小型化環(huán)境污染氣體監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用

摘要：隨著工業(yè)與交通運輸業(yè)發(fā)展加快，環(huán)保已成為新世紀發(fā)展的主題。為對空氣中污染物進行大范圍連續(xù)監(jiān)測，在卡瑟格林望眼鏡系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出便攜式大氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。分析現(xiàn)有DOAS空氣監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理，提出新型監(jiān)測系統(tǒng)。具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小便攜性好等優(yōu)點。對標準收截面采用插值方法，得到差分吸收光譜中包含高頻噪聲，采用小波變換軟閾值去燥法去除高頻噪聲。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測;差分吸收光譜技術(shù)

中圖分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）12-0-02

Abstract：With the acceleration of the development of industry and transportation，environmental protection has become the theme of development in the new century.In order to continuously monitor pollutants in the air on a large scale，a portable air quality monitoring system is proposed on the basis of the Catherine Lookout system.Analyze the working principle of the existing DOAS air monitoring system and propose a new monitoring system.It has the advantages of simple structure， small size and good portability.Interpolation method was adopted for the standard cross section to obtain the high-frequency noise included in the differential absorption spectrum.The high-frequency noise was removed by wavelet transform soft threshold de-drying method.

Key words：Environmental monitoring;Differential absorption spectroscopy

工業(yè)發(fā)展為大氣環(huán)境帶來了危害。我國二氧化碳排放量居世界第二，大氣質(zhì)量符合國家二級標準的城市不到1%，60%大氣環(huán)境指數(shù)未達到國家標準。大氣污染為人類生存帶來了嚴重危害。大氣污染物種類有很多，按大氣污染物存在狀態(tài)可分為氣溶膠狀態(tài)與氣體狀態(tài)。大氣污染物對人體健康帶來巨大的危害，導致形成酸雨，嚴重危害農(nóng)作物與森林。大氣中主要污染物包括二氧化硫，氮氧化物等。大氣監(jiān)測是大氣污染治理的首要任務(wù)。對污染物進行實時監(jiān)測十分必要。

1 大氣污染監(jiān)測

空氣質(zhì)量是評價城市環(huán)境的重要方面，大氣環(huán)境檢測日益受到科技工作者的關(guān)注。大氣質(zhì)量監(jiān)測方法按其測量原理可分為化學與光譜測量法。

1.1 現(xiàn)有空氣質(zhì)量監(jiān)測方法

化學檢測技術(shù)在檢測痕量氣體中具有重要作用。化學檢測方法應(yīng)用廣泛，主要包括氣相色譜技術(shù)，化學發(fā)光檢測技術(shù)，激光誘導熒光技術(shù)。色譜法是使難以測得的混合物分離的技術(shù)，色譜法原理是利用不同物質(zhì)在不同狀態(tài)的選擇分配，不同物質(zhì)以不同速度沿固定方向移動達到分離效果。

傳統(tǒng)空氣污染物檢測儀器通常僅限于單點測量，光譜遙感技術(shù)具有連續(xù)實時檢測等優(yōu)點，現(xiàn)代光譜檢測技術(shù)有差分吸收激光雷達技術(shù)，傅里葉變換紅外光譜技術(shù)，可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)等[1]。

1.2 差分吸收光譜技術(shù)

光譜技術(shù)已成為大氣污染檢測的主要手段。DOAS技術(shù)憑借原理簡單，響應(yīng)時間短等優(yōu)點，吸引了大批專家學者對其進行科研。成功應(yīng)用在固定污染源排放監(jiān)測等領(lǐng)域。

20世紀80年代初Noxon首先提出DOAS技術(shù)雛形，此后，DOAS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于空氣污染檢測等領(lǐng)域。我國目前使用的DOAS系統(tǒng)基本靠引進國外技術(shù)設(shè)備，國內(nèi)很多科研機構(gòu)對DOAS技術(shù)進行了深入研究。

DOAS技術(shù)測量范圍長，不需工作人員在現(xiàn)場實時看管，直接對大氣進行監(jiān)測，不需采集大氣樣品，小區(qū)域范圍內(nèi)的干擾對氣體結(jié)果的準確性影響不大。對一些濃度低的痕量氣體可檢測出來。

2 小型化DOAS系統(tǒng)的研制

空氣中污染氣體濃度隨氣象條件不同發(fā)生變化，采用點式測量儀器不能連續(xù)檢測污染物變化情況，研制連續(xù)工作的大氣自動檢測系統(tǒng)十分必要。

