差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的應用

摘要：目前，環境保護專家和科學家們紛紛研究設計不同系統來監測環境，以便輔助人類改善治理環境。差分吸收光譜反演方法就被廣泛運用到大氣煙氣等污染物排樣的空氣環境監測中，并取得了很好的效果，對我國環境保護也有間接促進作用。文章闡述了差分吸收光譜法的原理、特點以及其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；環境保護；污染物排放；空氣環境質量 文獻標識碼：A

中圖分類號：X131 文章編號：1009-2374（2015）12-0088-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.044

鑒于人們生活水平和經濟實力的不斷上漲帶來的出行車輛的增多，國內各種煙氣排放量也居高不下，空氣環境質量已經成為人們日常關注重點，相關行業對環境污染源的監測也引起業內專家極大重視，不同環境測量和監測手段也如同雨后春筍紛紛涌現，而其中應用較為普遍、發展極其快速的就是差分吸收光譜法，簡稱DOAS。該技術最早是20世紀70年代中期德國相關環境物理研究機構提出的，隨著光學分析計算和信息技術的不斷發展進步，再加上全球對環境保護的日益重視，差分吸收光譜反演法運用到環境監測領域也日益廣泛，如空氣中二氧化硫、甲醛、氯化物、二氧化氮等等諸多有害、有毒氣體中的濃度測量。通過差分吸收光譜方法能夠更好監測不同波段氣體分子差分吸收的不同來對氣體大氣濃度進行反演，從而更好地測量獲取多類氣體的濃度信息，可以說其在反演污染物濃度應用上面優勢顯著，因此差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中有著十分重要的研究價值。

1 差分吸收光譜法的原理

DOAS技術借用了Lambert Beer的吸收定律原理，通過利用大氣中污染氣體對紫外線和可見光波段特征吸收光譜來監測鑒定氣體分子，并根據一定原理和公式得出污染氣體分子以及其濃度，因此其較為適合應用到波段有吸收特征的氣體分子上，如甲苯、一氧化氮、芳香族有機苯、甲醛、二氧化硫、臭氧、二氧化氮等。通過DOAS測量監測，利用濾波去除其中波長變化緩慢的光波后就只剩下分子窄帶吸收導致的光衰減，然后根據測量信號光譜與同樣處理的實驗室得到的標準吸收截面參考光譜之間的擬合進行最小二乘法，通過這種反演算法就能夠得出測量目標對象的濃度。這種通過不同氣體分子波段之間差分吸收的不同來反演得出其濃度的技術方法就是DOAS測量反演方法在環境監測系統應用的理論基礎。

2 差分吸收光譜法的特點

雖然差分吸收光譜應用到環境監測系統中，其測量涉及到的儀器設備繁多，其測量步驟也略顯繁瑣，然而其應用特點優勢也極為明顯，主要有三：第一，差分吸收光譜技術能夠在相同波段對多種氣體分子濃度進行測量，也就是說其能夠利用簡單一臺儀器野外進行多種大氣污染物測量和濃度監測，其應用范圍相當廣泛，這對于人們掌握研究空氣環境中不同污染物和氣體之間的化學變化和物理轉化規律有著重要的數據支撐輔助作用。第二，差分吸收光譜測量距離和范圍十分廣，應用該技術方法測量或監測某目標對象氣體，可以在幾百米或者幾千米距離內進行監測，然后對該監測數據取平均值，這種遠距離氣體監測優勢是其他監測方法所無法企及的。第三，迄今為止，運用差分吸收光譜反演方法幾乎完全可以測量所有已知大氣氣體成分，即使某些位置環境氣體物質也能夠進行監測測量，可以說其監測氣體種類之廣更是讓其在環境監測應用中所向披靡，這同樣也使得差分吸收光譜技術在諸多領域的應用具備廣泛適用特性。

3 差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的應用分析

3.1 實驗應用測量裝置

由于差分吸收光譜測量技術性和復雜性較強，其應用工具設備也較多，其主要測量設備儀器有光源、石英光纖、單色儀、光譜儀、望遠鏡、RSD（快速掃描裝置）、角反射鏡、接收/發射系統、PMT（光電倍增管）、計算機以及高速A/D轉換卡等。其流程如下：首先打開氙燈，其燈光通過次鏡反射主鏡外，借助平行光將其射入遠處角反射鏡，其主鏡就會匯集角發射鏡所發散出來局部光；然后次鏡再次反射到光纖入射端聚集，光線通過光纖射到單色儀的入射狹縫（寬度為0.1毫米），放置光譜于出射口焦平面處，掃描處理，其狹縫光照到PMT的接收端面就會將該光信號轉化為電信號，再通過A/D轉換傳遞到計算機處理。該狹縫掃描一次就能得到一次光譜，實際應用中為提高其信噪比，通常會根據實際需求來嚴格區分，如將四萬條光譜平均后再次處理，其每次測量周期為300秒，這就需要工作人員嚴格把握時間和光源與角反射鏡之間間距，測量時間太長或太短都會影響測量結果，一般測量結果通常會取幾次測量平均值。

