大氣顆粒物源識別在線分析儀的開發(fā)及應(yīng)用

楊希+邱致剛+常銻+曾毛毛

摘要：文章通過偏振光散射快速獲取顆粒物的粒徑、形貌、光吸收等物理特征，對主要來源顆粒物的獨(dú)特物理信息進(jìn)行源類識別，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多角度偏振光散射大氣顆粒物源識別在線分析儀，與現(xiàn)行的化學(xué)檢測方法形成互補(bǔ)，儀器整機(jī)經(jīng)過應(yīng)用開發(fā)和示范、工程化和可靠性驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)生巨大的科學(xué)社會經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：多維物理特征檢測；在線源識別；高時間分辨率；低成本；大氣顆粒物 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH70 文章編號：1009-2374（2016）35-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.007

大氣顆粒物來源復(fù)雜并具有區(qū)域傳輸和快速演化特征，現(xiàn)有儀器主要集中在顆粒物粒徑、濃度和成分的單獨(dú)檢測，且時間分辨率低、價格昂貴，缺少能夠進(jìn)行快速源識別和支撐顆粒物動態(tài)時空分布研究的在線監(jiān)測儀器。本項(xiàng)目融合多角度測量與偏振測量兩項(xiàng)技術(shù)，研制多角度偏振光散射大氣顆粒物源識別在線分析儀，并推進(jìn)大氣顆粒物物理光學(xué)表征體系的完善，是大氣污染物源解析新型技術(shù)的典型應(yīng)用。

1 原理及方法介紹

當(dāng)大氣顆粒物被采集進(jìn)入光檢測室后，通過對氣路流量、流速和擴(kuò)散行為的調(diào)控，使得入射光在測量區(qū)域僅與單個顆粒物產(chǎn)生相互作用，此時顆粒物粒徑、復(fù)折射率、等效散射體結(jié)構(gòu)等物理特征影響偏振狀態(tài)的演化以及角度分布，對全偏振散射角度譜信息進(jìn)行提取和簡并變換，建立偏振光學(xué)指標(biāo)組合與顆粒物物理復(fù)合特征之間的對應(yīng)關(guān)系，并借助多維網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)的逆推算法，通過所測量的偏振指標(biāo)反演并識別單顆粒物的類別信息，其中多個光散射脈沖序列的高靈敏提取能夠反饋大氣顆粒物復(fù)合體系中的多類源識別比例，單個光散射脈沖的同步檢偏確保大氣顆粒物偏振表征的有效性和實(shí)時性。整體技術(shù)路線大致如下圖1所示：

對比非偏振的測量，擴(kuò)展為16個信息維度的偏振光散射測量后帶來的好處：

第一，偏振通道的散射信息量大，可以在不依賴多角度、多波長條件下獲取多維表征參數(shù)。

第二，偏振對顆粒物屬性變化更為敏感，尤其對小尺寸或者各向異性的微觀結(jié)構(gòu)具有較高的測量敏感性。同時經(jīng)歷不同散射次數(shù)的偏振光子保偏能力不同，偏振測量的優(yōu)勢還在于通過剔除多次散射后擴(kuò)散光子的影響，而達(dá)到增強(qiáng)對比度和弱信號探測效果。

