差分吸收光谱技术及在大气监测领域中的应用

丁可

差分吸收光谱技术及在大气监测领域中的应用

丁可

（临沂市环境监测站，山东 临沂 276000）

目前，很多环保专家一直在致力于保护环境，致力于研究不同的系统来检测生态环境。差分吸收光谱技术就被广泛地应用到大气检测中，用以检测空气质量，取得了一定的成果，这种方法对于保护生态环境有间接作用。主要介绍了差分吸收光谱技术对环境保护的作用，尤其是在大气监测领域的作用。

差分吸收光谱技术；大气监测；环境污染；气体浓度

1 前言

随着经济发展，人们的生活水平不断提高，使用汽车出行的次数也越来越多，各种生活烟雾的排放量也越来越高。空气环境质量已成为人们日常关注的焦点，相关行业环境污染源的监测也引起了人们对未来的关注。由于行业专家的高度重视，不同的环境测量和监测方法也随着时代的发展而出现，而且应用广泛，差分吸收光谱技术（以下简称为DOAS）也快速发展。这个技术1970年左右首次出现在德国环境物理研究所。随着光学分析计算和信息技术的不断发展和进步，再加上环境保护的重要性日益全球化，不同的吸收光谱反转方法在二氧化硫等环境监测领域得到越来越广泛的应用。差分吸收光谱可以用于通过不同的带差分吸收光谱更好地监测大气中气体浓度的反转，并获得各种类型的气体浓度测量信息，可应用于污染源的反演，在Ts浓度测试中具有明显的优势，所以差分吸收光谱方法价值较大。

2 运行原理

DOAS技术借鉴了Lambert-Beerundefineds吸收定律的原理，利用空气污染气体的紫外和可见光吸收光谱特征来监测气体分子的识别，并根据某些原理和公式分析污染的气体分子。Les及其浓度适用于对苯、甲醛、甲苯、一氧化氮、芳香族有机二氧化硫、臭氧。通过到达方向（DOAS）测量二氧化氮和其他气体分子的吸收特性，并通过过滤器除去波长，慢波的波长改变，然后光衰减仅在窄带吸收中进行；通过测量信号光谱与实验室获得的相同标准之间的参考光谱吸收截面的最小二乘法拟合测量的信号光谱，从而可通过投影算法测量目标物体的浓度。这种鉴别气体分子浓度是测量反演的理论基础，在环境监测中亦然。

3 主要特点

虽然差分吸收光谱法目前已经被应用在了环境监测中，但是其涉及的领域很多，仪器设备和测量步骤复杂。此外，其应用特点主要有3个方面：①差分吸收的应用光谱学在环境监测中的应用通过吸收光谱法测量气体分子浓度的变化是在同一波段测量的，这意味着它可以使用简单的仪器来测量和监测各种空气污染物的浓度。它的应用范围很广，对不同浓度气体分子的研究也不尽相同。Lutants在掌握空气环境中的气体、化学和物理之间的转换规律方面起着重要的数据支持和辅助作用。②差分吸收光谱的距离和范围非常宽。可以在几千米或数百千米的距离内监测使用该技术来测量或监测目标的气体，然后可以对监测数据进行平均。这种长距离气体监测的优点是其他监测方法无法比拟的。③到目前为止，几乎完全可以通过差分吸收光谱反转来测量所有已知的大气气体成分。即使对某一位置的环境气体材料进行监测和测量，气体材料的监测也是为了使其在大气中立于不败之地。环境监测的应用也使得差分光谱技术在许多领域的应用具有广泛的特点。

4 应用分析

4.1 装置

由于差分吸收光谱测量技术具有的复杂性和强度，有许多应用工具或设备，主要测量设备是光源仪器、石英光纤、单色器、光谱仪、双筒望远镜、快速扫描装置、角度反射器、接收/发射系统、光电倍增管、计算机、高速A≤D转换卡等。工作过程为：打开氙灯，氙灯的光线从主镜反射通过次镜，在平行光的帮助下，它被射入远角度反射器，主镜从角度反射器收集局部光；镜子在入射光纤上反射，然后聚集在一起，通过光纤光被引导到单色器的入射狭缝中（宽度为0.1 mm），光谱被放置在焦平面上，扫描出口，狭缝被照射到PMT的接收端；光信号被转换成电信号，然后转换成计算机进行处理；一旦狭缝扫描得到光谱，为了提高实际应用中的信噪比（SNR），通常需要根据实际需要严格区分，比如加工后的40 000平均光谱，每个测量周期是300 s，这需要res人员严格掌握光与角度反射器之间的时间和距离，时间过长或过短都会影响测量结果，一般来说会进行多次测量。

