淺談遙感FTIR在大氣環(huán)境監(jiān)測中的新發(fā)展

薛宇浩

【摘要】遙感FTIR技術(shù)是現(xiàn)如今對大氣環(huán)境所采用的主要監(jiān)測方法，由于其具有高度的分辨率以及靈敏度，可以在不知道被測對象的前提下進(jìn)行多組分的同時測定，因此受到環(huán)境監(jiān)測部門的高度關(guān)注，并主要用于對一些有毒且較易揮發(fā)的特殊氣體做定性以及定量的監(jiān)測。本篇文章通過對遙感FTIR監(jiān)測技術(shù)概念以及優(yōu)勢的簡述，幫助人們系統(tǒng)的了解了該技術(shù)的應(yīng)用過程，有利于準(zhǔn)確掌握化學(xué)計量學(xué)和被動式遙感FTIR在大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的最新發(fā)展并靈活應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】遙感FTIR；新發(fā)展；大氣環(huán)境監(jiān)測

隨著我們國家經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，大氣環(huán)境的污染程度變得越來越嚴(yán)重，尤其是一些具有揮發(fā)性物質(zhì)的污染，不僅嚴(yán)重影響了我們賴以生存的大氣環(huán)境，還極大程度的危害著我們的身體健康，因此，無論是我們個人還是我們的國家都需要對其引起高度重視，采取一切措施對其實施科學(xué)的監(jiān)測和治理。在對大氣環(huán)境實施監(jiān)測過程中，作為主要且科學(xué)有效的監(jiān)測技術(shù)，遙感FTIR具有高度的分辨率以及靈敏度，可以在不知道被測對象的前提下進(jìn)行多組分的同時測定，受到環(huán)境監(jiān)測部門的廣泛應(yīng)用。

一、遙感FTIR的概念描述

通常情況下，環(huán)境監(jiān)測部門采用的是定點取樣法對大氣的環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)測，然而，在定點取樣法進(jìn)行觀測過程中，得到的觀測數(shù)據(jù)只能單純地反映較小范圍內(nèi)的大氣環(huán)境污染的程度，無法實現(xiàn)觀測樣本點范圍外的觀測，所以此方法不能適用于大型監(jiān)測區(qū)域的污染監(jiān)測工作。而遙感FTIR技術(shù)作為近幾年發(fā)展較快、運用較廣的綜合型探測技術(shù)，其使用過程不同于傳統(tǒng)的定點取樣法，一般不受區(qū)域限制，主要的優(yōu)點如下：（一）可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)測，遙感FTIR技術(shù)可以對遠(yuǎn)距離的大氣污染物實施24小時不間斷地監(jiān)測。（二）遙感FTIR技術(shù)可以對多組分的混合物進(jìn)行分析，并且迅速的做出判定。（三）遙感FTIR技術(shù)應(yīng)用于大氣監(jiān)測時，可以略過取樣等耗時、繁瑣的手續(xù)。（四）遙感FTIR技術(shù)對監(jiān)測的區(qū)域面積沒有特殊限制，且能夠?qū)崿F(xiàn)地面、高空的三維空間的大氣環(huán)境監(jiān)測。

現(xiàn)如今，隨著我們國家對于遙感FTIR技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用的深入研究，遙感FTIR中有關(guān)于化學(xué)計量學(xué)以及被動式的遙感監(jiān)測技術(shù)都取得了新的發(fā)展。

二、化學(xué)計量學(xué)在遙感FTIR光譜圖的解析中的新研究成果

近幾年，計量學(xué)的一些方法技巧逐步滲透于化學(xué)的各個方面，使得化學(xué)計量學(xué)逐漸趨于成熟，并在遙感FTIR光譜圖的解析中得到越來越多的應(yīng)用。常見的化學(xué)計量學(xué)模型有：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)典最小二乘法、偏最小二乘法、卡爾曼濾波法以及遺傳算法等，下面我們利用這些化學(xué)計量學(xué)中的數(shù)學(xué)模型對遙感FTIR光譜圖進(jìn)行定性、定量地解析。

（一）對多組分信息實施定性、定量地分析

在實際操作中，我們分別利用經(jīng)典最小二乘法、偏最小二乘法、卡爾曼濾波法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對光譜圖中出現(xiàn)的嚴(yán)重混合大氣污染物實行定量地解析。通過分析的結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，這些方法都可以實現(xiàn)對混合型大氣污染物的定量檢測。同時，在大氣污染物的定性鑒別中，我們首先通過偏最小二乘法對一些未知的干擾物進(jìn)行鑒定，然后再通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對多組分的環(huán)境情況進(jìn)行定量地解析。為了簡化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、縮短監(jiān)測時間、減小監(jiān)測誤差，我們用偏最小二乘法對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的信號實行變量提取，從而高效、準(zhǔn)確地解析了遙感FTIR光譜圖。與此同時，對于遺傳算法這一化學(xué)計量模型來說，其不僅具有較高的求解能力以及優(yōu)良的非線性特征，還是光譜圖庫中較好的計算機(jī)檢索工具。