第三，多維的退偏、橢偏、旋偏組合信息為多組分多類別復(fù)雜顆粒物源識別提供可能。

第四，起偏檢偏模塊的兼容性好，不影響原有光散射測量，易實(shí)現(xiàn)光學(xué)方法的復(fù)合測量。

2 項(xiàng)目主要解決的科學(xué)技術(shù)問題

項(xiàng)目技術(shù)路線如圖5所示：

2.1 研究大氣顆粒物偏振光散射模型和演化算法

發(fā)展單顆粒物散射物理模型，引入結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)屬性等因素來識別顆粒物，結(jié)構(gòu)特征包括粒徑分布、復(fù)折射率、特殊形態(tài)、復(fù)合結(jié)構(gòu)等，光學(xué)屬性包括光吸收散射過程的計算方式，旋光、雙折射、二向色性等，探討顆粒物不同來源所對應(yīng)的示蹤成分和示蹤光學(xué)現(xiàn)象，研究散射偏振矩陣的變換和降維方式。對全偏振散射指標(biāo)組進(jìn)行篩選和比較，包括各偏振指標(biāo)的誤差傳遞和權(quán)重因子分析，各偏振指標(biāo)在不同物理過程和結(jié)構(gòu)對象上的靈敏度差異；對不同分類識別算法在計算速度、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、降維能力、適用對象、訓(xùn)練數(shù)據(jù)要求、類間距誤差等方面進(jìn)行比較，確定反演算法關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的選取和設(shè)定，進(jìn)一步探討理論數(shù)據(jù)庫和標(biāo)樣測試數(shù)據(jù)庫對算法的訓(xùn)練學(xué)習(xí)流程以及多組分多類別現(xiàn)場對照誤差的分析和校準(zhǔn)方式等。

2.2 顆粒物源識別在線分析儀的研發(fā)

2.2.1 儀器關(guān)鍵部件開發(fā)，包括：（1）研制精確的流量控制模塊，高速噴嘴、鞘氣保護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到大氣顆粒物以排列形式單個依次通過光散射區(qū)的目標(biāo)；（2）研制穩(wěn)定的溫濕度控制模塊、高吸收氣密散射室，減少各測量通道的噪聲基底值以及噪聲漂移；（3）開發(fā)超高靈敏光電傳感器、高信噪比放大電路，達(dá)到考核指標(biāo)中粒徑分析下限的要求；（4）開發(fā)多偏振參量同步檢測器和同步數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)多通道多偏振態(tài)同步檢測和數(shù)據(jù)接收。

2.2.2 顆粒物光散射特性分析和儀器性能評價：搭建多組分顆粒物單粒徑穩(wěn)定發(fā)生和篩選系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種類顆粒物的穩(wěn)定發(fā)生和選擇，以此為基礎(chǔ)開展多組分、多粒徑的標(biāo)準(zhǔn)單顆粒光散射及偏振特性測試系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)驗(yàn)，其中單粒徑顆粒物類型涵蓋水溶性顆粒物（氯化鈉、硫酸銨、硝酸銨等）、PSL標(biāo)準(zhǔn)小球等，多粒徑顆粒物類型涵蓋揚(yáng)塵（亞利桑那塵）、碳類（煤礦塵）等，在完成實(shí)驗(yàn)室多參數(shù)測定及樣機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，同步開展儀器環(huán)境適用性檢測和評估研究，開展實(shí)際大氣環(huán)境下（合肥）的儀器示范運(yùn)行測試和數(shù)據(jù)比對，形成儀器性能評價報告和改進(jìn)建議。

2.3 污染源分類的偏振數(shù)據(jù)解釋和儀器應(yīng)用比對

在研發(fā)樣機(jī)完成的基礎(chǔ)上，選擇已有顆粒物源譜的典型地區(qū)，涉及不同緯度、不同氣候特征（包括溫度、濕度、氣流等）和不同的工業(yè)結(jié)構(gòu)的顆粒物排放區(qū)域，如京津冀、長三角、珠三角等地區(qū)，同時在外場安放研發(fā)樣機(jī)及顆粒物采樣器。每個季度采集20天，一共采集4個季度。其中研發(fā)樣機(jī)通過儀器自身采集到的顆粒物的單顆粒光學(xué)特征，在線分析出顆粒物的主要來源；顆粒物采樣器利用濾膜采集樣品、實(shí)驗(yàn)室分析其中的有機(jī)碳（OC）/元素碳（EC）、水溶性陰陽離子（F-、Cl-、NO3-、SO42-；K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+）、無機(jī)元素（Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Pb、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Si等），采用化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）源解析技術(shù)，模擬計算得到采樣點(diǎn)的顆粒物來源。將上述兩者來源做比對，驗(yàn)證研發(fā)樣機(jī)的結(jié)果的可靠性，修正研發(fā)樣機(jī)的誤差，形成比對驗(yàn)證報告。在研發(fā)樣機(jī)改善的基礎(chǔ)上，在上述外場做應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)偏振光散射的顆粒物快速動態(tài)源識別，獲得高時間分辨率的顆粒物來源信息，形成儀器應(yīng)用示范分析報告，為當(dāng)?shù)卮髿馕廴痉乐魏凸芾硖峁?shù)據(jù)支持。

