大氣顆粒物源識別在線分析儀的開發及應用

楊希+邱致剛+常銻+曾毛毛

摘要：文章通過偏振光散射快速獲取顆粒物的粒徑、形貌、光吸收等物理特征，對主要來源顆粒物的獨特物理信息進行源類識別，研制具有自主知識產權的多角度偏振光散射大氣顆粒物源識別在線分析儀，與現行的化學檢測方法形成互補，儀器整機經過應用開發和示范、工程化和可靠性驗證，最終實現產業化，產生巨大的科學社會經濟效益。

關鍵詞：多維物理特征檢測；在線源識別；高時間分辨率；低成本；大氣顆粒物 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH70 文章編號：1009-2374（2016）35-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.007

大氣顆粒物來源復雜并具有區域傳輸和快速演化特征，現有儀器主要集中在顆粒物粒徑、濃度和成分的單獨檢測，且時間分辨率低、價格昂貴，缺少能夠進行快速源識別和支撐顆粒物動態時空分布研究的在線監測儀器。本項目融合多角度測量與偏振測量兩項技術，研制多角度偏振光散射大氣顆粒物源識別在線分析儀，并推進大氣顆粒物物理光學表征體系的完善，是大氣污染物源解析新型技術的典型應用。

1 原理及方法介紹

當大氣顆粒物被采集進入光檢測室后，通過對氣路流量、流速和擴散行為的調控，使得入射光在測量區域僅與單個顆粒物產生相互作用，此時顆粒物粒徑、復折射率、等效散射體結構等物理特征影響偏振狀態的演化以及角度分布，對全偏振散射角度譜信息進行提取和簡并變換，建立偏振光學指標組合與顆粒物物理復合特征之間的對應關系，并借助多維網絡化數據的逆推算法，通過所測量的偏振指標反演并識別單顆粒物的類別信息，其中多個光散射脈沖序列的高靈敏提取能夠反饋大氣顆粒物復合體系中的多類源識別比例，單個光散射脈沖的同步檢偏確保大氣顆粒物偏振表征的有效性和實時性。整體技術路線大致如下圖1所示：

對比非偏振的測量，擴展為16個信息維度的偏振光散射測量后帶來的好處：

第一，偏振通道的散射信息量大，可以在不依賴多角度、多波長條件下獲取多維表征參數。

第二，偏振對顆粒物屬性變化更為敏感，尤其對小尺寸或者各向異性的微觀結構具有較高的測量敏感性。同時經歷不同散射次數的偏振光子保偏能力不同，偏振測量的優勢還在于通過剔除多次散射后擴散光子的影響，而達到增強對比度和弱信號探測效果。

第三，多維的退偏、橢偏、旋偏組合信息為多組分多類別復雜顆粒物源識別提供可能。

第四，起偏檢偏模塊的兼容性好，不影響原有光散射測量，易實現光學方法的復合測量。

2 項目主要解決的科學技術問題

項目技術路線如圖5所示：

2.1 研究大氣顆粒物偏振光散射模型和演化算法

發展單顆粒物散射物理模型，引入結構特征和光學屬性等因素來識別顆粒物，結構特征包括粒徑分布、復折射率、特殊形態、復合結構等，光學屬性包括光吸收散射過程的計算方式，旋光、雙折射、二向色性等，探討顆粒物不同來源所對應的示蹤成分和示蹤光學現象，研究散射偏振矩陣的變換和降維方式。對全偏振散射指標組進行篩選和比較，包括各偏振指標的誤差傳遞和權重因子分析，各偏振指標在不同物理過程和結構對象上的靈敏度差異；對不同分類識別算法在計算速度、網絡復雜度、降維能力、適用對象、訓練數據要求、類間距誤差等方面進行比較，確定反演算法關鍵節點的選取和設定，進一步探討理論數據庫和標樣測試數據庫對算法的訓練學習流程以及多組分多類別現場對照誤差的分析和校準方式等。

