差分吸收光譜技術(shù)及在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

丁可

差分吸收光譜技術(shù)及在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

丁可

（臨沂市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東 臨沂 276000）

目前，很多環(huán)保專家一直在致力于保護(hù)環(huán)境，致力于研究不同的系統(tǒng)來檢測(cè)生態(tài)環(huán)境。差分吸收光譜技術(shù)就被廣泛地應(yīng)用到大氣檢測(cè)中，用以檢測(cè)空氣質(zhì)量，取得了一定的成果，這種方法對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境有間接作用。主要介紹了差分吸收光譜技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)的作用，尤其是在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的作用。

差分吸收光譜技術(shù)；大氣監(jiān)測(cè)；環(huán)境污染；氣體濃度

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，使用汽車出行的次數(shù)也越來越多，各種生活煙霧的排放量也越來越高?？諝猸h(huán)境質(zhì)量已成為人們?nèi)粘ｊP(guān)注的焦點(diǎn)，相關(guān)行業(yè)環(huán)境污染源的監(jiān)測(cè)也引起了人們對(duì)未來的關(guān)注。由于行業(yè)專家的高度重視，不同的環(huán)境測(cè)量和監(jiān)測(cè)方法也隨著時(shí)代的發(fā)展而出現(xiàn)，而且應(yīng)用廣泛，差分吸收光譜技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱為DOAS）也快速發(fā)展。這個(gè)技術(shù)1970年左右首次出現(xiàn)在德國(guó)環(huán)境物理研究所。隨著光學(xué)分析計(jì)算和信息技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，再加上環(huán)境保護(hù)的重要性日益全球化，不同的吸收光譜反轉(zhuǎn)方法在二氧化硫等環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。差分吸收光譜可以用于通過不同的帶差分吸收光譜更好地監(jiān)測(cè)大氣中氣體濃度的反轉(zhuǎn)，并獲得各種類型的氣體濃度測(cè)量信息，可應(yīng)用于污染源的反演，在Ts濃度測(cè)試中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以差分吸收光譜方法價(jià)值較大。

2 運(yùn)行原理

DOAS技術(shù)借鑒了Lambert-Beerundefineds吸收定律的原理，利用空氣污染氣體的紫外和可見光吸收光譜特征來監(jiān)測(cè)氣體分子的識(shí)別，并根據(jù)某些原理和公式分析污染的氣體分子。Les及其濃度適用于對(duì)苯、甲醛、甲苯、一氧化氮、芳香族有機(jī)二氧化硫、臭氧。通過到達(dá)方向（DOAS）測(cè)量二氧化氮和其他氣體分子的吸收特性，并通過過濾器除去波長(zhǎng)，慢波的波長(zhǎng)改變，然后光衰減僅在窄帶吸收中進(jìn)行；通過測(cè)量信號(hào)光譜與實(shí)驗(yàn)室獲得的相同標(biāo)準(zhǔn)之間的參考光譜吸收截面的最小二乘法擬合測(cè)量的信號(hào)光譜，從而可通過投影算法測(cè)量目標(biāo)物體的濃度。這種鑒別氣體分子濃度是測(cè)量反演的理論基礎(chǔ)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中亦然。

3 主要特點(diǎn)

雖然差分吸收光譜法目前已經(jīng)被應(yīng)用在了環(huán)境監(jiān)測(cè)中，但是其涉及的領(lǐng)域很多，儀器設(shè)備和測(cè)量步驟復(fù)雜。此外，其應(yīng)用特點(diǎn)主要有3個(gè)方面：①差分吸收的應(yīng)用光譜學(xué)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用通過吸收光譜法測(cè)量氣體分子濃度的變化是在同一波段測(cè)量的，這意味著它可以使用簡(jiǎn)單的儀器來測(cè)量和監(jiān)測(cè)各種空氣污染物的濃度。它的應(yīng)用范圍很廣，對(duì)不同濃度氣體分子的研究也不盡相同。Lutants在掌握空氣環(huán)境中的氣體、化學(xué)和物理之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律方面起著重要的數(shù)據(jù)支持和輔助作用。②差分吸收光譜的距離和范圍非常寬?？梢栽趲浊谆驍?shù)百千米的距離內(nèi)監(jiān)測(cè)使用該技術(shù)來測(cè)量或監(jiān)測(cè)目標(biāo)的氣體，然后可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。這種長(zhǎng)距離氣體監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是其他監(jiān)測(cè)方法無法比擬的。③到目前為止，幾乎完全可以通過差分吸收光譜反轉(zhuǎn)來測(cè)量所有已知的大氣氣體成分。即使對(duì)某一位置的環(huán)境氣體材料進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量，氣體材料的監(jiān)測(cè)也是為了使其在大氣中立于不敗之地。環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用也使得差分光譜技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣泛的特點(diǎn)。

4 應(yīng)用分析

4.1 裝置

由于差分吸收光譜測(cè)量技術(shù)具有的復(fù)雜性和強(qiáng)度，有許多應(yīng)用工具或設(shè)備，主要測(cè)量設(shè)備是光源儀器、石英光纖、單色器、光譜儀、雙筒望遠(yuǎn)鏡、快速掃描裝置、角度反射器、接收/發(fā)射系統(tǒng)、光電倍增管、計(jì)算機(jī)、高速A≤D轉(zhuǎn)換卡等。工作過程為：打開氙燈，氙燈的光線從主鏡反射通過次鏡，在平行光的幫助下，它被射入遠(yuǎn)角度反射器，主鏡從角度反射器收集局部光；鏡子在入射光纖上反射，然后聚集在一起，通過光纖光被引導(dǎo)到單色器的入射狹縫中（寬度為0.1 mm），光譜被放置在焦平面上，掃描出口，狹縫被照射到PMT的接收端；光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；一旦狹縫掃描得到光譜，為了提高實(shí)際應(yīng)用中的信噪比（SNR），通常需要根據(jù)實(shí)際需要嚴(yán)格區(qū)分，比如加工后的40 000平均光譜，每個(gè)測(cè)量周期是300 s，這需要res人員嚴(yán)格掌握光與角度反射器之間的時(shí)間和距離，時(shí)間過長(zhǎng)或過短都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，一般來說會(huì)進(jìn)行多次測(cè)量。

