差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究

王笑

摘 要：人类活动对环境的破坏致使环境的恶化，恶化的环境反作用于人类，给人类的生存和活动造成威胁，迫使人类进行自省，并设计各式各样的系统对环境进行监测，用以改善环境。目前，利用差分吸收光谱方法反演对大气环境污染源进行监测的应用较多。本文简要说明了差分吸收光谱法的基本原理和特点，阐述了差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用。

关键词：差分吸收光谱 反演方法 环境监测系统

中图分类号：X5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（c）-0136-02

随着人类对大气环境的进一步破坏，恶劣的极端天气不断反作用于人类本身，迫使人类渐渐醒悟，通过控制手段，对已经破坏的环境进行改善，以减少大气污染对人类健康的威胁程度。为了能更好的控制大气污染物的来源和浓度，必须通过环境监测系统对大气污染物如甲醛、二氧化氮，二氧化硫等等有害气体进行浓度监测，以采取必要的措施对其排放途径进行控制。在对大气污染物监测中，常用的方法是差分吸收光谱法。差分吸收光谱法能够观测在紫外和可见谱段有特征吸收的许多分子，如：NO2，NO，NH3，CIO，IO，O3，SO2，CS2，HCO和芳香烃有机物[1]，在反演污染物浓度的应用上具有较多的优点。因此，差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究与应用非常重要。

1 差分吸收光谱法的基本原理和特点

1.1 差分吸收光谱反演方法的基本原理

差分吸收光谱技术主要利用气体分子在紫外/可见光波段的特征吸收来进行监测[2]，基本原理是根据Lambert-Beer吸收定律，应用滤波技术，将大气光谱中随波长变化较慢的部分光波去除，余下的是分子的窄带吸收所造成的光衰减，将这部分光谱与经过相同滤处理的实验室的标准参考谱作最小二乘拟合，最后反演出所测气体的浓度[3]，这个过程也是差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中应用的理论过程。

1.2 差分吸收光谱法的特点

1.2.1 应用广泛

差分吸收光谱法可以进行多种大气污染物的测量，并能够实现利用一台仪器在野外进行多种物质的浓度进行监测，这对研究大气化学变化和污染物之间相互转化规律有关非常重要的意义[4]。

1.2.2 测量距离广

应用差分吸收光谱法进行某种或某几种气体进行监测时，通过需要从几百米至几千米的距离内监测数据进行平均取值，因此，设备监测距离远达至几千米之外，这样的远距离测量方法，是其它监测方法无法比拟的。

1.2.3 监测种类广泛

差分吸收光谱反演方法可以监测几乎全部的已知大气中的成分，并对于未知大气物质同样可以进行监测，这种监测种类的广泛性特点，使得差分吸收光谱技术的应用更具有广泛性。

2 差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用

2.1 差分吸收光谱反演方法实际应用的实验装置组成

应用差分吸收光谱技术对大气中某种气体进行浓度反演时，需要用到下列装置：氙灯光源，望远镜，角反射镜，光谱仪、扫描装置以及计算机等。由于被监测气体可能是一种也可能是多种，可能是其它方法能监测的，也可能只能由差分吸收光谱进行反演的，因此，要根据实际监测对象进行相应设备的调整。

2.2 对光谱的相应处理

由于进行差分吸收光谱法对气体進行监测时，存在瑞利散射和米散射等干扰因素，而由瑞利散射和米散射等引起的光学厚度的变化随波长缓慢，而由分子吸收特性引起的光学厚度的变化随波长快速变化。为此，将散射引起的光谱变化称为“宽带”（低频部分）光谱，将分吸收光谱变化称为“窄带”（高频部分）光谱两部分，其中“窄带”是监测反演的最终目的。因此，需要将“宽带”部分进行波除，此时，将“窄带”进行计算时，是利用总的吸收截面减去“宽带”光谱的差值，因此，差分吸收光谱也就是“窄带”光谱。在进行浓度反演时，往往由于残余光谱的因素存在，使得拟合反演结果存在测量误差，从而使拟合后的残余光谱表现出相对较大的吸收结构[5]。此时，在进行反演时，需要进行变换拟合，即对光谱进行相应的处理后再拟合，这就需要在滤除宽带光谱的基础上，对光谱进行平移、拉伸或压缩，以解除或削弱残余光谱的影响，从而反演出较真实的气体监测浓度。

