Решение задачи спектральной калибровки в дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии методом Нелдера-Мида


https://doi.org/10.36027/rdeng.0521.0000198

Полный текст:




Аннотация

Дифференциальная оптическая абсорбционная спектроскопия (ДОАС) - хорошо зарекомендовавший себя метод для анализа химического состава газов, играющий важную роль в изучении физических и химических свойств земной атмосферы.

Физической основой использования метода ДОАС при дистанционном мониторинге малых газовых компонент атмосферы является наличие спектрально локализованных полос поглощения в атмосфере, соответствующих различным газовым компонентам.

В статье рассматривается решение задачи спектральной калибровки в дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии газового состава земной атмосферы при дистанционном мониторинге малых газовых компонент в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах с искусственного спутника Земли.

Для перспективного бортового спектрометра Maya2000 pro проведено численное моделирование спектральной калибровки с использованием метода оптимизации Нелдера-Мида.

Для анализа работы метода оптимизации Нелдера-Мида в задаче спектральной калибровки спектрометра Maya2000 pro рассчитывалось значение среднего квадратического отклонения между приборным (измеренным спектрометром) спектром и опорным (солнечным) спектром.

Измеренный спектрометром спектр и опорный (солнечный) спектр высокого разрешения имеют различное спектральное разрешение. Поэтому, предварительно их приводили в соответствие друг с другом. Шкалу длин волн сдвигали до наилучшего совпадения с измеренным спектром и проводили свертку опорного (солнечного) спектра высокого разрешения с аппаратной функцией различной ширины.

Математическое моделирование работы оптимизационного алгоритма Нелдера-Мида для задачи спектральной калибровки спектрометра Maya2000 pro было проведено с использованием пакета прикладных программ MATLAB.

Результаты математического моделирования показывают, что для спектрального диапазона калибровки в ультрафиолетовой области спектра 310 – 350 нм среднее квадратическое отклонение опорного (солнечного) и приборного спектров составляет 6,01 %, а для спектрального диапазона калибровки в видимой области спектра 410 – 500 нм среднее квадратическое отклонение опорного и приборного спектров составляет 8,10 %.

Таким образом, спектральная калибровка бортового спектрометра Maya2000 pro с использованием алгоритма оптимизации Нелдера-Мида дает удовлетворительное совпадение приборного и солнечного спектров.


Об авторах

А. М. Малхасян
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва
Россия


М. Л. Белов
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва
Россия

Белов Михаил Леонидович

профессор кафедры Рл-2



Список литературы

1. Platt U., Stutz J. Differential Optical Absorption Spectroscopy – Principles and Applications. Springer-Verlag Berlin, 2008. 597 p.

2. Clemer K., van Roozendael M., Fayt C., Hendrick F., Hermans C., Pinardi G., Spurr R., Wang P., De Maziere M. Multiple wavelength retrieval of tropospheric aerosol opticalproperties from MAX-DOAS measurements in Beijing // Atmospheric Measurement Techn. 2010. V.3. P. 863–878.

3. Stutz J., Hurlock S., Colosimo S. et al. A novel dual-LED based long-path DOAS instrument for the measurement of aromatic hydrocarbons // Atmospheric Environment. 2016. V.147. N. 1. P. 121–132.

4. Stutz J., Hurlock S., Colosimo S., Tsai C., Cheung R., Festa J., Pikelnaya O., Alvarez S., Flynn J., Erickson M., Olaguer E. A novel dual-LED based long-path DOAS instrument for the measurement of aromatic hydrocarbons // Atmospheric Environent. 2016. V.147. N.1. P. 121–132. Doi: 10.1016/j.atmosenv.2016.09.054.

5. Geiko P.P., Smirnov S.S., Samokhvalov I.V. Detection of concentration small gas components of atmosphere by DOAS method // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2015. V.24. N.2. P. 152–158.

6. Kern C., Trick S., Rippel B., Platt U. Applicability of light-emitting diodes as light sources for active differential optical absorption spectroscopy measurements // Applied Opt. 2006. V. 45. N.9. Р. 2077–2068. Doi: 10.1364/AO.45.002077.

7. Vita F., Kern C., Inguaggiato S. Development of a portable active long-path differential optical absorption spectroscopy system for volcanic gas measurements // J. Sens. Syst. 2014. V.3. N. 1. Р. 355–367. Doi: 10.5194/jsss-3- 355-2014.

8. Vlemmix T., Piters A. J. M., Berkhout A. J. C., Gast L. F. L., Wang P., Levelt P. F. Ability of the MAX-DOAS method to derive profile information for NO2: can the boundary layer and free troposphere be separated? // Atmospheric Measurement Techn. 2011. V.4. P. 2659–2684.

9. Coburn S., Dix B., Sinreich R., Volkamer R. The CU ground MAX-DOAS instrument: characterization of RMS noise limitations and first measurements near Pensacola, FL of BrO, IO, and CHOCHO // Atmospheric Measurement. Techn. 2011. V.4. P. 2421–2439.

10. Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды. М.: Изд-во МГТУ, 2002. 528 c.

11. Медынский М. М., Дьячук А.К. Численные методы оптимизации с использованием Mapple 11. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. 287 с

12. Nelder J.A., Mead R. A simplex method for function minimization. // Computer Journal. 1965. N1. 308-313.

13. A.O. Umar, I.M. Sulaiman, M. Mamat, M.Y. Waziri, N. Zamri. On damping parameters of Levenberg-Marquardt algorithm for nonlinear least square problems. // Phys.: Conf. Ser. 2021. 1734 012018.

14. Zhenxiang Wu, Tong Zhou, Lei Li, Liang Chen, Yanfang Ma, A New Modified Efficient Levenberg–Marquardt Method for Solving Systems of Nonlinear Equations // Mathematical Problems in Engineering. 2021. V.2021. Article ID 5608195. 11 p. Available at: https://doi.org/10.1155/2021/5608195.

15. Maya2000 Pro Deep UV Spectrometer. Available at: www.oceanoptics.com, accessed 02.12.2021.

16. Kurucz R.L. The solar spectrum: atlases and line identications. In: Sauval, A. J., Blomme, R., Grevesse, N. (ed) Laboratory and astronomical high resolution spectra, Astronomical Society of the Pacic Conference Series, 1995. V.81. P. 17-31.

17. Nam Pham, Bogdan M. Wilamowski. Improved Nelder Mead’s Simplex Method and Applications. // Journal of computing. 2011. V.3. N.3. Available at: https://sites.google.com/site/ journalofcomputing/www.journalofcomputing.org, accessed 02.12.2021.

18. Fuchang Gao, Lixing Han. Implementing the Nelder-Mead simplex algorithm with adaptive parameters. // Comput Optim Appl. 2010. DOI 10.1007/s10589-010-9329-3.

19. Метод оптимизации Нелдера — Мида. Available at: https://habr.com/ru/post/332092/, accessed 02.12.2021.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Малхасян А.М., Белов М.Л. Решение задачи спектральной калибровки в дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии методом Нелдера-Мида. Радиостроение. 2021;(5):23-37. https://doi.org/10.36027/rdeng.0521.0000198

For citation: Malkhasyan A.M., Belov M.L. Solution of the Spectral Calibration Problem in Differential Optical Absorption Spectroscopy by the Nelder-Mead Method. Radio Engineering. 2021;(5):23-37. (In Russ.) https://doi.org/10.36027/rdeng.0521.0000198

Просмотров: 35

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2587-926X (Online)