收光谱。探测范围从2422 cm^-1到2457 cm^-1，总共有26条吸收谱线被探沿到。用Voigt线型拟合得到了CO₂的10011→10002吸收带 P(8)到 P(2)以及R(0)到 R(42)吸收谱线水汽加宽系数值。测量的光谱数据除了Doppler 效应所引起的Gaussian 加宽和气体分子碰撞引起的 Lorentz 加宽之外，还包含仪器加宽，该差频系统的仪器线宽约为 60 MHz。为得到精确的水汽对CO₂的Lorentz加宽系数，在处理CO₂的水汽加宽光谱之前，先用 Voigt 线型拟合0.821 kPa 的纯CO₂光谱，得到线宽值，这个线宽值是CO₂光谱的自身线宽和仪器线宽的卷积。在用 Voigt 线型拟合CO₂的水汽加宽光谱时，用拟合得到的纯CO₂光谱线宽值固定其线宽，得到的加宽系数值是水汽加宽的系数，拟合的数据如表1所示。在表1中线位置、线强和干燥空气的加宽系数值取自HITRAN04 数据库，最后一项为测量的水汽加宽系数，经计算拟合所得的水汽加宽系数比干燥的空气加宽系数平均大 52%。图1是位于 2449.06419 cm^-1的CO₂吸收线 R(28)在未充入水汽和充入水汽之后的透过率比较图。图3为用Voigt 线型拟合的CO₂的水汽加宽光谱的例子，图2(a)为实际测得的光谱和拟合曲线，图2(b)是实际光谱和拟合曲线之间的残差。

谱线加宽研究结论

利用窄线宽差频激光器结合长光程怀特吸收池研究了水汽分子对CO₂的线型加宽的影响，测量了CO₂分子的水汽加宽系数。实验以多次平均的方法测量了压力为 0.821 kPa 的纯CO₂吸收光谱以及加入1.485 kPa 水汽后CO₂的水汽加宽吸收光谱。探测范围是从 2422 cm-1 到 2457 cm-1，用Voigt 线型拟合得到了CO₂的10011→10002吸收带P(8)到P(2)以及R(0)到R(42)吸收谱线水汽加宽系数值。通过CO₂分子10011→10002 带R支和部分P支在室温下水汽加宽吸收光谱研究，数据显示水汽对CO₂分子的吸收光谱具有较大的加宽作用，比HITRAN 04 数据库上的干燥空气的加宽系数平均大52%。并且数值分析了CO₂分子在这一波段室温条件下，0.1 MPa的干燥和潮湿空气(含2.0 kPa水汽)中CO₂的透过率(海平面，10 km光程)，分析比较显示两者之间最大的差值约为0.5‰，说明大气中水汽的存在对大气透过率有一定的影响。该研究结果对卫星遥感探测和激光大气传输的研究具有一定的参考意义。

谱线加宽有均匀加宽和非均匀加宽。

如果引起加宽的物理因素对每个都是等同的，称作均匀加宽；如果原子体系中每个原子只对谱线内与它的静观中心频率相应的部分有贡献，即可区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的，称作非均匀加宽。

均匀加宽分有自然加宽，碰撞加宽和晶格振动加宽；非均匀加宽分有多普勒加宽和晶格缺陷加宽。

直升机平台的正弦加随机振动谱线无法直接做为边界条件施加在有限元模型上，必须转化为仿真软件可用的谱线。传统的正弦加随机谱线转化为窄带加宽带谱线的方法及其转化公式，即分离为纯正弦谱线和纯随机谱线的方法，以及基于振动试验的一种新的转化为窄带加宽带谱线方法，最后以某PCB板组件为例在NX Nastran中进行了对比仿真分析。结果表明，3种转化方法中基于试验的转化方法最为严酷，分离为纯正弦与纯随机方法次之，传统的转化方法响应最小。

近年来，随着直升机技术的迅速发展，越来越多的电子设备被加装到直升机平台，这些设备在直升机平台上工作时的振动问题也越来越受关注，另一方面，由于电子设备研发周期越来越短，需要结构设计师在研发阶段进行详细的强度论证计算，尽可能一次性通过振动试验，这对设计师提出了很高的要求。随着电子设备结构越来越复杂，传统的手工计算和依据经验校核的精度已远远达不到要求，需要借助于有限元分析软件进行结构校核设计。因此，研究直升机载设备振动条件在有限元仿真软件中的处理方法就显得尤为重要。

针对直升机振动谱线的特点，本文介绍了传统的将正弦加随机谱转化为纯随机谱的方法，并提出了2种新的将正弦加随机谱转化为仿真软件可直接应用谱线的方法。最后以某直升机谱线为例，运用NX Nastran软件对某PCB板组件进行响应仿真分析，得到了3种处理方法的位移和应力响应结果，并作了对比分析。