2.1 DOAS技術(shù)原理

20世紀80年代，美國，瑞典等國家研制了長光程DOAS系統(tǒng)，主要采用Cassegrain望遠鏡與牛頓望遠鏡結(jié)合的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)望遠鏡系統(tǒng)有一些缺點，光源發(fā)射端在前端，使得望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積龐大，不便移動，采用兩面平面發(fā)射鏡完成光線發(fā)射接收，光能利用率降低。

基于卡塞格林望遠鏡基礎(chǔ)上，采用光纖束完成光線的發(fā)射接收。新型DOAS系統(tǒng)主要采用具有公共端的光纖束組成，主要包括精密的球面鏡與橢球面反射鏡。利用系統(tǒng)進行空氣質(zhì)量檢測有很多優(yōu)點。望遠鏡結(jié)構(gòu)由托球鏡與球面反射鏡組成，避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)兩面平面鏡相互遮擋造成光能損失。望遠鏡微調(diào)旋鈕與主鏡連接，調(diào)節(jié)主鏡位置，能方便實現(xiàn)平行光的出射。

DOAS系統(tǒng)工作中，氙燈發(fā)出光經(jīng)入射光纖進入望眼鏡系統(tǒng)，光線被返回后被出射光纖接收導入光譜儀。對接收光進行分光，CCD將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸入計算機進行數(shù)據(jù)存儲，得出被檢測氣體濃度[2]。

2.2 DOAS系統(tǒng)主要光學元件

DOAS系統(tǒng)光學部分主要包括望遠鏡系統(tǒng)、光譜儀、角墜棱鏡等。光源選擇主要根據(jù)波長區(qū)間，能同時監(jiān)測SO2，O3氣體。工作范圍為250～450mm屬于紫外-可見光譜區(qū)域。

DOAS系統(tǒng)選擇光源時，工作波段需要光譜變化小，要求光源輻射強度隨波長變化緩慢變化。DOAS系統(tǒng)對污染氣體需要進行連續(xù)監(jiān)測。選擇Hamamastu公司的高壓短弧氙燈作為系統(tǒng)光源，氙燈需高壓觸發(fā)，可采用直流電源供電。根據(jù)氙燈放電弧長小的優(yōu)點，將其視為點光源。氙燈光譜波長范圍為220～2200nm。使用的橢球面反射鏡內(nèi)表面鍍有紫外高反射膜，能投射其余波段的光。調(diào)節(jié)光路時，避免紫外光灼燒眼睛。

望遠鏡系統(tǒng)采用發(fā)射器裝置為同側(cè)雙光程排列方式，主要由精密球面反射鏡與托球鏡組成。最外層為發(fā)射部分，主鏡中間為光路接受部分。返回的光束嚴格按入射方向精準返回，望遠鏡左端橢球鏡主要作用是反射從光纖中發(fā)出的光，石英玻璃位于望遠鏡筒最前端，主要作用是防止?jié)駳獾冗M入光學系統(tǒng)。

傳統(tǒng)DOAS系統(tǒng)光束接收位置位于望遠鏡結(jié)構(gòu)異端，選擇具有公共端的光線束完成光能量發(fā)射接收，入射光纖固定在光源聚焦位置，公共探頭包含不同的光纖束，氙燈發(fā)出的通過入射光纖進入望眼鏡系統(tǒng)，另一束是接收望遠鏡系統(tǒng)的反射光。兩束光纖探頭隨機排列。

3 差分吸收光譜算法的數(shù)據(jù)處理

DOAS技術(shù)測量痕量氣體濃度結(jié)果準確性受很多因素影響，通過比較選擇合適的數(shù)學處理方法。在DOAS算法中包含對參考光譜的處理，從數(shù)據(jù)庫中得到標準吸收截面不能直接參與計算。對標準吸收截面進行插值運算。對得到的差分吸收厚度進行最小二乘擬合，選擇不同波段進行反演計算。

3.1 標準吸收界面處理

反演痕量氣體濃度時，高精度標準吸收截面使用非常重要。通常采用德國Max Planck化學研究提供的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中標準吸收截面分辨率高，得到吸收光譜不能達到與標準吸收截面相同的分辨率。

采用標準吸收截面進行卷積的方法，卷積是系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系，在所求譜線波長范圍內(nèi)，取汞等譜線。標準汞燈譜線脈沖接近0，可視為沖擊函數(shù)，實際處理中，用高斯函數(shù)擬合汞燈譜。實際測量中的汞燈譜不便計算。

