CN113628700B - 一种基于hitran数据库的吸收光谱快速获取方法 - Google Patents

Abstract

一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法，步骤为：(1)将光谱吸收线的线强按指定的光谱间隔进行合并；(2)求出各光谱吸收线的加权展宽参数；(3)依据仿真精度按照不同的加权展宽参数对光谱吸收线分组；(4)对每组光谱吸收线求其综合加权展宽线型函数；(5)通过快速傅里叶变换计算每组光谱吸收线的线强与其综合加权展宽线型函数的卷积，得到每组光谱吸收线的光谱吸收系数；(6)将各组光谱吸收线的光谱吸收系数相加得到最终的吸收光谱。本发明方法采用傅里叶变换与逆傅里叶变换以同一综合线型展宽函数对合并线强后的等间隔光谱线进行吸收截面的快速计算，可以大幅提高不同温度和气压参数下的分子吸收光谱计算速度。

Description

一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法

技术领域

本发明属于大气光谱计算领域，涉及一种用于HITRAN数据库的分子吸收光谱的高速计算方法。

背景技术

基于HITRAN数据库的大气吸收光谱在许多领域都有重要应用，如可以用于大气透过率分析、痕量气体探测、气体温度遥感等。

在众多计算HITRAN吸收光谱的方法中，逐线积分法是公认的最准确的方法。采用该方法计算时，需要知道计算光谱范围内每条谱线的参数，由此得到每条谱线的展宽线型，然后再按波数积分，计算速度极慢。

为了解决计算速度问题，科学家们发展了带模式计算、K-分布计算等快速计算方法。这些方法虽然部分解决了计算速度问题，但是其前提都是根据HITRAN数据库事先进行逐线积分计算，再通过复杂算法得到近似的结果。其计算精度和光谱分辨率都受到事先计算的数据库的限制，使用的灵活性不足。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有逐线积分方法计算速度的不足，设计了一种分子吸收光谱的高速计算方法，该方法可以大幅提高不同温度和气压参数下的分子吸收光谱计算速度。

本发明的技术解决方案是：

一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法，包括如下步骤：

(1)将光谱吸收线的强度按指定的光谱间隔进行合并；

(2)求出各光谱吸收线的加权展宽参数；

(3)依据仿真精度按照不同的加权展宽参数对光谱吸收线进行分组；

(4)对每组光谱吸收线求其综合加权展宽线型函数；

(5)通过快速傅里叶变换计算每组光谱吸收线的线强与其综合加权展宽线型函数的卷积，得到每组光谱吸收线的光谱吸收系数；

(6)将各组光谱吸收线的光谱吸收系数相加得到最终的吸收光谱。

所述的将光谱吸收线的强度按指定的光谱间隔进行合并，具体为：从HITRAN数据库中提取出分子x的处于最小波数ν_min至最大波数ν_max间线强数组{S_i}，对应波数数组{ν_i}，以及对应的温度展宽参数数组{α_Di}和气压展宽参数数组{α_Li}，i＝1,2,3…N为线强及波数的序号，对于等间隔波数数组{ν_0k}中的波长位置ν_0k，从波数数组{ν_i}中找到满足以下条件的波数ν并组成临时数组{ν_sj}：

其中，j＝1,2,3…O表示满足上述条件的波数序号，Δν₀为指定的光谱间隔，k＝1,2,3…M为等间隔光谱序号。

所述的求出各光谱吸收线的加权展宽参数，具体为：

从{S_i}、{α_Di}和{α_Li}中提取出与{ν_sj}对应的参数数组{S_sj}、{α_Dsj}和{α_Lsj}，计算出对应ν_0k的合并线强S_0k、加权温度展宽参数α_D0k、加权气压展宽参数α_L0k以及综合加宽α_A0k：

S_0k＝∑S_sj

所述的依据仿真精度按照不同的加权展宽参数对光谱吸收线分组，具体为：设定相对误差要求e％，将综合加宽α_A0k分为P组，

式中符号表示向上取整，其中第l组的综合加宽α_A0l都满足以下条件：

l＝1,2,3…P。

所述的对每组光谱吸收线求其综合加权展宽线型函数，具体为：

计算第l组综合加宽对应的合并线强{S_Alm}、加权温度展宽{α_ADlm}、加权气压展宽{α_ALlm}，对应波数{ν_A0lm}，式中角标m为第l组的光谱线序号m＝1,2,3…Q；

