王笑

摘 要：人類活動對環(huán)境的破壞致使環(huán)境的惡化，惡化的環(huán)境反作用于人類，給人類的生存和活動造成威脅，迫使人類進(jìn)行自省，并設(shè)計各式各樣的系統(tǒng)對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，用以改善環(huán)境。目前，利用差分吸收光譜方法反演對大氣環(huán)境污染源進(jìn)行監(jiān)測的應(yīng)用較多。本文簡要說明了差分吸收光譜法的基本原理和特點(diǎn)，闡述了差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：差分吸收光譜 反演方法 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：X5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0136-02

隨著人類對大氣環(huán)境的進(jìn)一步破壞，惡劣的極端天氣不斷反作用于人類本身，迫使人類漸漸醒悟，通過控制手段，對已經(jīng)破壞的環(huán)境進(jìn)行改善，以減少大氣污染對人類健康的威脅程度。為了能更好的控制大氣污染物的來源和濃度，必須通過環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對大氣污染物如甲醛、二氧化氮，二氧化硫等等有害氣體進(jìn)行濃度監(jiān)測，以采取必要的措施對其排放途徑進(jìn)行控制。在對大氣污染物監(jiān)測中，常用的方法是差分吸收光譜法。差分吸收光譜法能夠觀測在紫外和可見譜段有特征吸收的許多分子，如：NO2，NO，NH3，CIO，IO，O3，SO2，CS2，HCO和芳香烴有機(jī)物[1]，在反演污染物濃度的應(yīng)用上具有較多的優(yōu)點(diǎn)。因此，差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用非常重要。

1 差分吸收光譜法的基本原理和特點(diǎn)

1.1 差分吸收光譜反演方法的基本原理

差分吸收光譜技術(shù)主要利用氣體分子在紫外/可見光波段的特征吸收來進(jìn)行監(jiān)測[2]，基本原理是根據(jù)Lambert-Beer吸收定律，應(yīng)用濾波技術(shù)，將大氣光譜中隨波長變化較慢的部分光波去除，余下的是分子的窄帶吸收所造成的光衰減，將這部分光譜與經(jīng)過相同濾處理的實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)參考譜作最小二乘擬合，最后反演出所測氣體的濃度[3]，這個過程也是差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用的理論過程。

1.2 差分吸收光譜法的特點(diǎn)

1.2.1 應(yīng)用廣泛

差分吸收光譜法可以進(jìn)行多種大氣污染物的測量，并能夠?qū)崿F(xiàn)利用一臺儀器在野外進(jìn)行多種物質(zhì)的濃度進(jìn)行監(jiān)測，這對研究大氣化學(xué)變化和污染物之間相互轉(zhuǎn)化規(guī)律有關(guān)非常重要的意義[4]。

1.2.2 測量距離廣

應(yīng)用差分吸收光譜法進(jìn)行某種或某幾種氣體進(jìn)行監(jiān)測時，通過需要從幾百米至幾千米的距離內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均取值，因此，設(shè)備監(jiān)測距離遠(yuǎn)達(dá)至幾千米之外，這樣的遠(yuǎn)距離測量方法，是其它監(jiān)測方法無法比擬的。

1.2.3 監(jiān)測種類廣泛

差分吸收光譜反演方法可以監(jiān)測幾乎全部的已知大氣中的成分，并對于未知大氣物質(zhì)同樣可以進(jìn)行監(jiān)測，這種監(jiān)測種類的廣泛性特點(diǎn)，使得差分吸收光譜技術(shù)的應(yīng)用更具有廣泛性。

2 差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 差分吸收光譜反演方法實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)裝置組成

應(yīng)用差分吸收光譜技術(shù)對大氣中某種氣體進(jìn)行濃度反演時，需要用到下列裝置：氙燈光源，望遠(yuǎn)鏡，角反射鏡，光譜儀、掃描裝置以及計算機(jī)等。由于被監(jiān)測氣體可能是一種也可能是多種，可能是其它方法能監(jiān)測的，也可能只能由差分吸收光譜進(jìn)行反演的，因此，要根據(jù)實(shí)際監(jiān)測對象進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的調(diào)整。

2.2 對光譜的相應(yīng)處理

由于進(jìn)行差分吸收光譜法對氣體進(jìn)行監(jiān)測時，存在瑞利散射和米散射等干擾因素，而由瑞利散射和米散射等引起的光學(xué)厚度的變化隨波長緩慢，而由分子吸收特性引起的光學(xué)厚度的變化隨波長快速變化。為此，將散射引起的光譜變化稱為“寬帶”（低頻部分）光譜，將分吸收光譜變化稱為“窄帶”（高頻部分）光譜兩部分，其中“窄帶”是監(jiān)測反演的最終目的。因此，需要將“寬帶”部分進(jìn)行波除，此時，將“窄帶”進(jìn)行計算時，是利用總的吸收截面減去“寬帶”光譜的差值，因此，差分吸收光譜也就是“窄帶”光譜。在進(jìn)行濃度反演時，往往由于殘余光譜的因素存在，使得擬合反演結(jié)果存在測量誤差，從而使擬合后的殘余光譜表現(xiàn)出相對較大的吸收結(jié)構(gòu)[5]。此時，在進(jìn)行反演時，需要進(jìn)行變換擬合，即對光譜進(jìn)行相應(yīng)的處理后再擬合，這就需要在濾除寬帶光譜的基礎(chǔ)上，對光譜進(jìn)行平移、拉伸或壓縮，以解除或削弱殘余光譜的影響，從而反演出較真實(shí)的氣體監(jiān)測濃度。

