差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的分析

前言

隨著人們環(huán)保意識(shí)水平的不斷提高，構(gòu)建準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，是現(xiàn)階段加強(qiáng)環(huán)境控制的重要實(shí)現(xiàn)途徑。本文就差分吸收光譜反演方法的原理及其在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用模式進(jìn)行分析，探討差分吸收光譜在環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中的作用機(jī)制。

差分吸收光譜反演方法是大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作中的常用方法，能夠很好地測(cè)定大氣環(huán)境中二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等空氣質(zhì)量指標(biāo)的濃度水平，幫助環(huán)保工作者制定相應(yīng)的減排計(jì)劃，降低有害氣體濃度，進(jìn)一步改善大氣環(huán)境質(zhì)量。因此，探討差分吸收光譜反演方法的原理，使該反演方法更好地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在現(xiàn)階段的時(shí)代背景下具有重要意義。

差分吸收光譜反演方法的原理分析

理論基礎(chǔ)

差分吸收光譜（DOAS）技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是大氣中不同氣體分子，在紫外光波段和可見光波段內(nèi)的特征吸收光譜。DOAS技術(shù)通過利用濾波技術(shù)，去除大氣光波圖譜中變化速率小的部分光波，篩選出不同污染氣體的特征吸收光譜，并根據(jù)光譜結(jié)果分析鑒別氣體的種類及其對(duì)應(yīng)的大氣濃度。

差分吸收光譜反演是指，將DOAS技術(shù)所得的氣體類型及其濃度與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)相同濾波處理的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行擬合，反演計(jì)算方法以最小二乘法為主。

差分吸收光譜的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相較于其它監(jiān)測(cè)方法而言，差分吸收光譜應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

第一，差分吸收光譜能夠在同一波段條件下，同時(shí)測(cè)定多種不同氣體的濃度水平，監(jiān)測(cè)人員可通過調(diào)整光柵，很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)多類型污染氣體濃度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，具有較高的監(jiān)測(cè)效率。

第二，差分吸收光譜的濃度計(jì)算依據(jù)主要是氣體的差分吸收截面面積，對(duì)氣體濃度具有較高的敏感度，在恰當(dāng)?shù)牟ǘ螚l件下，其測(cè)量濃度的最低限制＜1×10-4mg/m3，應(yīng)用價(jià)值較高。

第三，差分吸收光譜屬面測(cè)量范疇，其氣體測(cè)量范圍包括光源到接收器間的所有氣體，相較于點(diǎn)測(cè)量方法而言具有更高的測(cè)量準(zhǔn)確率。

因此，將差分吸收光譜反演技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可提高測(cè)量效率、簡(jiǎn)化工作步驟，還能更好地確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)于大氣環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作的順利開展意義重大。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用方面

常規(guī)應(yīng)用模式

濃度反演的主要設(shè)備包括氙光源、角反射鏡、掃描儀、光譜儀及計(jì)算機(jī)等。應(yīng)用DOAS技術(shù)進(jìn)行氣體濃度的測(cè)算過程中，存在瑞利散射或其他光散射現(xiàn)象的干擾，干擾因素會(huì)導(dǎo)致光學(xué)厚度的變化速率降低，形成低頻寬譜。

差分吸收光譜法的監(jiān)測(cè)目標(biāo)是分子吸收效應(yīng)而產(chǎn)生的高頻窄譜，獲取結(jié)果受到低頻寬譜的影響較大，因此應(yīng)利用濾波技術(shù)消除低頻部分光譜。在將實(shí)際監(jiān)測(cè)光譜與實(shí)驗(yàn)室光譜結(jié)果進(jìn)行擬合時(shí)，往往會(huì)受到殘余光譜的影響而表現(xiàn)出較大誤差，此時(shí)可將所得光譜進(jìn)行平移、拉伸等，達(dá)到減少甚至消除殘余光譜的影響，然后再進(jìn)行光譜擬合，確保濃度反演結(jié)果的真實(shí)性。其具體算法如式①：

通過上述公式及其它相關(guān)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確測(cè)算出大氣中多種污染氣體的實(shí)時(shí)濃度。由此可知，差分吸收光譜反演技術(shù)對(duì)于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