设置与{ν_0k}等长的线强数组{S_0tk}，并将该数组中各位置都设为0；

根据波数数组{ν_A0lm}中的波数位置将第l组合并线强{S_Alm}置入{S_0tk}中的相应位置生成第l组线强数据{S_0tk}，并由{ν_0k}与{S_0tk}组成线强函数S_k(ν)；

计算第l组综合加宽的加权温度展宽和加权气压展宽：

由此得到温度展宽线型f_Dl(ν)为：

气压展宽线型f_Ll(ν)为：

并据此得到综合加权展宽线型函数f_l(ν)为：式中/>表示傅里叶变换，/>表示逆傅里叶变换。

所述的通过快速傅里叶变换计算每组光谱吸收线的线强与其综合加权展宽线型函数的卷积，得到每组光谱吸收线的光谱吸收系数，具体为：

由傅里叶变换及逆傅里叶变换计算第l组光谱吸收系数σ_l(ν)：

所述的最终吸收光谱系数σ(ν)＝∑σ_l(ν)。

一种处理装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于从所述存储器调用并运行所述计算机程序，以执行上述的方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被执行时，实现上述的方法。

一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述的方法。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与逐线积分每个光谱线使用不同的线型函数进行计算相比，本发明对所有光谱线采用同一综合线型展宽函数实现了吸收截面的快速计算。

(2)为了提高计算精度，本发明根据综合加宽及误差要求对吸收光谱线进行分组，使每组光谱线的综合线型展宽函数与该组光谱线原对应的线型展宽函数相对误差满足精度要求；

(3)本发明对分组后的光谱线分别与其对应的综合线型展宽函数进行卷积(由快速傅里叶变换及逆傅里叶变换实现)计算得到分组光谱吸收截面，再将各组光谱吸收截面进行累加得到吸终的吸收光谱。与逐线积分相比速度可以提高2～3个数量级，同时依据加权展宽参数对谱线分组从而将计算精度保持在一定的范围之内，最终实现了计算速度和精度的平衡。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明实施例中根据逐线积分计算方法和本发明计算方法得到的吸收光谱对比图；

图3为图2吸收光谱的局布放大对比图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的主要流程，主要包括：第一步将光谱吸收线的线强按指定的光谱间隔进行合并，第二步求出各光谱吸收线的加权展宽参数，第三步依据仿真精度按照不同的加权展宽参数对光谱吸收线分组，第四步对每组光谱吸收线求其综合加权展宽线型函数，第五步通过快速傅里叶变换(fft)计算每组光谱吸收线的线强与其综合加权展宽线型函数的卷积得到每组光谱吸收线的吸收系数，第六步将各组光谱吸收线的光谱吸收系数相加得到最终的吸收光谱。

具体的，针对光谱研究中，需要计算某分子x从波数ν_min至波数ν_max间的间隔为Δν₀的波数数组{ν_0k}的吸收光谱系数，可以采用如下方法进行处理。

1、线强合并

从HITRAN数据库中提取出分子x的处于最小波数ν_min至最大波数ν_max间线强数组{S_i}、对应的波数数组{ν_i}，以及对应的温度展宽参数数组{α_Di}和气压展宽参数数组{α_Li}。x为分子名称，ν为波数，S为吸收线强，i＝1,2,3…N，为线强及波数的序号，角标min表示最小，角标max表示最大。

设等间隔波数数组为{ν_0k}，Δν₀为指定的光谱间隔，则：

ν_0k＝v_min+(k-1)Δν₀

式中，k＝1,2,3…M为等间隔光谱序号，且有ν_0M≤ν_max。

对于波长位置ν_0k，从波数数组{ν_i}中找到满足以下条件的波数ν并组成临时数组{ν_sj}：

角标s表示临时波数，j＝1,2,3…O表示满足上述条件的波数序号。

从{S_i}、{α_Di}和{α_Li}中提取出与{ν_sj}对应的参数数组{S_sj}、{α_Dsj}和{α_Lsj}，按照以下述公式计算出对应ν_0k的合并线强S_0k、加权温度展宽参数α_D0k、加权气压展宽参数α_L0k以及综合加宽α_A0k：

