差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用论文

差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用论文

　　鉴于人们生活水平和经济实力的不断上涨带来的出行车辆的增多，国内各种烟气排放量也居高不下，空气环境质量已经成为人们口常关注重点，相关行业对环境污染源的监测也引起业内专家极大重视，不同环境测量和监测手段也如同雨后春笋纷纷涌现，而其中应用较为普遍、发展极其快速的就是差分吸收光谱法，简称DOAS。该技术最早是20世纪70年代中期德国相关环境物理研究机构提出的，随着光学分析计算和信息技术的不断发展进步，再加上全球对环境保护的口益重视，差分吸收光谱反演法运用到环境监测领域也口益广泛，如空气中二氧化硫、甲醛、氯化物、二氧化氮等等诸多有害、有毒气体中的浓度测量。通过差分吸收光谱方法能够更好监测不同波段气体分子差分吸收的不同来对气体大气浓度进行反演，从而更好地测量获取多类气体的浓度信息，可以说其在反演污染物浓度应用上面优势显著，因此差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中有着十分重要的研究价值。

　　1差分吸收光谱法的原理

　　DOAS技术借用了Lambert Bee:的吸收定律原理，通过利用大气中污染气体对紫外线和可见光波段特征吸收光谱来监测鉴定气体分子，并根据一定原理和公式得出污染气体分子以及其浓度，因此其较为适合应用到波段有吸收特征的气体分子上，如甲苯、一氧化氮、芳香族有机苯、甲醛、二氧化硫、臭氧、二氧化氮等。通过DOAS测量监测，利用滤波去除其中波长变化缓慢的光波后就只乘」下分子窄带吸收导致的光衰减，然后根据测量信号光谱与同样处理的实验室得到的标准吸收截面参考光谱之间的拟合进行最小二乘法，通过这种反演算法就能够得出测量目标对象的浓度。这种通过不同气体分子波段之间差分吸收的不同来反演得出其浓度的技术方法就是DOAS测量反演方法在环境监测系统应用的理论基础。

　　2差分吸收光谱法的特点

　　虽然差分吸收光谱应用到环境监测系统中，其测量涉及到的仪器设备繁多，其测量步骤也略显繁琐，然而其应用特点优势也极为明显，主要有三:第一，差分吸收光谱技术能够在相同波段对多种气体分子浓度进行测量，也就是说其能够利用简单一台仪器野外进行多种大气污染物测量和浓度监测，其应用范围相当广泛，这对于人们掌握研究空气环境中不同污染物和气体之间的化学变化和物理转化规律有着重要的数据支撑辅助作用。第二，差分吸收光谱测量距离和范围十分广，应用该技术方法测量或监测某目标对象气体，可以在儿百米或者儿千米距离内进行监测，然后对该监测数据取平均值，这种远距离气体监测优势是其他监测方法所无法企及的。第三，迄今为比，运用差分吸收光谱反演方法儿乎完全可以测量所有已知大气气体成分，即使某些位置环境气体物质也能够进行监测测量，可以说其监测气体种类之广更是让其在环境监测应用中所向披靡，这同样也使得差分吸收光谱技术在诸多领域的应用具备广泛适用特性。

　　3差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用分析

　　3. 1实验应用测量装置

　　山于差分吸收光谱测量技术性和复杂性较强，其应用工具设备也较多，其主要测量设备仪器有光源、石英光纤、单色仪、光谱仪、望远镜、RSD(快速扫描装置)、角反射镜、接收/发射系统、PMT(光电倍增管)、计算机以及高速A/D转换卡等。其流程如下:首先打开氛灯，其灯光通过次镜反射主镜外，借助平行光将其射入远处角反射镜，其主镜就会汇集角发射镜所发散出来局部光;然后次镜再次反射到光纤入射端聚集，光线通过光纤射到单色仪的入射狭缝(宽度为o. 1毫米)，放置光谱于出射口焦平面处，扫描处理，其狭缝光照到PMT的接收端面就会将该光信号转化为电信号，再通过A/D转换传递到计算机处理。该狭缝扫描一次就能得到一次光谱，实际应用中为提高其信噪比，通常会根据实际需求来严格区分，如将四万条光谱平均后再次处理，其每次测量周期为300秒，这就需要工作人员严格把握时间和光源与角反射镜之间间距，测量时间太长或太短都会影响测量结果，一般测量结果通常会取儿次测量平均值。

