环境污染监测的光学和光谱学技术研究

高俊岩+陈霄龙+邢冲+梅禹珊

摘要随着社会不断进步，人们环保意识的不断提升，环境污染问题已经受到国际普遍的关注，就环境污染的监测技术，世界各国进行了不断的开发与研制，同时也取得了非常多的研究成果。而光学与光谱学具有选择性好、时间分辨率佳、能进行遥测、动态范围大一级便于操作等优势，从而使其被广泛的研究与应用在环境污染监测。本文首先对光学与光谱学遥测原理加以简要的介绍，之后对目前普遍的技术进行重点分析，从而对我国今后的环境污染监测有所帮助作用。

关键词环境污染監测：光学和光谱学；多污染组分分析：污染自动遥测

环境污染依然受到人们的广泛关注，对环境污染展开监测可以对今后的污染治理以及环境保护有着非常重要的意义。以往进行的污染监测通常是人工进行定点取样，以及实验室分析为主要手段，但是依然有着很大的弊端。即便现在已经将大量的仪器设备应用在环境监测中，从而对环境污染监测有着很好的推动作用，但是依旧存在定点测量的弊端。而采用光学与光谱学进行遥感监测，可以实现实时、多组分以及大范围监测，已经成为当前时期主要的应用工具。

1光学与光谱学遥测原理

光谱遥测主要是基于电磁辐射和分子或原子间进行相互作用来对污染物责成以及特性加以监测，依照环境中存在的痕量污染物在不同光谱波段拥有不同的吸收特征来推断出其相应的浓度。光学遥测主要是利用远光程来对实验室内存在的取样池加以替代，通过发出光束穿过待测气体，又另一测的接受装置进行接收。光程主要是由发射器和接收器之间存在的距离来确定的，测量的主要原理为比尔定律，其可用如下公式表示：

2 DOAS技术

DOAS即差分光学吸收光谱。DOAS技术主要应用在可见光与紫外光波段范围，可以对处于该波段拥有特征吸收光谱气体进行检测，监测的主要污染物有氮氧化物、臭氧、二氧化硫、苯、甲苯、二甲苯、甲醛等，其主要的测量种类仅仅局限在该波段范围内拥有较窄吸收谱线方面的气体成分。然而该方法在大气平流层可以对易于反应的HONO、0H以及N0等气体有着非常明显的测量效果。DOAS主要是依据大气环境中存在的痕量气体处于可见与紫外光谱范围内拥有的吸收特性，来反推出大气中所含有的污染物种类以及浓度。DOAS系统不仅可以应用在城市空气监测，同时也可以被应用于污染源方面的监测，诸如化工厂、炼钢厂以及水泥场等。此外，将DOAS技术应用于在对大气层流中的二氧化碳以及氮氧化物的测量，并对氧化溴分布加以测定，对于北极等温层内存在的臭氧破坏过程进行研究。

3 FTIR技术

FTIR即付里叶变换红外光谱。该方法可以对大气中存在的众多的污染物成分所具有的光谱信息，诸如酸性有机物以及有机大分子等。FTIR对于红外光谱分析具有非常显著地优势，其可以实现对2μm～15μm内的全部光谱进行全部获取；而且对于光强有着非常好的利用率，不再需要使用棱镜等分关元件；此外可以实现对多组分展开一并的测量。通过FTIR技术能够测定火山烟羽，火山烟羽的组成主要有二氧化碳、二氧化硫、水、硫化氢、氯化氢等，其探测极限最小可以达到几ppb，单位时间内能偶获取到500～6000范围内的全部光谱，分辨率可以在0.5cm-1，通常一同获取4条以上的干涉图谱，从而对发射信噪比加以有效地改善。FTIR技术不仅可以使用人工光源，对于自然光源如太阳或者月亮等。

4 TDLAS技术

TDLAS即可调谐二极管激光吸收光谱学。激光拥有高强度、高单色性以及方向性等特点，从而其已经成为一种作为大气监测方面的新型工具。在进行激光长程测定过程中，根据光源功率、连续形式以及脉冲方式等方面的不同，可以实现对光程为几千米进行很好的测量，可以探测出1%左右的差分吸收，拥有很好的灵敏性。由于其所具有的单色性可以实现对混合污染物中存在的不同成分加以区分，可以有效地规避了光谱的干扰。采取激光长程技术进行测量的污染物主要是大气中含量极低的污染物，诸如氯化氢、氟化氢、氨气、甲醛等，以及空气标准污染物如甲烷、一氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等。对于相对较为灵敏的检测方式，激光长程拥有结构简单、响应快以及精度高等优势，并且所使用的二极管激光器拥有相对较低的成本，是今后重点发展的一个方向。

5 DIAL技术

DIAL即差分吸收激光雷达。伴随可调谐激光的不断创新发展，DIAL技术也相应的得到了发展与运用。激光差分雷达主要是根据大气自身所具有的向后散射回波展开测量的一项技术。大气中存在的气溶胶拥有较大的向后散射截面，而且回波强度相对较强，因此使其便于接收与测量，能够实现极高的分辨率以及大范围实时监测的特点。通常情况下测量光程能够在几十公里范围内，只要测量范围是大气平流层以及大气对流层中存在的气体成分。但是DIAL技术由于其系统较为复杂、成本高，而且所要求的光源要可调谐、功率大、脉宽窄。目前，DIAL技术已经实现对臭氧、氯气、一氧化碳、二氧化氮、汞蒸汽等进行测量。

6 LIF技术

LIF即激光诱导荧光。根据物质受到紫外线照射会产生表征其特性的荧光，从而实现对物质的定量以及定性的分析的技术便是荧光分析。随着其被发明出来便受到了广泛的关注，已经在实际中得到了普遍的应用。利用激光作为荧光光源可以对传统光源存在的缺点进行很好的弥补，而且可以有效的提升荧光分析法的选择性。此外，荧光分析法拥有着取样方便、试样量少、方法便捷等优势。

7结论

综上所述，将光学与光谱学技术应用于环境污染监测中，是一种极为有效的遥感测量方式，可以对大气环境中存在的各类有害污染物实现很好的测定，但是各种技术均存在自身应用局限性，因此在实际测量选取过程中应该根据监测内容的不同来选取适当的手段，从而对大气内存在的污染物加以有效的监测。同时对监测结果采用遥感技术可以更为准确，对于污染防治有着很好的技术支持，因此今后要对其加以重点的应用于研究，从而对我国今后的污染治理有着极大的推动作用。endprint