2.3 差分吸收光谱反演实例分析

以甲醛反演为例，利用差分吸收光谱技术进行甲醛监测。根据甲醛的分子轨道形式，在选择波段时，要将所有的分子跃迁包括在内。此时，不难发现，氙灯光谱和大气吸收谱都具有明显的干扰峰存在，为了更精确的反演甲醛浓度，消除这两个干扰发射峰是至关重要的。另外，在甲醛有效光谱波段内，还有二氧化硫、二氧化氮和臭氧这三种气体的分子吸收光谱，同样需要进行清除才能正确反演出甲醛的浓度。这就需要先将干扰因素清除，如果无法清除的，需要先将其浓度进行反演，然后再将甲醛的浓度进行反演，才能得到相对较精确的甲醛浓度。甲醛浓度反演出来后，需要对结果进行误差来源分析。甲醛浓度反演结果的误差主要来源是多方面的，总的分为下面几个方面：（1）差分吸收光谱技术的实验误差主要是由于暗电流、偏置、天空散射光、杂散光、光谱仪的色散率不均匀等引起的。其中光谱仪的色散率不均匀是主要的来源，在反演甲醛时，去除SO2，NO2，O3和氙灯光谱结构等的选择波段和未选择波段的光谱漂移和拉伸（压缩）是不相同的，这会给甲醛反演的浓度带来误差；（2）所采用的干扰气体的高分辨率的吸收截面的误差。由于气体分子在不同温度、不同大气压下，吸收截面在不同的波段会发生变化，所产生的效应是参考光谱的漂移和拉伸（压缩），这也会在甲醛的反演中引起误差；（3）非线性最小二乘反演过程的误差，文献[3]讨论过差分吸收光谱技术算法的反演过程的系统误差， 通常约为拟合统计误差的3倍。上述三点是甲醛浓度反演的误差的主要来源，差分吸收光谱技术的实验误差约为8%，所采用截面的测量误差为5%，非线性最小二乘算法的误差小于10%，所以总的测量误差估计在13.7%内[6]。

3 结语

大气环境的恶化加速了人们对环境保护的力度和进程，为了更好的掌握环境污染中各气体的浓度，需要对大气环境进行监测，此时，差分吸收光谱法对大气污染气体的浓度进行反演的应用最为普便和广泛。差分吸收光谱技术具有适用范围广，测量距离广，几乎包括所有的气体成分等特性，应用时具有较多的优点。在应用时，要掌握差分吸收光谱技术的原理，明确差分吸收光谱反演的过程，并利用滤波器对干扰因素进行滤除，对于不能滤除的吸收分子光谱，需要根据实际情况对这些因素的反演浓度进行测量与计算，再对测量对象进行浓度反演拟合。然后对测算结果进行分析，弄清误差的来源，才能对以后的监测打下基础，总结经验，为更为准确的浓度反演提供参考。

参考文献

[1]司福祺，谢品华，刘建国，等.基于DOAS技术的气溶胶粒谱分布反演方法研究[J].光谱光与光谱分析，2008，28（10）.

[2]彭夫敏，谢品华，邵士勇，等.差分吸收光谱法对大气中挥发性有机物光化学作用指示剂的监测与反演[J].光谱学与光谱分析，2008，28（3）.

[3]谢品华，付强，刘建国，等.差分吸收光谱方法反演大气环境单环芳香烃有机物[J].光谱学与光谱分析，2006，26（9）.

[4]周斌，刘文清，齐峰，等.差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法研究[J].物理学报，2001，50（9）.

[5]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[J].光谱学与光谱分析，2007，27（11）.

[6]李玉金，谢品华，秦敏，等.差分吸收光谱中甲醛的反演研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（1）.