　　3. 2光谱处理

　　通常在实际测量中，其测量光谱和光源所得的比值与已经存入计算机的分子吸收截面的重合性会存在一定差异，这种差异会影响后续气体分子浓度的反演推算，这主要是测量仪器设备和工作环境受到外界环境影响造成的，比如测量过程中，山于瑞利散射和米散射引发光学厚度变化随波长缓慢，再加上分子吸收引发的光学厚度变化随波长快速变化，如果不能很好滤除其散射引起的宽带低频光谱，其残余光谱就会影响其窄带高频吸收光谱的监测反演，使得其拟合反演结果有误差，也会使得拟合后残余光谱表现出较大的吸收结构特性，此时就需要将所得比值光谱进行平移、拉伸、压缩处理来改进消除这种不利因素，也就是反演时在宽带光谱基础上处理削减残余光谱影响，然后再进行拟合从而使得反演数据更为真实，当然这种平移或者拉伸处理都要严格按照操作技术规定来进行。

　　3. 3差分吸收光谱反演方法的应用实例

　　差分吸收光谱反演方法能够应用到很多可见谱段有吸收特征的气体分子中，下面不妨简单以甲醛为例来探讨分析甲醛分子差分吸收光谱反演方法测量应用。按照甲醛分子轨道来看，其波段选择就要考虑其分子跃迁，我们会发现氛灯所得光谱和大气吸收谱都有明显干扰峰，为获得更准确的甲醛反演值，就必须要消除器干扰发射峰。此外，鉴于甲醛有效光谱段也有臭氧、二氧化硫、二氧化氮等气体分子吸收光谱，在试验过程中也要采取相应措施来消除，或者反复反演甲醛浓度来进一步提升其浓度测量值的精准性。如果反演计算所得甲醛浓度有误差，也要对试验中可能出现误差来源进行分析，不论是其暗电流、偏置、散光、光谱仪色散率不均匀，还是甲醛反演过程中去除干扰因素平移拉伸不到位，或者其采取干扰气体高分辨率的吸收界面引起的误差，都要反复测量实验，不断对其浓度进行测量计算和浓度反演拟合，总结其误差经验，也能够为后期其他气体监测反演打下牢固基础，提供技术参考。通常在实际实验监测中，其误差来源虽然多种多样，但是大多都不外乎以上提及的儿种，此外还有非线性最小二乘法反演拟合过程中出现的误差，这种反演过程系统误差是拟合误差的三倍。

　　除了上述其在环境监测应用以外，差分吸收光谱反演方法还被广泛运用到城市化绿地建设、大气监测、水体监测、热岛效应监测中，在交通、建设施工行业以及自然灾害预警等诸多领域也有其应用。在城市绿地建设方面，利用该监测技术能够很好获取城市绿化覆盖率图像，然后根据图像绿化覆盖等级和实时监测动态数据来进行分类，并将相关数据导入数据库，有助于政府在环境监测保护时进行数据支持和查询。当前已有诸多专家学者对其在城市绿地建设中的应用进行了研究，如石学东在广州城市绿地工作中就对其城市十多年景观变化进行了动态分析，这种对区域绿化覆盖模拟和分析技术对我国城市绿化环境监测有着良好的应用价值和借鉴作用。在城市水体监测方面，水体也具备光谱效应，根据水体污染状况和污染源种类不同(表现在颜色、温度方面差异)，这些不同就会导致其波谱能量、波谱反映的影像色调、形态等就会有不同，从而帮助人们判断水体污染范围和程度。在城市大气监测方面则和水体监测不同，主要是利用植物对大气条件反射来判断大气污染范围、扩散以及扩散带来的周边影响，以便于环境监测人员更好地判断评价大气污染程度;而热岛效应监测则是利用差分吸收光谱反演方法来获得城市气温变化图像，这种温度变化图像就能够帮助人们观察肉眼看不到的温度变化，应用技术优势极为明显。从上面分析不难看出差分吸收光谱反演方法应用领域极为广阔，其应用潜在价值也有待挖掘，这就需要各行各业人员不断深入探究。

　　4结语

　　当前人们对环境气候的保护还离不开对环境污染源头和浓度的有效掌控，或者说大力改善全球自然环境和气候条件离不开各种有力的科学数据支撑，也就是环境监测数据支持，因此我们就要大力发展差分吸收光谱反演方法，不断探索其在环境监测系统中的应用优势，虽然目前国内对其应用研究还不够深入详细，但是相信随着人们口益重视和持续努力，差分吸收光谱方法及其反演法也一定能够不断发挥其最大应用优势和功能，从而给相关行业工作者带去更大的研究价值和参考作用。

　　参考文献

　　[1]张学典，黄显，徐可欣.差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究田.光谱学与光谱分析，200,(11).

　　[2]王笑.差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究[J].科技资讯，2013 , ( 9 ).

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