2.2 顆粒物源識別在線分析儀的研發

2.2.1 儀器關鍵部件開發，包括：（1）研制精確的流量控制模塊，高速噴嘴、鞘氣保護系統，達到大氣顆粒物以排列形式單個依次通過光散射區的目標；（2）研制穩定的溫濕度控制模塊、高吸收氣密散射室，減少各測量通道的噪聲基底值以及噪聲漂移；（3）開發超高靈敏光電傳感器、高信噪比放大電路，達到考核指標中粒徑分析下限的要求；（4）開發多偏振參量同步檢測器和同步數據采集卡，實現多通道多偏振態同步檢測和數據接收。

2.2.2 顆粒物光散射特性分析和儀器性能評價：搭建多組分顆粒物單粒徑穩定發生和篩選系統，實現多種類顆粒物的穩定發生和選擇，以此為基礎開展多組分、多粒徑的標準單顆粒光散射及偏振特性測試系統設計及實驗，其中單粒徑顆粒物類型涵蓋水溶性顆粒物（氯化鈉、硫酸銨、硝酸銨等）、PSL標準小球等，多粒徑顆粒物類型涵蓋揚塵（亞利桑那塵）、碳類（煤礦塵）等，在完成實驗室多參數測定及樣機標定的基礎上，同步開展儀器環境適用性檢測和評估研究，開展實際大氣環境下（合肥）的儀器示范運行測試和數據比對，形成儀器性能評價報告和改進建議。

2.3 污染源分類的偏振數據解釋和儀器應用比對

在研發樣機完成的基礎上，選擇已有顆粒物源譜的典型地區，涉及不同緯度、不同氣候特征（包括溫度、濕度、氣流等）和不同的工業結構的顆粒物排放區域，如京津冀、長三角、珠三角等地區，同時在外場安放研發樣機及顆粒物采樣器。每個季度采集20天，一共采集4個季度。其中研發樣機通過儀器自身采集到的顆粒物的單顆粒光學特征，在線分析出顆粒物的主要來源；顆粒物采樣器利用濾膜采集樣品、實驗室分析其中的有機碳（OC）/元素碳（EC）、水溶性陰陽離子（F-、Cl-、NO3-、SO42-；K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+）、無機元素（Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Pb、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Si等），采用化學質量平衡（CMB）源解析技術，模擬計算得到采樣點的顆粒物來源。將上述兩者來源做比對，驗證研發樣機的結果的可靠性，修正研發樣機的誤差，形成比對驗證報告。在研發樣機改善的基礎上，在上述外場做應用示范，實現偏振光散射的顆粒物快速動態源識別，獲得高時間分辨率的顆粒物來源信息，形成儀器應用示范分析報告，為當地大氣污染防治和管理提供數據支持。

2.4 工程化和可靠性測試

為保障本項目工程化與產業化的順利進行，切實形成皮實耐用、穩定可靠具有市場競爭力的產品，申報團隊引入專業的工程化可靠性研究團隊，在項目論證、儀器開發、應用開發、產業化等環節，針對項目儀器的研制與應用，開展可靠性研究，目標儀器的技術就緒度≥8級、環境適應性符合GB/T 11606規定的要求，安全性符合EN 60100或GB/T 17626規定的要求。

3 創新性

在線分析儀基于偏振光散射多角度測量裝置和算法對大氣顆粒物進行分析識別，屬于國內領先、國際首創，其創新性主要體現在原理、評價體系和功能三個方面：

3.1 國際首創的多角度偏振光散射顆粒物在線分析方式

依托清華大學團隊自主創新的兩項國際專利技術，并采用新型光探測器、低噪聲跨阻放大器及半導體制冷技術突破單顆粒微弱信號的增敏提取瓶頸，實現全偏振快速同步檢測；借助偏振同步分析所提取的多維偏振指標體系，對顆粒物形貌、光吸收等屬性進行復合表征，從而對顆粒物示蹤成分，如水、炭黑、硝酸鹽、硅酸鹽等，開展特異性識別；通過掃描差分電遷移粒徑選擇、環境條件可控、均勻混合箱設計及氣流控制等技術，實現多組分、多粒徑的標準單顆粒的穩定發生和篩選以及光散射及偏振特性參數的系統性實驗測試與分析，實現儀器的單顆粒定標測試，并獲取顆粒物光學識別數據庫標準偏振數據。