4.2 處理光譜的方法

通常在實(shí)際測(cè)量中進(jìn)行，其中光譜與光源的比例和重疊的分子吸收截面被放置在計(jì)算機(jī)中，這將影響后續(xù)氣體分子濃度的反演計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的計(jì)算方法 ——Caly，是指測(cè)量?jī)x器和工作環(huán)境受外界環(huán)境影響，比如在測(cè)量過程中，瑞利散射和米氏散射引起的光學(xué)厚度隨波長(zhǎng)變化緩慢，結(jié)合分子吸收的光學(xué)厚度變化與波長(zhǎng)，如果粗糙度隨波長(zhǎng)變化很快、寬帶光譜引起的散射不能被濾除，殘留光譜將影響窄帶光譜監(jiān)測(cè)反演，這將使反演結(jié)果的擬合誤差變大，擬合誤差將更大。G殘余光譜具有較大的吸收結(jié)構(gòu)特征，此時(shí)，有必要通過平移、拉伸、壓縮等來提高收益率譜，從而消除不利因素。在寬帶頻譜反轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，執(zhí)行殘余頻譜處理。切割效果良好，然后進(jìn)行擬合以使反演數(shù)據(jù)更真實(shí)。當(dāng)然，這種翻譯或繪圖處理應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)則進(jìn)行。

4.3 實(shí)際應(yīng)用

差分吸收光譜的反演方法有很多應(yīng)用。以甲醛為例，可以對(duì)甲醛分子差分吸收光譜反演方法的測(cè)量應(yīng)用進(jìn)行討論和分析。甲醛有獨(dú)特的分子軌道，在選擇其帶時(shí)應(yīng)考慮分子轉(zhuǎn)變，氙燈光譜和大氣吸收光譜存在明顯的干擾峰。為了獲得更準(zhǔn)確的甲醛轉(zhuǎn)化值，必須消除干擾發(fā)射峰。此外，鑒于甲醛的有效光譜還具有臭氧、二氧化硫、二氧化氮等氣體的分子吸收光譜，應(yīng)采取相應(yīng)的措施消除或反復(fù)倒計(jì)數(shù)甲醛濃度，以進(jìn)一步提高甲醛的有效光譜。應(yīng)采取甲醛濃度測(cè)量值的準(zhǔn)確度。如果甲醛濃度的反演計(jì)算中存在誤差，則還應(yīng)分析測(cè)試中可能的誤差源，以及光譜儀的暗電流、偏移、色散和色散率是否均勻，或者過程中是否存在干擾因素。橫向張力不能達(dá)到規(guī)定位置時(shí)，應(yīng)重復(fù)消除高分辨率氣體吸收界面誤差引起的干擾，測(cè)量和計(jì)算濃度，進(jìn)行濃度反演，應(yīng)總結(jié)誤差經(jīng)驗(yàn)并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。它為未來的其他氣體監(jiān)測(cè)和反演奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并提供了技術(shù)參考。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)監(jiān)控中有許多錯(cuò)誤源，但大多數(shù)錯(cuò)誤源是上述錯(cuò)誤源。另外，非線性最小二乘法的反演過程存在誤差，這是擬合誤差的3倍。除了上述在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用外，差分吸收光譜反演方法還廣泛應(yīng)用于城市綠地建設(shè)、大氣監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、警告及其他領(lǐng)域。在城市綠地建設(shè)方面，利用監(jiān)測(cè)技術(shù)可以很好地獲得城市綠地覆蓋圖像，然后根據(jù)圖像的綠地覆蓋度和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并且可以將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，對(duì)政府支持和查詢環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)中的數(shù)據(jù)是有幫助的。許多專家學(xué)者研究了目前城市綠地建設(shè)的應(yīng)用，比如石學(xué)東定義了廣州城市綠地工作近10年城市景觀變化的動(dòng)態(tài)分析。在城市水監(jiān)測(cè)中，水也有一定的影響，它主要利用植物對(duì)空氣的響應(yīng)來判斷空氣污染的范圍，擴(kuò)散及其對(duì)周圍環(huán)境的影響，使環(huán)境監(jiān)測(cè)能夠更好地判斷和評(píng)估空氣污染程度。

熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)采用差分吸收光譜反演方法得到城市溫度變化圖像，可以幫助人們觀察肉眼無法看到的溫度變化，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語

目前，人們對(duì)環(huán)境氣候的保護(hù)需要監(jiān)控污染源，通過各種科學(xué)數(shù)據(jù)的支持可以調(diào)查和分析污染源，也就是環(huán)境監(jiān)測(cè)的結(jié)果。所以，差分吸收光譜技術(shù)在大氣監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用有著明顯的優(yōu)勢(shì)，且這種優(yōu)勢(shì)隨著科技的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，對(duì)環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)力度也會(huì)不斷提高，從而發(fā)現(xiàn)、預(yù)防和解決問題。

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X84

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.071

2095－6835（2019）20－0156－02

丁可（1979—），女，本科，工程師。

〔編輯：張思楠〕