差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的分析

前言

随着人们环保意识水平的不断提高，构建准确的监测系统对环境情况进行有效监测，是现阶段加强环境控制的重要实现途径。本文就差分吸收光谱反演方法的原理及其在环境监测系统中的应用模式进行分析，探讨差分吸收光谱在环境监测过程中的作用机制。

差分吸收光谱反演方法是大气质量监测工作中的常用方法，能够很好地测定大气环境中二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等空气质量指标的浓度水平，帮助环保工作者制定相应的减排计划，降低有害气体浓度，进一步改善大气环境质量。因此，探讨差分吸收光谱反演方法的原理，使该反演方法更好地应用于环境监测系统，在现阶段的时代背景下具有重要意义。

差分吸收光谱反演方法的原理分析

理论基础

差分吸收光谱（DOAS）技术的实现基础是大气中不同气体分子，在紫外光波段和可见光波段内的特征吸收光谱。DOAS技术通过利用滤波技术，去除大气光波图谱中变化速率小的部分光波，筛选出不同污染气体的特征吸收光谱，并根据光谱结果分析鉴别气体的种类及其对应的大气浓度。

差分吸收光谱反演是指，将DOAS技术所得的气体类型及其浓度与实验室内经相同滤波处理的标准光谱进行拟合，反演计算方法以最小二乘法为主。

差分吸收光谱的应用优势

相较于其它监测方法而言，差分吸收光谱应用于大气环境监测的优势主要表现为以下几个方面。

第一，差分吸收光谱能够在同一波段条件下，同时测定多种不同气体的浓度水平，监测人员可通过调整光栅，很好地实现对多类型污染气体浓度的准确监测，具有较高的监测效率。

第二，差分吸收光谱的浓度计算依据主要是气体的差分吸收截面面积，对气体浓度具有较高的敏感度，在恰当的波段条件下，其测量浓度的最低限制＜1×10-4mg/m3，应用价值较高。

第三，差分吸收光谱属面测量范畴，其气体测量范围包括光源到接收器间的所有气体，相较于点测量方法而言具有更高的测量准确率。

因此，将差分吸收光谱反演技术应用于大气环境检测系统，不仅可提高测量效率、简化工作步骤，还能更好地确保测量结果的准确性，对于大气环境实时监测工作的顺利开展意义重大。

在环境监测系统的应用方面

常规应用模式

浓度反演的主要设备包括氙光源、角反射镜、扫描仪、光谱仪及计算机等。应用DOAS技术进行气体浓度的测算过程中，存在瑞利散射或其他光散射现象的干扰，干扰因素会导致光学厚度的变化速率降低，形成低频宽谱。

差分吸收光谱法的监测目标是分子吸收效应而产生的高频窄谱，获取结果受到低频宽谱的影响较大，因此应利用滤波技术消除低频部分光谱。在将实际监测光谱与实验室光谱结果进行拟合时，往往会受到残余光谱的影响而表现出较大误差，此时可将所得光谱进行平移、拉伸等，达到减少甚至消除残余光谱的影响，然后再进行光谱拟合，确保浓度反演结果的真实性。其具体算法如式①：

通过上述公式及其它相关技术，能够准确测算出大气中多种污染气体的实时浓度。由此可知，差分吸收光谱反演技术对于大气环境监测具有较高的应用价值。

应用实例分析

为了更深刻地认识到差分吸收光谱反演技术的应用价值及其具体应用方法，现以甲醛为例，利用DOAS技术对大气中的甲醛气体进行浓度反演。

首先应分析甲醛气体的分子吸收轨道，确保DOAS测量仪器上的测量波段涵盖所有甲醛气体分子的能级跃迁情况。其次，利用氙灯光源进行照射，并应用滤波技术及最小二乘法等技术消除氙灯光谱与大气散射产生的干扰，进一步提高测定结果的准确性。第三，消除甲醛有效波谱段范围内其他气体的分子吸收高频光谱，包括一氧化氮、二氧化硫等；若无法彻底消除，应先对其他干扰气体进行浓度反演，再对甲醛气体的分子吸收光谱进行实验室拟合，通过浓度反演途径，即可得出准确的甲醛浓度。

反演方法的不足及改进

分析甲醛气体的浓度反演过程，可知其反演结果出现误差的几率较大。现就浓度反演过程中的误差因素进行研究，并提出相应的改进措施。

误差产生的原因

（1）DOAS技术的实验室误差。这一误差主要来自于光谱仪，光谱仪的色散率直接影响到甲醛光谱中其它干扰气体的消除结果。实验室内的光谱仪往往表现为色散率分布不均，使干扰气体未能彻底清除，使气体的浓度反演结果出现较大误差。

（2）拟合算法的误差。有研究表明，最小二乘法在具体应用过程中的误差为9%～13%。在应用最小二乘法进行浓度反演时，算法的自身误差会影响浓度计算结果的准确性，造成较大误差。

（3）气体吸收截面的误差。由于甲醛气体分子在不同环境下，其光谱吸收截面存在较大差距，导致比对光谱的偏差，使气体的浓度反演结果出现误差。

（4）外部环境的误差。外部环境包括温度、噪声等，温度会对气体的吸收谱线产生影响，温度过高会导致谱线截面增大，温度过低则会使气体光谱截面缩小，使计算结果产生偏差。噪声包括电噪声和光噪声两种，二者均会对气体浓度反演结果产生影响，使测量结果出现误差。

改进方法

针对上述误差原因，可从以下两方面对差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用模式进行改进。

第一，可在仪器的正常工作温度范围内选取3条等间隔分布的吸收截面，并在DOAS仪器的数据库中储存与之相对应的参考光谱吸收截面，达到消除误差的目的。

第二，可从设备的性能角度进行改进，包括：光谱仪的结构优化，以减少内部透光度，降低光噪声；使用更高性能的摄谱元件，最大限度地缩短光谱测量时间，降低大气波动对测量结果造成的干扰，减小误差。

第三，对气体浓度进行多次测量，将多次测量结果进行叠加平均，取其平均值作为浓度反演的数据结果，也可在一定程度上减小误差。

结语

综上所述，高效、准确的环境监测系统对于更好地开展环境保护具有重要意义。差分吸收光谱反演方法能够更精确、更高效、更敏感地测定环境中污染气体的浓度水平，为针对性气体减排措施的实施提供重要依据。因此，环保监测技术人员在工作实践中应积极应用差分吸收光谱反演方法，尽量规避可能的误差因素，精确地测定大气中各种污染气体的浓度值，进一步提高环境控制水平。