3.2 對現有大氣顆粒物多維信息評價體系的創新型補充

開發對微觀結構的偏振光散射過程分析能力具有國際領先水平的偏振光散射蒙特卡洛理論計算和仿真模擬平臺，研究多維偏振指標的優化組合和逆向反演顆粒物類別的算法，這種新的源類分析模型和算法是基于大氣顆粒物的物理特征數據譜庫，首次對偏振光學散射過程與典型源類對象之間的關系進行描述和解釋，它在燃煤、機動車尾氣、生物質燃燒、揚塵等典型排放源的實測評價，能夠成為大氣顆粒物形成機理、時空分布以及區域傳送等重點研究問題的輔助依據；基于實驗室典型源類測試，利用綜合觀測和解析手段，通過對顆粒物開展定量動態源解析，率先建成顆粒物光學信息組合特征與典型源類特征的關系數據庫，實現基于光學特征的環境大氣顆粒物快速動態來源識別。

3.3 功能創新

體現在三個方面：（1）該設備具備長周期不間斷連續觀測能力，核心部件和器材都可以長期穩定工作，不需要定期的耗材更換，偏振光學在線數據采集和高維數據處理后的源識別數據更新速度在分鐘量級；（2）該設備是一種單顆粒物分析裝備，對大氣真實體系下的顆粒物的原始狀態進行分析；（3）該設備完全自主知識產權，價格低廉。

4 項目團隊

項目團隊共六家單位，完整覆蓋技術支撐、應用示范、工程化以及產業化四大領域。首先，在中興儀器承擔的整機設計與開發任務的牽引下，由清華大學和中國科學院合肥物質科學研究院配合分別承擔顆粒物特異性表征和源識別偏振光學模型算法與系統優化，顆粒物光散射特性分析及儀器性能評價兩項基礎性任務，為中興儀器完成整機設計與開發任務奠定基礎；然后，由中國環境科學研究院和中國環境監測總站分別負責完成偏振光表征體系識別污染源的分類模型和數據解釋，顆粒物源識別的比對驗證和應用示范兩項儀器應用開發任務；最后，由電子五所配合中興儀器完成儀器工程化與產業化的任務。通過上述七項任務的統籌安排和布局，實現關鍵技術突破、儀器研發、應用開發、工程化與產業化的全鏈條打通，保障本項目目標的實現。

5 預期效益

本項目的順利實施，在科學上極大地豐富了大氣顆粒物源解析技術體系，光學數據庫與已有化學屬性庫形成互補驗證，為開展大氣污染源復合解析提供綜合數據支撐；在社會管理上，一方面減少大氣顆粒物源識別儀器對國外技術的依賴，為國家和環保產業培育人才，另一方面可實現數據及結果共享，共同繁榮藍色文明，創造社會公眾價值；在經濟上，儀器產品具有廣闊的市場前景，不僅產生填補國內外空白的多項技術專利，為企業創造新的就業機會和可觀利稅；推動了環境監測和治理領域的產業技術快速發展，同時帶動科學分析、機電一體化、自動控制、電子信息、基礎材料等相關產業發展，創造出顯著的高科技產業經濟效益。

項目初期已完成偏振光散射顆粒物識別的可行性論證和一套原理性樣機，在中國環科院和監測總站進行了成功試用，為本項目的實施奠定了良好的基礎。

作者簡介：楊希（1975-），男，湖南人，中興儀器（深圳）有限公司工程師，碩士，研究方向：在線自動監測儀器；邱致剛（1977-），男，黑龍江人，中興儀器（深圳）有限公司高級工程師，碩士，研究方向：在線自動監測儀器；常銻（1988-），女，山東人，供職于中興儀器（深圳）有限公司，碩士，研究方向：在線自動監測儀器；曾毛毛（1990-），男，江西人，供職于中興儀器（深圳）有限公司，碩士，研究方向：在線自動監測儀器。

（責任編輯：黃銀芳）