光譜樣條插值是根據(jù)一組已知數(shù)據(jù)點，在多項擬合中，保證每組相鄰樣本數(shù)據(jù)。光譜插值法中，標準吸收截面分辨率高，可認為相鄰數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)突變，得到與吸收光譜相同的分辨率。對標準吸收截面進行三次樣條插值，反演氣體濃度。采用間隔為0.01nm時，氣體濃度誤差值小。保證得到的吸收截面與吸收光譜有相同的分辨率。

3.2 查分吸收光譜分離

吸收光譜分離中，重要的是能準確分離快變化部分，合理選擇窗寬，擬合吸收光譜中的慢變化。分離得到的差分吸收光譜中存在砌體的特征吸收，采用濾波方法去除差分吸收光譜中的噪聲。

差分吸收光譜技術(shù)關(guān)鍵步驟是提取原始光譜中快變換部分，目前使用多項擬合方法對慢變化擬合不夠充分，采用Savitzky-Golay數(shù)字平滑濾波技術(shù)。通過移動窗口，利用最小二乘法擬合。

使用濾波器時，關(guān)鍵是確定窗寬與窗內(nèi)擬合階數(shù)主要參數(shù)，窗寬壓足夠大，過大會造成多項式無法今個擬合慢變化的部分。窗內(nèi)多項式擬合次數(shù)要足夠高。擬合得到低頻部分波峰與波谷。過高會擬合快變特征的波峰部分[3]。

利用濾波方法擬合慢變化反演到最大誤差為3.45%，多項式方法不能充分擬合吸收光譜的慢變化部分，數(shù)字濾波只要選擇合適的窗寬，即可充分擬合光譜中的慢變化。得到精確的差分吸收光譜。

光譜儀光柵會隨溫度發(fā)生微小熱脹冷縮，機械振動等因素引起測量光譜位移，卷積后吸收截面與實測吸收光譜波長不完全溫和。波長為λi時，對應(yīng)譜線第i測量點。對應(yīng)標準吸收截面的可能是第j點，擬合按照對應(yīng)點進行，得到結(jié)果存在很大的誤差，需對測量光譜進行平移處理。

4 實驗及系統(tǒng)評價

采用樣品池實驗對研制的DOAS系統(tǒng)進行標定，用標準氣體通過高純氮氣進行稀釋，將不同濃度的標準氣體通入樣品池，用DOAS系統(tǒng)進行監(jiān)測。采用樣品池長度為300mm，兩端是JGS2材質(zhì)的石英玻璃，為避免密閉操作帶來的誤差，采用流動氣體的方式，保證氣體流量穩(wěn)定，氣體流量過大，會影響實驗穩(wěn)定性。

采用實驗室自行研制的氣體分割器，將標準氣體SO2氣體分為不同濃度的氣體，緩慢通入樣品池中，測量5次求平均值后存儲在計算機中。SO2氣體吸收主要集中在280～320mm處，對測量光譜采用7階79點S-G濾波方法擬合慢變化部分，對差分吸收光譜進行去燥處理。差分吸收光譜吸收強度隨氣體濃度升高，將差分吸收截和差分吸收光譜面進行最小二乘擬合反演氣體濃度。不同濃度的SO2氣體測量幾乎為一條直線，說明DOAS儀器有很好的線性度。

5 結(jié)語

本文根據(jù)差分吸收光譜原理為主要研究內(nèi)容，提出新型光纖收發(fā)一體的DOAS系統(tǒng)，對測量結(jié)果影響因素進行分析。詳細分析了DOAS技術(shù)基本理論，新型DOAS系統(tǒng)采用雙程排列方式，系統(tǒng)成本低，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有體積小便攜性好，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。采用Savitzky-Golay濾波技術(shù)分析吸收光譜中快變化部分，最大誤差為4.2%。使用濾波技術(shù)能提高測量精度，提高了氣體反演精度。

參考文獻

[1]侯艷霞.基于DOAS的小型化環(huán)境污染氣體監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學，2012.

[2]李淑云.移動式微型污染氣體監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D].青島：山東科技大學，2011.

[3]楊秀艷.光譜法污染氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究[D].天津：天津大學，2005.

收稿日期：2019-09-30

作者簡介：賀萬興（1967-），男，漢族，本科學歷，工程師，研究方向為環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境執(zhí)法。