大气颗粒物源识别在线分析仪的开发及应用

杨希+邱致刚+常锑+曾毛毛

摘要：文章通过偏振光散射快速获取颗粒物的粒径、形貌、光吸收等物理特征，对主要来源颗粒物的独特物理信息进行源类识别，研制具有自主知识产权的多角度偏振光散射大气颗粒物源识别在线分析仪，与现行的化学检测方法形成互补，仪器整机经过应用开发和示范、工程化和可靠性验证，最终实现产业化，产生巨大的科学社会经济效益。

关键词：多维物理特征检测；在线源识别；高时间分辨率；低成本；大气颗粒物 文献标识码：A

中图分类号：TH70 文章编号：1009-2374（2016）35-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.007

大气颗粒物来源复杂并具有区域传输和快速演化特征，现有仪器主要集中在颗粒物粒径、浓度和成分的单独检测，且时间分辨率低、价格昂贵，缺少能够进行快速源识别和支撑颗粒物动态时空分布研究的在线监测仪器。本项目融合多角度测量与偏振测量两项技术，研制多角度偏振光散射大气颗粒物源识别在线分析仪，并推进大气颗粒物物理光学表征体系的完善，是大气污染物源解析新型技术的典型应用。

1 原理及方法介绍

当大气颗粒物被采集进入光检测室后，通过对气路流量、流速和扩散行为的调控，使得入射光在测量区域仅与单个颗粒物产生相互作用，此时颗粒物粒径、复折射率、等效散射体结构等物理特征影响偏振状态的演化以及角度分布，对全偏振散射角度谱信息进行提取和简并变换，建立偏振光学指标组合与颗粒物物理复合特征之间的对应关系，并借助多维网络化数据的逆推算法，通过所测量的偏振指标反演并识别单颗粒物的类别信息，其中多个光散射脉冲序列的高灵敏提取能够反馈大气颗粒物复合体系中的多类源识别比例，单个光散射脉冲的同步检偏确保大气颗粒物偏振表征的有效性和实时性。整体技术路线大致如下图1所示：

对比非偏振的测量，扩展为16个信息维度的偏振光散射测量后带来的好处：

第一，偏振通道的散射信息量大，可以在不依赖多角度、多波长条件下获取多维表征参数。

第二，偏振对颗粒物属性变化更为敏感，尤其对小尺寸或者各向异性的微观结构具有较高的测量敏感性。同时经历不同散射次数的偏振光子保偏能力不同，偏振测量的优势还在于通过剔除多次散射后扩散光子的影响，而达到增强对比度和弱信号探测效果。

第三，多维的退偏、椭偏、旋偏组合信息为多组分多类别复杂颗粒物源识别提供可能。

第四，起偏检偏模块的兼容性好，不影响原有光散射测量，易实现光学方法的复合测量。

2 项目主要解决的科学技术问题

项目技术路线如图5所示：

2.1 研究大气颗粒物偏振光散射模型和演化算法

发展单颗粒物散射物理模型，引入结构特征和光学属性等因素来识别颗粒物，结构特征包括粒径分布、复折射率、特殊形态、复合结构等，光学属性包括光吸收散射过程的计算方式，旋光、双折射、二向色性等，探讨颗粒物不同来源所对应的示踪成分和示踪光学现象，研究散射偏振矩阵的变换和降维方式。对全偏振散射指标组进行筛选和比较，包括各偏振指标的误差传递和权重因子分析，各偏振指标在不同物理过程和结构对象上的灵敏度差异；对不同分类识别算法在计算速度、网络复杂度、降维能力、适用对象、训练数据要求、类间距误差等方面进行比较，确定反演算法关键节点的选取和设定，进一步探讨理论数据库和标样测试数据库对算法的训练学习流程以及多组分多类别现场对照误差的分析和校准方式等。

