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

Abstract

Differential optical absorption spectroscopy (DOAS) is a well-established method for analyzing the chemical composition of gases, which plays an important role in studying the physical and chemical properties of the Earth's atmosphere.The physical basis for using the DOAS method for remote monitoring of small gas components of the atmosphere is the presence of spectrally localized absorption bands in the atmosphere corresponding to various gas components.The article considers the solution of the problem of spectral calibration in differential optical absorption spectroscopy of the gas composition of the Earth's atmosphere with remote monitoring of small gas components in the ultraviolet and visible spectral ranges from an artificial Earth satellite.Numerical modeling of spectral calibration using the Nelder-Mead optimization method was carried out for the promising on-board spectrometer Maya2000 pro.To analyze the operation of the Nelder-Mead optimization method in the spectral calibration problem of the Maya2000 pro spectrometer, the value of the mean square deviation between the instrument (measured by the spectrometer) spectrum and the reference (solar) spectrum was calculated.The spectrum measured by the spectrometer and the reference (solar) spectrum of high resolution have different spectral resolutions. Therefore, they were previously brought into line with each other. The wavelength scale was shifted to the best match with the measured spectrum and a high-resolution reference (solar) spectrum was convoluted with a hardware function of different widths.Mathematical modeling of the operation of the Nelder-Meade optimization algorithm for the spectral calibration of the Maya2000 pro spectrometer was carried out using the MATLAB application software package.The results of mathematical modeling show that for the spectral calibration range in the ultraviolet range of 310 - 350 nm, the mean square deviation of the reference (solar) and instrument spectra is 6.01 % and for the spectral calibration range in the visible range of 410 - 500 nm, the mean square deviation of the reference and instrument spectra is 8.10%.Thus, spectral calibration of the Maya2000 pro onboard spectrometer using the Nelder-Mead optimization algorithm gives a satisfactory coincidence of the instrument and solar spectra.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