（二）遙感FTIR光譜圖的特征信號的提取以及其噪聲的處理噪聲的科學(xué)、有效的處理對遙感FTIR光譜圖的解析具有重要意義，一般情況下，我們可以利用WA進(jìn)行一定程度的遙感FTIR光譜圖信號特征的提取，并且利用WA對信號實施分解時，可以在一定程度上濾除掉光譜圖中的噪音干擾，從而突出有用信號的存在位置。通過最新研究發(fā)現(xiàn)，對于開路遙感FTIR光譜圖的噪音來說，我們可以采用新型數(shù)據(jù)預(yù)處理法實現(xiàn)對噪音的徹底清除，該方法稱之為正交信號校正，對其與二階求導(dǎo)的預(yù)處理進(jìn)行比較，可以得到下圖，該圖分別利用上述兩個方法對以下七種氣體的光譜圖中的噪音干擾進(jìn)行處理，得到處理前后的分析模型的誤差結(jié)果如下：

通過上圖的比較結(jié)果我們可以看出，利用正交信號校正法對光譜圖處理以后分析模型誤差為16.58%，比二階求導(dǎo)處理后的平均誤差37.94%要小得多，因此，正交信號校正在對光譜圖中噪音的消除功能上具有顯著的效果。

三、被動式遙感FTIR在大氣環(huán)境的監(jiān)測過程中的應(yīng)用新成果

近幾年，隨著遙感FTIR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外的許多專家對被動式遙感FTIR技術(shù)在大氣環(huán)境中的監(jiān)測過程進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，并且通過研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確的感測出熱氣體放射源所發(fā)出的紅外輻射中的物理以及化學(xué)特性，從而探索出監(jiān)測大氣污染物的新發(fā)展方向。

被動式遙感FTIR監(jiān)測技術(shù)的工作原理需要借助于大氣污染物的不同溫度，其特點是能夠在背景信息缺乏的狀態(tài)下，對任意方向?qū)嵤?shù)據(jù)的收集，避免了樣品預(yù)處理工序，并且該監(jiān)測技術(shù)可以實現(xiàn)對多種大氣污染物的同時監(jiān)測，不受時間和距離限制。要想熟練掌握被動式遙感FTIR技術(shù)并且將該技術(shù)有效應(yīng)用于大氣環(huán)境的監(jiān)測過程中，這就要求我們不僅需要了解其工作原理、工作特點，還需要了解監(jiān)測過程中儀器響應(yīng)函數(shù)的規(guī)律。一般情況下，儀器的響應(yīng)函數(shù)又被稱為儀器的頻率函數(shù)，對于不同的實驗條件來說，其儀器的響應(yīng)函數(shù)也是不同的，它通常與校正時的黑體溫度的高低以及儀器接收信號的大小有關(guān)。

隨著遙感FTIR法在大氣環(huán)境監(jiān)測中的不斷發(fā)展，利用遙感FTIR法監(jiān)測大氣污染物的優(yōu)勢也逐漸被人們所知，在對大氣中各種特殊污染氣體實施遙感監(jiān)測時，遙感FTIR法具有重要的使用價值，它可對各種紅外源實行遠(yuǎn)距離的非接觸型遙測；能夠較為精確地提供在燃燒火焰里的激發(fā)態(tài)分子的轉(zhuǎn)動或振動的詳細(xì)信息；不需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理并且可對多種燃燒產(chǎn)物實行同時檢測；監(jiān)測速度快、精度高；它還可以對光譜輻射的能量分布實行絕對監(jiān)測。同時，由于反射望遠(yuǎn)鏡的使用，可以在一定程度上實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙感監(jiān)測燃煤的發(fā)電廠等一些大型污染性企業(yè)所排放的污染性氣體。所有這些技術(shù)的發(fā)展以及普及，對實現(xiàn)大氣環(huán)境的科學(xué)、有效監(jiān)測提供了重要的知識幫助，有助于大氣環(huán)境的保護(hù)。

四、結(jié)語

隨著我們國家科學(xué)的高速發(fā)展以及人們對于遙感FTIR的不斷認(rèn)識，遙感FTIR法在大氣環(huán)境的監(jiān)測領(lǐng)域中得到越來越廣泛的使用，我們知道，遙感FTIR法可以實現(xiàn)對大氣污染物的實時、連續(xù)不間斷以及多組分的監(jiān)測，然而，由于我們國家對其研究和探討起步較晚，對其在大氣環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用技術(shù)掌握不熟練，因此，利用遙感FTIR法對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)手段仍然需要進(jìn)一步發(fā)展。隨著時代以及科技的不斷進(jìn)步，我們堅信在不久的將來，遙感FTIR監(jiān)測技術(shù)一定會得到更好的加強(qiáng)與推廣。

參考文獻(xiàn)

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