大氣污染物遙測技術(shù)綜述

摘要：本文綜述了國內(nèi)外遙測大氣污染的研究現(xiàn)狀，介紹了大氣污染物遙測的多種方法及特點。對各種方法存在的問題和大氣污染遙測技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了討論，指出在大氣污染物監(jiān)測領(lǐng)域中主被動相結(jié)合、各種數(shù)據(jù)處理方法相融合是今后大氣污染物遙測技術(shù)的重要研究方向。

關(guān)鍵詞：遙測 大氣污染物 激光雷達

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0158-01

隨著工業(yè)的發(fā)展，城市的環(huán)境污染問題越來越嚴重，大氣污染更是主要問題。大氣污染指人類活動和自然過程造成某些物質(zhì)進入大氣，達到一定濃度，對人體產(chǎn)生了危害。遙測技術(shù)具有監(jiān)測范圍廣、速度快、非接觸，且便于進行長期的動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢，是傳統(tǒng)方法不可比擬的。它不僅可以快速、實時、動態(tài)、省時省力地監(jiān)測大范圍的大氣污染，也可以應用于突發(fā)性大氣環(huán)境污染事件的監(jiān)測，在一定的技術(shù)改裝的條件下，還可以應用于化學戰(zhàn)劑的識別與定量。因此，大氣污染的遙測技術(shù)已經(jīng)成為大氣污染監(jiān)測的重要手段。

1 大氣污染遙測技術(shù)

1.1 差分光學吸收光譜技術(shù)

差分光學吸收光譜技術(shù)針對大氣中污染氣體存在特征吸收波長為基礎(chǔ)，通過特征光譜計算污染氣體濃度的。差分光學吸收光譜技術(shù)已應用于大氣污染的監(jiān)測中。George Mount等人[1]在WSU農(nóng)場利用DOAS技術(shù)在溫度為11～21°的條件下，對NH3、SF6進行了監(jiān)測并得到30～75μg/m3的檢出范圍；John G.Murphy等人[2]采用多光路可調(diào)諧激光結(jié)合線陣CCD、望遠系統(tǒng)實時監(jiān)測大氣污染，并成功應用于工業(yè)廠房污染監(jiān)測系統(tǒng)中；中國科學院安徽光學精密機械研究所劉清文，謝品華等人[4-7]一直從事該項技術(shù)的研究與應用，先后應用DOAS方法對SO2、NO2、NO、NH3、單環(huán)芳香烴有機物做出測量，實驗值與實際值有較好的吻合；廈門大學物理學系周海光，陳波等人[8，9]利用DOAS技術(shù)監(jiān)測大氣污染物NO2在廈門地區(qū)的分布及其濃度。

1.2 差分吸收激光雷達技術(shù)

激光雷達（Lidar）是主動光學遙測的。在大氣遙測中，差分激光雷達技術(shù)（DIAL）是通過兩波長不同的激光作光源，沿著同一途徑交替?zhèn)鬏敚槐O(jiān)測的氣體對一束光強烈吸收，而另一束幾乎不吸收；因光受顆粒散射的截面大小主要由光的波長決定，氣體分子和氣溶膠對這兩束光具有基本相同的散射能力，因此，獲得這兩束反射光的強度差即可確定氣體的平均濃度。當激光照射在待測云團時，按其散射種類不同，又有其不同的探測機理與范圍，米氏散射常用于氣溶膠的檢測；瑞利散射可以應用于空氣分子的檢測；熒光散射可用于氣體密度檢測；拉曼散射的有效截面為10-29～10-30cm2/s，雖然拉曼散射有效截面最小，較難探測，但其也有其它幾種散射不具備的一些特殊特性，其中，水蒸氣對拉曼光雷達幾乎沒有影響是其最大的優(yōu)點。Vladimir M.Klimkin等人采用了拉曼激光雷達技術(shù)監(jiān)測大氣污染；Parviz Parvin等人[16]采用紫外激光雷達遙測了工業(yè)廠區(qū)羽狀污染物，并建立了下風向污染物分布趨勢的模型。

1.3 傅立葉變換紅外光譜技術(shù)