2.4 工程化和可靠性測試

為保障本項(xiàng)目工程化與產(chǎn)業(yè)化的順利進(jìn)行，切實(shí)形成皮實(shí)耐用、穩(wěn)定可靠具有市場競爭力的產(chǎn)品，申報團(tuán)隊引入專業(yè)的工程化可靠性研究團(tuán)隊，在項(xiàng)目論證、儀器開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化等環(huán)節(jié)，針對項(xiàng)目儀器的研制與應(yīng)用，開展可靠性研究，目標(biāo)儀器的技術(shù)就緒度≥8級、環(huán)境適應(yīng)性符合GB/T 11606規(guī)定的要求，安全性符合EN 60100或GB/T 17626規(guī)定的要求。

3 創(chuàng)新性

在線分析儀基于偏振光散射多角度測量裝置和算法對大氣顆粒物進(jìn)行分析識別，屬于國內(nèi)領(lǐng)先、國際首創(chuàng)，其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在原理、評價體系和功能三個方面：

3.1 國際首創(chuàng)的多角度偏振光散射顆粒物在線分析方式

依托清華大學(xué)團(tuán)隊自主創(chuàng)新的兩項(xiàng)國際專利技術(shù)，并采用新型光探測器、低噪聲跨阻放大器及半導(dǎo)體制冷技術(shù)突破單顆粒微弱信號的增敏提取瓶頸，實(shí)現(xiàn)全偏振快速同步檢測；借助偏振同步分析所提取的多維偏振指標(biāo)體系，對顆粒物形貌、光吸收等屬性進(jìn)行復(fù)合表征，從而對顆粒物示蹤成分，如水、炭黑、硝酸鹽、硅酸鹽等，開展特異性識別；通過掃描差分電遷移粒徑選擇、環(huán)境條件可控、均勻混合箱設(shè)計及氣流控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多組分、多粒徑的標(biāo)準(zhǔn)單顆粒的穩(wěn)定發(fā)生和篩選以及光散射及偏振特性參數(shù)的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)測試與分析，實(shí)現(xiàn)儀器的單顆粒定標(biāo)測試，并獲取顆粒物光學(xué)識別數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)偏振數(shù)據(jù)。

3.2 對現(xiàn)有大氣顆粒物多維信息評價體系的創(chuàng)新型補(bǔ)充

開發(fā)對微觀結(jié)構(gòu)的偏振光散射過程分析能力具有國際領(lǐng)先水平的偏振光散射蒙特卡洛理論計算和仿真模擬平臺，研究多維偏振指標(biāo)的優(yōu)化組合和逆向反演顆粒物類別的算法，這種新的源類分析模型和算法是基于大氣顆粒物的物理特征數(shù)據(jù)譜庫，首次對偏振光學(xué)散射過程與典型源類對象之間的關(guān)系進(jìn)行描述和解釋，它在燃煤、機(jī)動車尾氣、生物質(zhì)燃燒、揚(yáng)塵等典型排放源的實(shí)測評價，能夠成為大氣顆粒物形成機(jī)理、時空分布以及區(qū)域傳送等重點(diǎn)研究問題的輔助依據(jù)；基于實(shí)驗(yàn)室典型源類測試，利用綜合觀測和解析手段，通過對顆粒物開展定量動態(tài)源解析，率先建成顆粒物光學(xué)信息組合特征與典型源類特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)特征的環(huán)境大氣顆粒物快速動態(tài)來源識別。