S_0k＝∑S_sj

另外再定义综合加宽α_A0k，其计算公式为：

2、根据误差分组

设相对误差要求为e％，则可以按照该误差将综合加宽α_A0k分为P组，

上式中的符号表示向上取整运算。

其中第l(l＝1,2,3…P)组的综合加宽α_A0l都满足以下条件：

记对应第l组综合加宽α_A0l的合并线强为{S_Alm}、加权温度展宽为{α_ADlm}、加权气压展宽为{α_ALlm}，对应波数为{ν_A0lm}，式中角标m为第l组的光谱线序号m＝1,2,3…Q。

3、计算第k组综合加宽的吸收光谱

根据上述条件得到第l组对应合并线强{S_Alm}、加权温度展宽{α_ADlm}、加权气压展宽{α_ALlm}，对应波数{ν_A0lm}后，设置与{ν_0k}等长的线强数组{S_0tk}，并将该数组中各位置都设为0，角标t表示临时数组。

根据波数数组{ν_A0lm}中的波数位置将第l组合并线强{S_Alm}置入{S_0tk}中的相应位置生成第l组线强数据{S_0tk}。由{ν_0k}与{S_0tk}组成线强函数S_k(ν)；

计算第l组综合加宽的加权温度展宽和加权气压展宽：

已知，温度展宽线型f_Dl(ν)为：

已知，气压展宽线型f_Ll(ν)为：

则线型函数f_l(ν)为：

式中表示傅里叶变换，/>表示逆傅里叶变换。

由傅里叶变换及逆傅里叶变换计算光谱吸收系数σ_l(ν)：

4、合并上述P组吸收光谱系数，计算最终吸收光谱系数：

σ(ν)＝∑σ_l(ν)。

实施例

若在光谱研究中，需要计算H₂O分子第一同位素H¹⁶OH从波数ν_min＝9000cm^-1至波数ν_max＝11000cm^-1间的间隔为Δν₀＝0.001cm^-1的波数数组{ν_0i}的吸收光谱系数，可以应用本发明方法进行如下计算。

1、线强合并

从HITRAN数据库中提取出分子H¹⁶OH的处于波数ν_min＝9000cm^-1至波数ν_max＝11000cm^-1间线强数组{S_i}及其对应波数数组{ν_i}，并计算温度展宽数组{α_Di}和气压展宽数组{α_Li}，式中i＝1,2,3…N。

以波长位置ν_0i为例，从波数数组{ν_i}中找到满足以下条件的波数并组成数组{ν_sj}：

ν_0i-0.0005≤ν<ν_0i+0.0005

从{S_i}、{α_Di}和{α_Li}中提取出与{ν_sj}对应的参数数组{S_sj}、{α_Dsj}和{α_Lsj}，计算出对应ν_0i的合并线强S_0i、加权温度展宽α_D0i和加权气压展宽α_L0i，由此得到综合加宽α_A0i。

2、根据误差分组

设相对误差要求为5％，则可以按照该误差将综合加宽α_A0i分为20组，其中第k组的综合加宽α_A0都满足以下条件：

对应第k组综合加宽的合并线强为{S_Aki}、加权温度展宽为{α_ADki}、加权气压展宽为{α_ALki}，对应波数为{ν_A0ki}。

3、计算第k组吸收光谱

依据第k组的光谱参数{S_Aki}、{α_ADki}、{α_ALki}、{ν_A0ki}，计算第k组光谱吸收系数。

设置与{ν_0i}等长的线强数组{S_0i}并将该数组中各位置都设为0。根据波数数组{ν_A0ki}中的波数位置将第k组合并线强{S_Aki}置入{S_0i}中的相应位置生成第k组线强数据{S_0ki}，则其线强函数为S_k(ν)。按照以下公式计算第k组加权温度展宽和加权气压展宽：

根据温度展宽和气压展宽参数计算线型函数f_k(ν)，由傅里叶变换计算光谱吸收系数：

4、合并上述20组吸收光谱，计算最终吸收光谱：

σ(ν)＝∑σ_k(ν)。

根据上述方法计算得到的吸收光谱见图2和图3(误差要求分别为5％和100％)，由图中可以看出，原逐线积分计算时间为383.667970秒，而本发明5％误差要求的计算时间为7.474211秒，本发明100％误差要求的计算时间为1.798916秒)。