在大氣污染遙測中采用的傅立葉變換紅外光譜技術(shù)都是開路傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，由于FTIR技術(shù)在定性及定量分析上有著非常卓越的能力，適用于測量污染氣體的成分及濃度。傅立葉變換紅外光譜技術(shù)也常常分為時間掃描調(diào)制與靜態(tài)調(diào)制兩類。時間掃描調(diào)制的干涉具主要包括依靠精確機械移動掃描型的。傅立葉變換紅外光譜遙測技術(shù)在大氣污染監(jiān)測中被廣泛應用。拉曼光譜法是用激光激發(fā)產(chǎn)生的拉曼效應來檢測處于紅外區(qū)的分子的振動和轉(zhuǎn)動能量，它是一種間接的檢測方法。F. Keilman等人應用靜態(tài)FTIR技術(shù)監(jiān)測大氣污染，其用相關(guān)光路技術(shù)提高精確度，并通過相關(guān)實驗證明。

1.4 微波光譜檢測法

微波光譜檢測法是采用頻率在300GHz～300MHz的電磁波（即波長在100cm至1mm范圍內(nèi)）做輻射源，對得到的光譜圖進行分析，監(jiān)測大氣污染的種類及濃度。采用微波探測的研究中，還有許多微波為基礎(chǔ)演化得到探測方法。

國外應用微波技術(shù)結(jié)合光譜分析（FT-MW）遙測化學戰(zhàn)劑、生物戰(zhàn)劑的實驗較多，在大氣污染監(jiān)測中只見到用于污染云團邊界輪廓探測的報道。Robert R.Bousquet等人采用FT-MW技術(shù)分析了常見的幾種化學戰(zhàn)劑，并給出其最低檢出限；2002年，J. Kiel等人采用微波技術(shù)監(jiān)測生物戰(zhàn)劑。大氣污染監(jiān)測的實驗國內(nèi)未見報道。

2 存在的問題及其展望

DOAS技術(shù)可以獲得多種氣體污染物的平均濃度，但它只能對具有窄吸收光譜特征的分子進行濃度測量，并且掃描過程時間長；掃描光譜范圍小，限制了監(jiān)測氣體的種類。DIAL技術(shù)具有空間分辨率高、測量光程長，可大范圍監(jiān)測等特點。但系統(tǒng)復雜，需要脈沖激光，成本高。FTIR技術(shù)對環(huán)境模型的依賴性高、需要建立所有待測氣體的光譜數(shù)據(jù)庫，并且提供完善的算法；并且采集到的光譜數(shù)據(jù)不具備三維延展性，這個缺點取決于其探測原理，無法與DIAL相比。微波技術(shù)因波段特性決定其主要應用于化學、生物戰(zhàn)劑監(jiān)測。但由于可探測大范圍，長距離的大氣邊界，常用于描述大氣污染范圍，確定大氣污染邊界，對特定污染物定性定量比較少見。

目前，大氣污染遙測技術(shù)正從少數(shù)幾種污染物的靜態(tài)監(jiān)測，向多種污染物的實時、動態(tài)監(jiān)測過渡。從對少量污染物特征光譜的描述反演大氣污染，向超光譜多波段全面定量分析各種大氣污染物過渡。為了可以高速、實時地獲得寬波段的光譜信息，多種方法聯(lián)用技術(shù)是多組分大氣污染物定量的必然趨勢。

參考文獻

[1] George Mount， Brian Rumburg， Brian Lamb，et al.DOAS Measurement of Atmospheric Ammonia Emissions at a Dairy[J].NSTL，2001，10：1-15.

[2] John G.Murphy，Stephen O Driscoll， Niall J.Smith.Multi-Path DOAS for Tomographic Measurements [J].SPIE，2003，4876：875-885.

[3] 賀應紅.Mle散射激光雷達實驗系統(tǒng)設(shè)計與大氣消光系數(shù)反演方法研究[D].四川：四川大學，2004.

[4] 謝品華，劉文清，鄭朝暉，等.差分光學吸收光譜（DOAS）技術(shù)在煙氣SO2監(jiān)測中的應用[J].光子學報，2000，29（3）：271-276.