差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的研究

王笑

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

關鍵詞：差分吸收光譜 反演方法 環境監測系統

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

隨著人類對大氣環境的進一步破壞，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，對已經破壞的環境進行改善，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，必須通過環境監測系統對大氣污染物如甲醛、二氧化氮，二氧化硫等等有害氣體進行濃度監測，以采取必要的措施對其排放途徑進行控制。在對大氣污染物監測中，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和芳香烴有機物[1]，在反演污染物濃度的應用上具有較多的優點。因此，差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的研究與應用非常重要。

1 差分吸收光譜法的基本原理和特點

1.1 差分吸收光譜反演方法的基本原理

差分吸收光譜技術主要利用氣體分子在紫外/可見光波段的特征吸收來進行監測[2]，基本原理是根據Lambert-Beer吸收定律，應用濾波技術，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，將這部分光譜與經過相同濾處理的實驗室的標準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境監測系統中應用的理論過程。

1.2 差分吸收光譜法的特點

1.2.1 應用廣泛

差分吸收光譜法可以進行多種大氣污染物的測量，并能夠實現利用一臺儀器在野外進行多種物質的濃度進行監測，這對研究大氣化學變化和污染物之間相互轉化規律有關非常重要的意義[4]。

1.2.2 測量距離廣

應用差分吸收光譜法進行某種或某幾種氣體進行監測時，通過需要從幾百米至幾千米的距離內監測數據進行平均取值，因此，設備監測距離遠達至幾千米之外，這樣的遠距離測量方法，是其它監測方法無法比擬的。

1.2.3 監測種類廣泛

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

2 差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的應用

2.1 差分吸收光譜反演方法實際應用的實驗裝置組成

應用差分吸收光譜技術對大氣中某種氣體進行濃度反演時，需要用到下列裝置：氙燈光源，望遠鏡，角反射鏡，光譜儀、掃描裝置以及計算機等。由于被監測氣體可能是一種也可能是多種，可能是其它方法能監測的，也可能只能由差分吸收光譜進行反演的，因此，要根據實際監測對象進行相應設備的調整。

2.2 對光譜的相應處理

由于進行差分吸收光譜法對氣體進行監測時，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厚度的變化隨波長緩慢，而由分子吸收特性引起的光學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”是監測反演的最終目的。因此，需要將“寬帶”部分進行波除，此時，將“窄帶”進行計算時，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，使得擬合反演結果存在測量誤差，從而使擬合后的殘余光譜表現出相對較大的吸收結構[5]。此時，在進行反演時，需要進行變換擬合，即對光譜進行相應的處理后再擬合，這就需要在濾除寬帶光譜的基礎上，對光譜進行平移、拉伸或壓縮，以解除或削弱殘余光譜的影響，從而反演出較真實的氣體監測濃度。

2.3 差分吸收光譜反演實例分析

以甲醛反演為例，利用差分吸收光譜技術進行甲醛監測。根據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。此時，不難發現，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，消除這兩個干擾發射峰是至關重要的。另外，在甲醛有效光譜波段內，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，需要先將其濃度進行反演，然后再將甲醛的濃度進行反演，才能得到相對較精確的甲醛濃度。甲醛濃度反演出來后，需要對結果進行誤差來源分析。甲醛濃度反演結果的誤差主要來源是多方面的，總的分為下面幾個方面：（1）差分吸收光譜技術的實驗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和氙燈光譜結構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生變化，所產生的效應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[3]討論過差分吸收光譜技術算法的反演過程的系統誤差， 通常約為擬合統計誤差的3倍。上述三點是甲醛濃度反演的誤差的主要來源，差分吸收光譜技術的實驗誤差約為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[6]。

3 結語

大氣環境的惡化加速了人們對環境保護的力度和進程，為了更好的掌握環境污染中各氣體的濃度，需要對大氣環境進行監測，此時，差分吸收光譜法對大氣污染氣體的濃度進行反演的應用最為普便和廣泛。差分吸收光譜技術具有適用范圍廣，測量距離廣，幾乎包括所有的氣體成分等特性，應用時具有較多的優點。在應用時，要掌握差分吸收光譜技術的原理，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行濾除，對于不能濾除的吸收分子光譜，需要根據實際情況對這些因素的反演濃度進行測量與計算，再對測量對象進行濃度反演擬合。然后對測算結果進行分析，弄清誤差的來源，才能對以后的監測打下基礎，總結經驗，為更為準確的濃度反演提供參考。

參考文獻

[1]司福祺，謝品華，劉建國，等.基于DOAS技術的氣溶膠粒譜分布反演方法研究[J].光譜光與光譜分析，2008，28（10）.

[2]彭夫敏，謝品華，邵士勇，等.差分吸收光譜法對大氣中揮發性有機物光化學作用指示劑的監測與反演[J].光譜學與光譜分析，2008，28（3）.

[3]謝品華，付強，劉建國，等.差分吸收光譜方法反演大氣環境單環芳香烴有機物[J].光譜學與光譜分析，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].物理學報，2001，50（9）.

[5]張學典，黃顯，徐可欣.差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的研究[J].光譜學與光譜分析，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].光譜學與光譜分析，2009，29（1）.