應(yīng)用實(shí)例分析

為了更深刻地認(rèn)識(shí)到差分吸收光譜反演技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值及其具體應(yīng)用方法，現(xiàn)以甲醛為例，利用DOAS技術(shù)對(duì)大氣中的甲醛氣體進(jìn)行濃度反演。

首先應(yīng)分析甲醛氣體的分子吸收軌道，確保DOAS測(cè)量?jī)x器上的測(cè)量波段涵蓋所有甲醛氣體分子的能級(jí)躍遷情況。其次，利用氙燈光源進(jìn)行照射，并應(yīng)用濾波技術(shù)及最小二乘法等技術(shù)消除氙燈光譜與大氣散射產(chǎn)生的干擾，進(jìn)一步提高測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。第三，消除甲醛有效波譜段范圍內(nèi)其他氣體的分子吸收高頻光譜，包括一氧化氮、二氧化硫等；若無法徹底消除，應(yīng)先對(duì)其他干擾氣體進(jìn)行濃度反演，再對(duì)甲醛氣體的分子吸收光譜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室擬合，通過濃度反演途徑，即可得出準(zhǔn)確的甲醛濃度。

反演方法的不足及改進(jìn)

分析甲醛氣體的濃度反演過程，可知其反演結(jié)果出現(xiàn)誤差的幾率較大?，F(xiàn)就濃度反演過程中的誤差因素進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

誤差產(chǎn)生的原因

（1）DOAS技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室誤差。這一誤差主要來自于光譜儀，光譜儀的色散率直接影響到甲醛光譜中其它干擾氣體的消除結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光譜儀往往表現(xiàn)為色散率分布不均，使干擾氣體未能徹底清除，使氣體的濃度反演結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

（2）擬合算法的誤差。有研究表明，最小二乘法在具體應(yīng)用過程中的誤差為9%～13%。在應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行濃度反演時(shí)，算法的自身誤差會(huì)影響濃度計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，造成較大誤差。

（3）氣體吸收截面的誤差。由于甲醛氣體分子在不同環(huán)境下，其光譜吸收截面存在較大差距，導(dǎo)致比對(duì)光譜的偏差，使氣體的濃度反演結(jié)果出現(xiàn)誤差。

（4）外部環(huán)境的誤差。外部環(huán)境包括溫度、噪聲等，溫度會(huì)對(duì)氣體的吸收譜線產(chǎn)生影響，溫度過高會(huì)導(dǎo)致譜線截面增大，溫度過低則會(huì)使氣體光譜截面縮小，使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差。噪聲包括電噪聲和光噪聲兩種，二者均會(huì)對(duì)氣體濃度反演結(jié)果產(chǎn)生影響，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。

改進(jìn)方法

針對(duì)上述誤差原因，可從以下兩方面對(duì)差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用模式進(jìn)行改進(jìn)。

第一，可在儀器的正常工作溫度范圍內(nèi)選取3條等間隔分布的吸收截面，并在DOAS儀器的數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存與之相對(duì)應(yīng)的參考光譜吸收截面，達(dá)到消除誤差的目的。

第二，可從設(shè)備的性能角度進(jìn)行改進(jìn)，包括：光譜儀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減少內(nèi)部透光度，降低光噪聲；使用更高性能的攝譜元件，最大限度地縮短光譜測(cè)量時(shí)間，降低大氣波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的干擾，減小誤差。

第三，對(duì)氣體濃度進(jìn)行多次測(cè)量，將多次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行疊加平均，取其平均值作為濃度反演的數(shù)據(jù)結(jié)果，也可在一定程度上減小誤差。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高效、準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于更好地開展環(huán)境保護(hù)具有重要意義。差分吸收光譜反演方法能夠更精確、更高效、更敏感地測(cè)定環(huán)境中污染氣體的濃度水平，為針對(duì)性氣體減排措施的實(shí)施提供重要依據(jù)。因此，環(huán)保監(jiān)測(cè)技術(shù)人員在工作實(shí)踐中應(yīng)積極應(yīng)用差分吸收光譜反演方法，盡量規(guī)避可能的誤差因素，精確地測(cè)定大氣中各種污染氣體的濃度值，進(jìn)一步提高環(huán)境控制水平。