2.2 颗粒物源识别在线分析仪的研发

2.2.1 仪器关键部件开发，包括：（1）研制精确的流量控制模块，高速喷嘴、鞘气保护系统，达到大气颗粒物以排列形式单个依次通过光散射区的目标；（2）研制稳定的温湿度控制模块、高吸收气密散射室，减少各测量通道的噪声基底值以及噪声漂移；（3）开发超高灵敏光电传感器、高信噪比放大电路，达到考核指标中粒径分析下限的要求；（4）开发多偏振参量同步检测器和同步数据采集卡，实现多通道多偏振态同步检测和数据接收。

2.2.2 颗粒物光散射特性分析和仪器性能评价：搭建多组分颗粒物单粒径稳定发生和筛选系统，实现多种类颗粒物的稳定发生和选择，以此为基础开展多组分、多粒径的标准单颗粒光散射及偏振特性测试系统设计及实验，其中单粒径颗粒物类型涵盖水溶性颗粒物（氯化钠、硫酸铵、硝酸铵等）、PSL标准小球等，多粒径颗粒物类型涵盖扬尘（亚利桑那尘）、碳类（煤矿尘）等，在完成实验室多参数测定及样机标定的基础上，同步开展仪器环境适用性检测和评估研究，开展实际大气环境下（合肥）的仪器示范运行测试和数据比对，形成仪器性能评价报告和改进建议。

2.3 污染源分类的偏振数据解释和仪器应用比对

在研发样机完成的基础上，选择已有颗粒物源谱的典型地区，涉及不同纬度、不同气候特征（包括温度、湿度、气流等）和不同的工业结构的颗粒物排放区域，如京津冀、长三角、珠三角等地区，同时在外场安放研发样机及颗粒物采样器。每个季度采集20天，一共采集4个季度。其中研发样机通过仪器自身采集到的颗粒物的单颗粒光学特征，在线分析出颗粒物的主要来源；颗粒物采样器利用滤膜采集样品、实验室分析其中的有机碳（OC）/元素碳（EC）、水溶性阴阳离子（F-、Cl-、NO3-、SO42-；K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+）、无机元素（Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Pb、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Si等），采用化学质量平衡（CMB）源解析技术，模拟计算得到采样点的颗粒物来源。将上述两者来源做比对，验证研发样机的结果的可靠性，修正研发样机的误差，形成比对验证报告。在研发样机改善的基础上，在上述外场做应用示范，实现偏振光散射的颗粒物快速动态源识别，获得高时间分辨率的颗粒物来源信息，形成仪器应用示范分析报告，为当地大气污染防治和管理提供数据支持。

2.4 工程化和可靠性测试

为保障本项目工程化与产业化的顺利进行，切实形成皮实耐用、稳定可靠具有市场竞争力的产品，申报团队引入专业的工程化可靠性研究团队，在项目论证、仪器开发、应用开发、产业化等环节，针对项目仪器的研制与应用，开展可靠性研究，目标仪器的技术就绪度≥8级、环境适应性符合GB/T 11606规定的要求，安全性符合EN 60100或GB/T 17626规定的要求。

3 创新性

在线分析仪基于偏振光散射多角度测量装置和算法对大气颗粒物进行分析识别，属于国内领先、国际首创，其创新性主要体现在原理、评价体系和功能三个方面：

3.1 国际首创的多角度偏振光散射颗粒物在线分析方式

依托清华大学团队自主创新的两项国际专利技术，并采用新型光探测器、低噪声跨阻放大器及半导体制冷技术突破单颗粒微弱信号的增敏提取瓶颈，实现全偏振快速同步检测；借助偏振同步分析所提取的多维偏振指标体系，对颗粒物形貌、光吸收等属性进行复合表征，从而对颗粒物示踪成分，如水、炭黑、硝酸盐、硅酸盐等，开展特异性识别；通过扫描差分电迁移粒径选择、环境条件可控、均匀混合箱设计及气流控制等技术，实现多组分、多粒径的标准单颗粒的稳定发生和筛选以及光散射及偏振特性参数的系统性实验测试与分析，实现仪器的单颗粒定标测试，并获取颗粒物光学识别数据库标准偏振数据。