4.2 处理光谱的方法

通常在实际测量中进行，其中光谱与光源的比例和重叠的分子吸收截面被放置在计算机中，这将影响后续气体分子浓度的反演计算。在此基础上，提出了一种新的计算方法 ——Caly，是指测量仪器和工作环境受外界环境影响，比如在测量过程中，瑞利散射和米氏散射引起的光学厚度随波长变化缓慢，结合分子吸收的光学厚度变化与波长，如果粗糙度随波长变化很快、宽带光谱引起的散射不能被滤除，残留光谱将影响窄带光谱监测反演，这将使反演结果的拟合误差变大，拟合误差将更大。G残余光谱具有较大的吸收结构特征，此时，有必要通过平移、拉伸、压缩等来提高收益率谱，从而消除不利因素。在宽带频谱反转的基础上，执行残余频谱处理。切割效果良好，然后进行拟合以使反演数据更真实。当然，这种翻译或绘图处理应严格按照技术规则进行。

4.3 实际应用

差分吸收光谱的反演方法有很多应用。以甲醛为例，可以对甲醛分子差分吸收光谱反演方法的测量应用进行讨论和分析。甲醛有独特的分子轨道，在选择其带时应考虑分子转变，氙灯光谱和大气吸收光谱存在明显的干扰峰。为了获得更准确的甲醛转化值，必须消除干扰发射峰。此外，鉴于甲醛的有效光谱还具有臭氧、二氧化硫、二氧化氮等气体的分子吸收光谱，应采取相应的措施消除或反复倒计数甲醛浓度，以进一步提高甲醛的有效光谱。应采取甲醛浓度测量值的准确度。如果甲醛浓度的反演计算中存在误差，则还应分析测试中可能的误差源，以及光谱仪的暗电流、偏移、色散和色散率是否均匀，或者过程中是否存在干扰因素。横向张力不能达到规定位置时，应重复消除高分辨率气体吸收界面误差引起的干扰，测量和计算浓度，进行浓度反演，应总结误差经验并提出相应的改进措施。它为未来的其他气体监测和反演奠定了坚实的基础，并提供了技术参考。在实际实验监控中有许多错误源，但大多数错误源是上述错误源。另外，非线性最小二乘法的反演过程存在误差，这是拟合误差的3倍。除了上述在环境监测中的应用外，差分吸收光谱反演方法还广泛应用于城市绿地建设、大气监测、水质监测、热岛效应监测、交通运输、自然灾害监测、警告及其他领域。在城市绿地建设方面，利用监测技术可以很好地获得城市绿地覆盖图像，然后根据图像的绿地覆盖度和实时监测的动态数据进行分类，并且可以将相关数据导入数据库，对政府支持和查询环境监测和保护中的数据是有帮助的。许多专家学者研究了目前城市绿地建设的应用，比如石学东定义了广州城市绿地工作近10年城市景观变化的动态分析。在城市水监测中，水也有一定的影响，它主要利用植物对空气的响应来判断空气污染的范围，扩散及其对周围环境的影响，使环境监测能够更好地判断和评估空气污染程度。

热岛效应监测采用差分吸收光谱反演方法得到城市温度变化图像，可以帮助人们观察肉眼无法看到的温度变化，具有明显的技术优势。

5 结语

目前，人们对环境气候的保护需要监控污染源，通过各种科学数据的支持可以调查和分析污染源，也就是环境监测的结果。所以，差分吸收光谱技术在大气监测中的应用有着明显的优势，且这种优势随着科技的发展，人们的环保意识越来越强，对环境污染的监测力度也会不断提高，从而发现、预防和解决问题。

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X84

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.071

2095－6835（2019）20－0156－02

丁可（1979—），女，本科，工程师。

〔编辑：张思楠〕