3.2 光譜處理

通常在實際測量中，其測量光譜和光源所得的比值與已經存入計算機的分子吸收截面的重合性會存在一定差異，這種差異會影響后續氣體分子濃度的反演推算，這主要是測量儀器設備和工作環境受到外界環境影響造成的，比如測量過程中，由于瑞利散射和米散射引發光學厚度變化隨波長緩慢，再加上分子吸收引發的光學厚度變化隨波長快速變化，如果不能很好濾除其散射引起的寬帶低頻光譜，其殘余光譜就會影響其窄帶高頻吸收光譜的監測反演，使得其擬合反演結果有誤差，也會使得擬合后殘余光譜表現出較大的吸收結構特性，此時就需要將所得比值光譜進行平移、拉伸、壓縮處理來改進消除這種不利因素，也就是反演時在寬帶光譜基礎上處理削減殘余光譜影響，然后再進行擬合從而使得反演數據更為真實，當然這種平移或者拉伸處理都要嚴格按照操作技術規定來進行。

3.3 差分吸收光譜反演方法的應用實例

差分吸收光譜反演方法能夠應用到很多可見譜段有吸收特征的氣體分子中，下面不妨簡單以甲醛為例來探討分析甲醛分子差分吸收光譜反演方法測量應用。按照甲醛分子軌道來看，其波段選擇就要考慮其分子躍遷，我們會發現氙燈所得光譜和大氣吸收譜都有明顯干擾峰，為獲得更準確的甲醛反演值，就必須要消除器干擾發射峰。此外，鑒于甲醛有效光譜段也有臭氧、二氧化硫、二氧化氮等氣體分子吸收光譜，在試驗過程中也要采取相應措施來消除，或者反復反演甲醛濃度來進一步提升其濃度測量值的精準性。如果反演計算所得甲醛濃度有誤差，也要對試驗中可能出現誤差來源進行分析，不論是其暗電流、偏置、散光、光譜儀色散率不均勻，還是甲醛反演過程中去除干擾因素平移拉伸不到位，或者其采取干擾氣體高分辨率的吸收界面引起的誤差，都要反復測量實驗，不斷對其濃度進行測量計算和濃度反演擬合，總結其誤差經驗，也能夠為后期其他氣體監測反演打下牢固基礎，提供技術參考。通常在實際實驗監測中，其誤差來源雖然多種多樣，但是大多都不外乎以上提及的幾種，此外還有非線性最小二乘法反演擬合過程中出現的誤差，這種反演過程系統誤差是擬合誤差的三倍。

除了上述其在環境監測應用以外，差分吸收光譜反演方法還被廣泛運用到城市化綠地建設、大氣監測、水體監測、熱島效應監測中，在交通、建設施工行業以及自然災害預警等諸多領域也有其應用。在城市綠地建設方面，利用該監測技術能夠很好獲取城市綠化覆蓋率圖像，然后根據圖像綠化覆蓋等級和實時監測動態數據來進行分類，并將相關數據導入數據庫，有助于政府在環境監測保護時進行數據支持和查詢。當前已有諸多專家學者對其在城市綠地建設中的應用進行了研究，如石學東在廣州城市綠地工作中就對其城市十多年景觀變化進行了動態分析，這種對區域綠化覆蓋模擬和分析技術對我國城市綠化環境監測有著良好的應用價值和借鑒作用。在城市水體監測方面，水體也具備光譜效應，根據水體污染狀況和污染源種類不同（表現在顏色、溫度方面差異），這些不同就會導致其波譜能量、波譜反映的影像色調、形態等就會有不同，從而幫助人們判斷水體污染范圍和程度。在城市大氣監測方面則和水體監測不同，主要是利用植物對大氣條件反射來判斷大氣污染范圍、擴散以及擴散帶來的周邊影響，以便于環境監測人員更好地判斷評價大氣污染程度；而熱島效應監測則是利用差分吸收光譜反演方法來獲得城市氣溫變化圖像，這種溫度變化圖像就能夠幫助人們觀察肉眼看不到的溫度變化，應用技術優勢極為明顯。從上面分析不難看出差分吸收光譜反演方法應用領域極為廣闊，其應用潛在價值也有待挖掘，這就需要各行各業人員不斷深入探究。

4 結語

當前人們對環境氣候的保護還離不開對環境污染源頭和濃度的有效掌控，或者說大力改善全球自然環境和氣候條件離不開各種有力的科學數據支撐，也就是環境監測數據支持，因此我們就要大力發展差分吸收光譜反演方法，不斷探索其在環境監測系統中的應用優勢，雖然目前國內對其應用研究還不夠深入詳細，但是相信隨著人們日益重視和持續努力，差分吸收光譜方法及其反演法也一定能夠不斷發揮其最大應用優勢和功能，從而給相關行業工作者帶去更大的研究價值和參考作用。

參考文獻

[1] 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，（11）.

[2] 王笑.差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的研究[J].科技資訊，2013，（9）.

作者簡介：王洋（1984-），浙江嘉善人，嘉善縣環境監測站工程師，研究方向：環境監測。

（責任編輯：黃銀芳）