3.2 对现有大气颗粒物多维信息评价体系的创新型补充

开发对微观结构的偏振光散射过程分析能力具有国际领先水平的偏振光散射蒙特卡洛理论计算和仿真模拟平台，研究多维偏振指标的优化组合和逆向反演颗粒物类别的算法，这种新的源类分析模型和算法是基于大气颗粒物的物理特征数据谱库，首次对偏振光学散射过程与典型源类对象之间的关系进行描述和解释，它在燃煤、机动车尾气、生物质燃烧、扬尘等典型排放源的实测评价，能够成为大气颗粒物形成机理、时空分布以及区域传送等重点研究问题的辅助依据；基于实验室典型源类测试，利用综合观测和解析手段，通过对颗粒物开展定量动态源解析，率先建成颗粒物光学信息组合特征与典型源类特征的关系数据库，实现基于光学特征的环境大气颗粒物快速动态来源识别。

3.3 功能创新

体现在三个方面：（1）该设备具备长周期不间断连续观测能力，核心部件和器材都可以长期稳定工作，不需要定期的耗材更换，偏振光学在线数据采集和高维数据处理后的源识别数据更新速度在分钟量级；（2）该设备是一种单颗粒物分析装备，对大气真实体系下的颗粒物的原始状态进行分析；（3）该设备完全自主知识产权，价格低廉。

4 项目团队

项目团队共六家单位，完整覆盖技术支撑、应用示范、工程化以及产业化四大领域。首先，在中兴仪器承担的整机设计与开发任务的牵引下，由清华大学和中国科学院合肥物质科学研究院配合分别承担颗粒物特异性表征和源识别偏振光学模型算法与系统优化，颗粒物光散射特性分析及仪器性能评价两项基础性任务，为中兴仪器完成整机设计与开发任务奠定基础；然后，由中国环境科学研究院和中国环境监测总站分别负责完成偏振光表征体系识别污染源的分类模型和数据解释，颗粒物源识别的比对验证和应用示范两项仪器应用开发任务；最后，由电子五所配合中兴仪器完成仪器工程化与产业化的任务。通过上述七项任务的统筹安排和布局，实现关键技术突破、仪器研发、应用开发、工程化与产业化的全链条打通，保障本项目目标的实现。

5 预期效益

本项目的顺利实施，在科学上极大地丰富了大气颗粒物源解析技术体系，光学数据库与已有化学属性库形成互补验证，为开展大气污染源复合解析提供综合数据支撑；在社会管理上，一方面减少大气颗粒物源识别仪器对国外技术的依赖，为国家和环保产业培育人才，另一方面可实现数据及结果共享，共同繁荣蓝色文明，创造社会公众价值；在经济上，仪器产品具有广阔的市场前景，不仅产生填补国内外空白的多项技术专利，为企业创造新的就业机会和可观利税；推动了环境监测和治理领域的产业技术快速发展，同时带动科学分析、机电一体化、自动控制、电子信息、基础材料等相关产业发展，创造出显著的高科技产业经济效益。

项目初期已完成偏振光散射颗粒物识别的可行性论证和一套原理性样机，在中国环科院和监测总站进行了成功试用，为本项目的实施奠定了良好的基础。

作者简介：杨希（1975-），男，湖南人，中兴仪器（深圳）有限公司工程师，硕士，研究方向：在线自动监测仪器；邱致刚（1977-），男，黑龙江人，中兴仪器（深圳）有限公司高级工程师，硕士，研究方向：在线自动监测仪器；常锑（1988-），女，山东人，供职于中兴仪器（深圳）有限公司，硕士，研究方向：在线自动监测仪器；曾毛毛（1990-），男，江西人，供职于中兴仪器（深圳）有限公司，硕士，研究方向：在线自动监测仪器。

（责任编辑：黄银芳）