2.3 差分吸收光譜反演實(shí)例分析

以甲醛反演為例，利用差分吸收光譜技術(shù)進(jìn)行甲醛監(jiān)測。根據(jù)甲醛的分子軌道形式，在選擇波段時，要將所有的分子躍遷包括在內(nèi)。此時，不難發(fā)現(xiàn)，氙燈光譜和大氣吸收譜都具有明顯的干擾峰存在，為了更精確的反演甲醛濃度，消除這兩個干擾發(fā)射峰是至關(guān)重要的。另外，在甲醛有效光譜波段內(nèi)，還有二氧化硫、二氧化氮和臭氧這三種氣體的分子吸收光譜，同樣需要進(jìn)行清除才能正確反演出甲醛的濃度。這就需要先將干擾因素清除，如果無法清除的，需要先將其濃度進(jìn)行反演，然后再將甲醛的濃度進(jìn)行反演，才能得到相對較精確的甲醛濃度。甲醛濃度反演出來后，需要對結(jié)果進(jìn)行誤差來源分析。甲醛濃度反演結(jié)果的誤差主要來源是多方面的，總的分為下面幾個方面：（1）差分吸收光譜技術(shù)的實(shí)驗(yàn)誤差主要是由于暗電流、偏置、天空散射光、雜散光、光譜儀的色散率不均勻等引起的。其中光譜儀的色散率不均勻是主要的來源，在反演甲醛時，去除SO2，NO2，O3和氙燈光譜結(jié)構(gòu)等的選擇波段和未選擇波段的光譜漂移和拉伸（壓縮）是不相同的，這會給甲醛反演的濃度帶來誤差；（2）所采用的干擾氣體的高分辨率的吸收截面的誤差。由于氣體分子在不同溫度、不同大氣壓下，吸收截面在不同的波段會發(fā)生變化，所產(chǎn)生的效應(yīng)是參考光譜的漂移和拉伸（壓縮），這也會在甲醛的反演中引起誤差；（3）非線性最小二乘反演過程的誤差，文獻(xiàn)[3]討論過差分吸收光譜技術(shù)算法的反演過程的系統(tǒng)誤差， 通常約為擬合統(tǒng)計誤差的3倍。上述三點(diǎn)是甲醛濃度反演的誤差的主要來源，差分吸收光譜技術(shù)的實(shí)驗(yàn)誤差約為8%，所采用截面的測量誤差為5%，非線性最小二乘算法的誤差小于10%，所以總的測量誤差估計在13.7%內(nèi)[6]。

3 結(jié)語

大氣環(huán)境的惡化加速了人們對環(huán)境保護(hù)的力度和進(jìn)程，為了更好的掌握環(huán)境污染中各氣體的濃度，需要對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，此時，差分吸收光譜法對大氣污染氣體的濃度進(jìn)行反演的應(yīng)用最為普便和廣泛。差分吸收光譜技術(shù)具有適用范圍廣，測量距離廣，幾乎包括所有的氣體成分等特性，應(yīng)用時具有較多的優(yōu)點(diǎn)。在應(yīng)用時，要掌握差分吸收光譜技術(shù)的原理，明確差分吸收光譜反演的過程，并利用濾波器對干擾因素進(jìn)行濾除，對于不能濾除的吸收分子光譜，需要根據(jù)實(shí)際情況對這些因素的反演濃度進(jìn)行測量與計算，再對測量對象進(jìn)行濃度反演擬合。然后對測算結(jié)果進(jìn)行分析，弄清誤差的來源，才能對以后的監(jiān)測打下基礎(chǔ)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為更為準(zhǔn)確的濃度反演提供參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]謝品華，付強(qiáng)，劉建國，等.差分吸收光譜方法反演大氣環(huán)境單環(huán)芳香烴有機(jī)物[J].光譜學(xué)與光譜分析，2006，26（9）.

[4]周斌，劉文清，齊峰，等.差分吸收光譜法測量大氣污染的濃度反演方法研究[J].物理學(xué)報，2001，50（9）.

[5]張學(xué)典，黃顯，徐可欣.差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2007，27（11）.

[6]李玉金，謝品華，秦敏，等.差分吸收光譜中甲醛的反演研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（1）.