由此可以看出，采用本发明方法，5％误差要求(实际最大误差低于3％)的计算速度提高了约51倍，100误差要求(实际最大误差低于30％)的计算速度提高了213倍。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将光谱吸收线的强度按指定的光谱间隔进行合并；具体为：从HITRAN数据库中提取出分子x的处于最小波数ν_min至最大波数ν_max间线强数组{S_i}，对应波数数组{ν_i}，以及对应的温度展宽参数数组{α_Di}和气压展宽参数数组{α_Li}，i＝1,2,3…N为线强及波数的序号，对于等间隔波数数组{ν_0k}中的波长位置ν_0k，从波数数组{ν_i}中找到满足条件的波数ν并组成临时数组{ν_sj}；

(2)求出各光谱吸收线的加权展宽参数；具体为：从{S_i}、{α_Di}和{α_Li}中提取出与{ν_sj}对应的参数数组{S_sj}、{α_Dsj}和{α_Lsj}，计算出对应ν_0k的合并线强S_0k、加权温度展宽参数α_D0k、加权气压展宽参数α_L0k以及综合加宽α_A0k；

(3)依据仿真精度按照不同的加权展宽参数对光谱吸收线进行分组；具体为：设定相对误差要求e％，将综合加宽α_A0k分为P组；

(4)对每组光谱吸收线求其综合加权展宽线型函数；具体为：

计算第l组综合加宽对应的合并线强{S_Alm}、加权温度展宽{α_ADlm}、加权气压展宽{α_ALlm}，对应波数{ν_A0lm}，式中角标m为第l组的光谱线序号m＝1,2,3…Q；

设置与{ν_0k}等长的线强数组{S_0tk}，并将该数组中各位置都设为0；

根据波数数组{ν_A0lm}中的波数位置将第l组合并线强{S_Alm}置入{S_0tk}中的相应位置生成第l组线强数据{S_0tk}，并由{ν_0k}与{S_0tk}组成线强函数S_k(ν)；

计算第l组综合加宽的加权温度展宽和加权气压展宽：

由此得到温度展宽线型f_Dl(ν)为：

气压展宽线型f_Ll(ν)为：

并据此得到综合加权展宽线型函数f_l(ν)为：式中表示傅里叶变换，/>表示逆傅里叶变换；

(5)通过快速傅里叶变换计算每组光谱吸收线的线强与其综合加权展宽线型函数的卷积，得到每组光谱吸收线的光谱吸收系数；

(6)将各组光谱吸收线的光谱吸收系数相加得到最终的吸收光谱。

2.根据权利要求1所述的一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法，其特征在于：从波数数组{ν_i}中找到满足条件的波数ν并组成临时数组{ν_sj}的方法，具体为：

其中，j＝1,2,3…O表示满足上述条件的波数序号，Δν₀为指定的光谱间隔，k＝1,2,3…M为等间隔光谱序号。

3.根据权利要求2所述的一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法，其特征在于：

其中，合并线强S_0k、加权温度展宽参数α_D0k、加权气压展宽参数α_L0k以及综合加宽α_A0k，分别为：

S_0k＝∑S_sj

4.根据权利要求3所述的一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法，其特征在于：所述将综合加宽α_A0k分为P组的方法，具体为：

式中符号表示向上取整，其中第l组的综合加宽α_A0l都满足以下条件：

l＝1,2,3…P。

5.根据权利要求4所述的一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法，其特征在于：所述的通过快速傅里叶变换计算每组光谱吸收线的线强与其综合加权展宽线型函数的卷积，得到每组光谱吸收线的光谱吸收系数，具体为：

由傅里叶变换及逆傅里叶变换计算第l组光谱吸收系数σ_l(ν)：

6.根据权利要求5所述的一种基于HITRAN数据库的吸收光谱快速获取方法，其特征在于：所述的最终的吸收光谱的系数σ(ν)＝∑σ_l(ν)。

7.一种处理装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于从所述存储器调用并运行所述计算机程序，以执行权利要求2至6中任一项所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被执行时，实现权利要求2至6中任一项所述的方法。

9.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括指令，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求2至6中任一项所述的方法。