3.3 功能創(chuàng)新

體現(xiàn)在三個方面：（1）該設(shè)備具備長周期不間斷連續(xù)觀測能力，核心部件和器材都可以長期穩(wěn)定工作，不需要定期的耗材更換，偏振光學(xué)在線數(shù)據(jù)采集和高維數(shù)據(jù)處理后的源識別數(shù)據(jù)更新速度在分鐘量級；（2）該設(shè)備是一種單顆粒物分析裝備，對大氣真實(shí)體系下的顆粒物的原始狀態(tài)進(jìn)行分析；（3）該設(shè)備完全自主知識產(chǎn)權(quán)，價格低廉。

4 項(xiàng)目團(tuán)隊

項(xiàng)目團(tuán)隊共六家單位，完整覆蓋技術(shù)支撐、應(yīng)用示范、工程化以及產(chǎn)業(yè)化四大領(lǐng)域。首先，在中興儀器承擔(dān)的整機(jī)設(shè)計與開發(fā)任務(wù)的牽引下，由清華大學(xué)和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院配合分別承擔(dān)顆粒物特異性表征和源識別偏振光學(xué)模型算法與系統(tǒng)優(yōu)化，顆粒物光散射特性分析及儀器性能評價兩項(xiàng)基礎(chǔ)性任務(wù)，為中興儀器完成整機(jī)設(shè)計與開發(fā)任務(wù)奠定基礎(chǔ)；然后，由中國環(huán)境科學(xué)研究院和中國環(huán)境監(jiān)測總站分別負(fù)責(zé)完成偏振光表征體系識別污染源的分類模型和數(shù)據(jù)解釋，顆粒物源識別的比對驗(yàn)證和應(yīng)用示范兩項(xiàng)儀器應(yīng)用開發(fā)任務(wù)；最后，由電子五所配合中興儀器完成儀器工程化與產(chǎn)業(yè)化的任務(wù)。通過上述七項(xiàng)任務(wù)的統(tǒng)籌安排和布局，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破、儀器研發(fā)、應(yīng)用開發(fā)、工程化與產(chǎn)業(yè)化的全鏈條打通，保障本項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

5 預(yù)期效益

本項(xiàng)目的順利實(shí)施，在科學(xué)上極大地豐富了大氣顆粒物源解析技術(shù)體系，光學(xué)數(shù)據(jù)庫與已有化學(xué)屬性庫形成互補(bǔ)驗(yàn)證，為開展大氣污染源復(fù)合解析提供綜合數(shù)據(jù)支撐；在社會管理上，一方面減少大氣顆粒物源識別儀器對國外技術(shù)的依賴，為國家和環(huán)保產(chǎn)業(yè)培育人才，另一方面可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果共享，共同繁榮藍(lán)色文明，創(chuàng)造社會公眾價值；在經(jīng)濟(jì)上，儀器產(chǎn)品具有廣闊的市場前景，不僅產(chǎn)生填補(bǔ)國內(nèi)外空白的多項(xiàng)技術(shù)專利，為企業(yè)創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會和可觀利稅；推動了環(huán)境監(jiān)測和治理領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)快速發(fā)展，同時帶動科學(xué)分析、機(jī)電一體化、自動控制、電子信息、基礎(chǔ)材料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造出顯著的高科技產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目初期已完成偏振光散射顆粒物識別的可行性論證和一套原理性樣機(jī)，在中國環(huán)科院和監(jiān)測總站進(jìn)行了成功試用，為本項(xiàng)目的實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ)。

作者簡介：楊希（1975-），男，湖南人，中興儀器（深圳）有限公司工程師，碩士，研究方向：在線自動監(jiān)測儀器；邱致剛（1977-），男，黑龍江人，中興儀器（深圳）有限公司高級工程師，碩士，研究方向：在線自動監(jiān)測儀器；常銻（1988-），女，山東人，供職于中興儀器（深圳）有限公司，碩士，研究方向：在線自動監(jiān)測儀器；曾毛毛（1990-），男，江西人，供職于中興儀器（深圳）有限公司，碩士，研究方向：在線自動監(jiān)測儀器。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）