谱带基线振动环境特点

直升机平台振动特性是在低水平宽带随机振动背景上叠加很强的主导正弦。主导正弦是由旋转器件(主要是旋翼、尾桨和发动机传动轴等)产生的，这些振源的振动频率相对较低，一般为KW(W为旋翼或尾桨的工作转速频率，K为桨叶的片数)及其各阶倍频(一般只取前4阶，忽略高阶分量)。宽带随机背景是由于气动流场噪音等因素引起的。直升机的振动环境大致可以划分为3个影响区：机身前半部主要为主旋翼振动影响区：主减、传动及发动机平台附近主要为动力传动系统影响区；尾梁及垂尾附近主要为尾桨影响区。由于3个区域的振动谱线相似，后面以主旋翼振动影响区为例进行分析。

谱带基线SOR型振动谱线在有限元软件中的处理

当前的主流商用有限元分析软件(如ANSYS,NASTRAN等)动力学分析包含模态分析、谐响应分析、谱分析、随机振动分析和瞬态动力学分析等模块。对于直升机平台SOR型振动谱线，正弦定频振动属于谐响应范畴，宽带随机属于随机振动范畴，但目前尚没有能够处理这种混合振动模式的模块，谱线无法同时施加在有限元模型上。对此，需要采用近似简化的方法，将SOR谱线转化成有限元模型可接受的边界条件。

谱带基线基于试验的SOR谱转化为ROR谱方法

设备最终需要通过振动试验来鉴定是否满足安装平台的抗振要求。振动试验台对SOR谱线的实现，目前国内外通用的试验控制算法如下：先从通过加速度传感器获得的正弦加随机振动试验信号中分离出正弦信号的幅频及随机信号;再分别根据正弦振动试验及随机振动试验控制算法进行均衡控制;均衡后获得的激励信号根据线性叠加原理重叠输出，通过功率放大器驱动振动台工作，如此往复，进行闭环控制。

正弦定频信号理论上具有零带宽，在振动控制器中正弦实际宽度总是与数据分析的频率分辨带宽相同，而幅值随着分析带宽的变窄而增大。设定振动控制器的分析带宽后，在PSD谱图上，正弦信号表现为宽度等于分析带宽的窄带信号。2100433B

1814年夫琅禾费在太阳光谱中首先观测到576条吸收线,并将其中最明显的几条用A、B、C、D、E等字母标记。实际上夫琅禾费谱线约有3万多条。根据这些吸收线和已知元素的光谱对照,就能分析太阳大气的化学成分。

1．单线曲线隧道的加宽办法

在曲线上，由于车辆平面是一个矩形，车辆轴线与线路中线发生偏移，两端向曲线外侧发生偏移（d外），中部则向曲线内侧偏移（d内1）；又由于曲线外轨超高，引起车辆内倾，使内轨顶面以上日处控制点偏移了一个水平距离（d内2）。因此，为了保证列车能顺利地通过曲线隧道，必须将隧道净空加宽。曲线内、外侧总加宽为：

W=W1 W2=d内1 d内2 d外=

式中：R一曲线半径（m）；

h一曲线外轨超高（mm）；

H一自轨面算起的计算点高度（mm）。

由于隧道内侧加宽Wl总大于外侧加宽W2，所以，隧道断面加宽后，线路中线是不动的，而隧道中线却向曲线内侧偏移了一个距离d=（W1-W2）/2。在设计时，W值向上可进为10cm的整位数以简化拱架规格。施工时，按照W决定衬砌断面浇筑的拱模，按照d确定拱模中线（即隧道中线）与线路中线的间距。

2．曲线隧道地段加宽范围

对于新建的曲线地段的隧道，为了保证运营净空，以及便于施工，一般按照下列方式确定加宽范围。

(1)位于曲线地段的隧道，其断面加宽除圆曲线部分按规定办理外，缓和曲线部分一般可分两段加宽，即自圆曲线终点至缓和曲线中点，并向直线方向延长13m，采用圆曲线加宽断面；其余缓和曲线并自缓和曲线起点向直线段延长22m，采用缓和曲线中点加宽断面，即加宽值为圆曲线之半。

(2)当隧道位于反向曲线上，且其间公切线（夹直线）长度小于44m时，重叠部分按两端不同的曲线半径分别核算其内外侧加宽值，实际加宽值应采用其中较大者。

(3)不同加宽值衬砌断面的衔接，可在两拱架间顺接整体浇筑（混凝土衬砌）或错台相接（石或混凝土制块衬砌）。