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机载光纤式成像差分吸收光谱仪测量区域大气污染应用研究张晓莉;王煜;奚亮;周海金;常振;司福祺【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2024(44)2【摘要】我国大气污染呈现出区域性和复杂性等特性,开展污染气体区域分布的立体监测,能够及时了解大气环境现状、研究分析影响大气质量的各种因素,指导大气污染控制措施。
机载成像差分吸收光谱仪,是目前有效的污染气体区域分布遥感手段之一。
该技术观测区域大,覆盖率高,最终可提供精细化的污染气体区域分布资料,实现污染分布及传输的可视化探测。
以往机载成像差分吸收光谱仪采用整体式设计,需要占用飞机光学观察窗口,航空搭载需求苛刻、应用受限。
为此提出了光纤式机载成像差分吸收光谱仪,采用光纤束传输方式,安装过程中对飞机改装需求小,极大的便利了机上安装和调试,适应了适航设备认证需求。
该系统采用特制多芯光纤束结合Littow-offner结构光谱成像系统,具有光谱成像分辨率高、大视场、结构紧凑等优点。
在此详细介绍了该设备性能参数,并利用该系统在芜湖市周边开展了区域污染遥感应用。
应用过程中,针对光纤式成像差分吸收光谱仪,提出了数据处理算法。
对采集到的太阳散射光谱进行反演得到污染气体的斜柱浓度,并利用大气传输模型计算大气质量因子,实现垂直柱浓度转化。
最后结合飞机姿态位置信息,快速获取了芜湖市区及其周边上空的NO_(2)、SO_(2)的浓度分布,并进行了区域内污染源快速定位和传输过程分析。
从反演结果来看,本次实验NO_(2)垂直柱浓度在实验区域存在4个高值点,SO_(2)垂直柱浓度在实验区域存在2个高值点,高值点附近均存在重工企业,结果与实际情况相符。
并结合卫星数据评估二者交叉校验精度,二者呈现正相关,相关性系数为0.77。
应用效果验证了光纤式成像差分吸收光谱仪的方案可行性,可为大气污染气体航空遥感技术推广提供参考,同时弥补了地面站点监测在空间尺度上以及卫星遥感在时间尺度上的不足。
浅谈差分吸收光谱技术及在大气监测领域中的应用差分吸收光谱技术是近年来应用较为广泛的大气监测方法之一，具有高效率、大范围、便于操作等方面的优势，可以用于大气领域的长期监测工作。
为此，本文针对差分吸收光谱技术的原理与技术要点进行分析，并探讨这门技术在大气监测领域中的应用，希望能够推进这种技术在更加广泛的领域应用。
标签：差分吸收光谱技术；大气监测；比尔-郎博特定律前言：近年来，人们在生产与生活过程中给周边环境造成的影响越来越大，大气污染、臭氧空洞与厄尔尼诺现象逐渐加剧，人们愈发关注环境问题，雾霾及PM2.5对于大气环境的影响也逐渐成为近年来的热门词汇，这种情况下，研究差分吸收光谱技术及其在大气监测中的具体应用，对于探究大气问题具有重要作用。
1.差分吸收光谱技术原理本质上来说，差分吸收光谱技术是利用光谱会被分子所吸收的特性，并根据比尔-郎博特定律中对于不同分子对光辐射区别吸收特点对空气成分与浓度进行判断的一种方法。
当空气或空气池中经过同一束光线时，空气中的不同分子会对光线进行有差别的吸收，会影响光线的波长、强度与光子的组成，被空气分子吸收之后的光谱，同原本的光谱相互对比，即为吸收光谱，此时分析吸收光谱就可以确定空气中某些物质的成分与数量。
一般来说，运用差分吸收光譜技术来监测空气情况，会采用光源、空气池、望远镜设备来进行，由光源发出光束，经过空气池最后通过望远镜来观察，在这一过程中，光线会经过不同的分子吸收与散射作用发生改变。
根据比尔-郎博特定律，光线经过一段分散均衡、厚度（L）一定、密度（C）一定的空气时，透射后的光线强度为I（λ，T，P）和透射前的原光线强度I0（λ）之间的关系为这其中，σ是气体吸收光线谱时的横截面，是一个函数，其种类在于光谱波长、空气温度与压力、空气中分子的种类，其单位为cm2/mole。
空气池中的真实温度与压力，会影响空气吸收光谱的横截面，对光产生散射作用，当空气温度升高18°R，光栅光谱设备就会产生1个像素的位移，当光谱出于室内正常温度或者高温情况下，空气温度与压力对于空气吸收光谱横截面的影响也会对计算带来不利影响，在空气中，光线的强度会随着空气分子的吸收而逐渐衰减，空气内分子对于光子的吸收与散射作用的叠加，其结果如下：这其中，σi是i类型的空气吸收光谱时的横截面；Ci是i类型的空气从空气厚度L中的平均密度；εM是光线的米氏散射系数；εR是光线的瑞利散射系数；A是测量系统与光线波长关系转变较为缓和的结构。
差分光学吸收光谱（Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS）是一种先进的环境监测技术，用于测量大气中痕量气体的浓度。
其基本原理基于不同气体分子在特定波长范围内对太阳光或人工光源的特征吸收现象，并通过比较测量光谱与参考光谱之间的差异来确定目标气体的浓度。
DOAS技术的工作流程包括以下步骤：
光源：使用自然光（如日光）或人造光源发出连续的紫外至可见光谱范围内的光。
光路传输：光线穿过待测的大气层，在这个过程中，气体分子会根据自身的吸收特性吸收部分特定波长的光。
光谱采集：通过望远镜、光纤或其他光学系统收集穿过大气后到达地面或反向散射回来的光信号，并聚焦到光谱仪入口狭缝。
光谱分析：光谱仪将接收到的光信号转换为电信号，然后进行分光和探测，得到连续的光谱数据。
差分处理：根据Lambert-Beer定律计算并分析每个波长点处的光强变化。
通过对测量光谱和背景/清洁空气光谱进行数学上的差分运算，提取出目标气体特有的窄带吸收结构，消除宽谱吸收和其它非目标气体的影响。
反演算法：应用差分吸收光谱反演算法，解算出沿光路路径上目标气体的平均浓度。
DOAS技术的优势在于：
非接触式测量，不受采样器影响。
可实时检测多种气体，具有较高的灵敏度和准确性。
能够有效抑制背景噪声和多组分混合气体干扰。
适用于远程测量，获取较大区域内的平均气体分布信息。
这项技术广泛应用于空气质量监测、环境污染源排放监测、大气化学研究以及环境保护等领域。
激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用(1.内蒙古大气探测技术保障中心，内蒙古呼和浩特 010051；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018)依据激光雷达工作原理的不同，可以把当前探测大气的激光雷达分为Mie散射激光雷达、Rayleigh散射激光雷达、Raman散射激光雷达、差分汲取激光雷达和共振荧光激光雷达等若干种类。
其中Mie散射激光雷达主要用于探测30km以下低空大气中气溶胶和云雾的辐射特性，Rayleigh散射激光雷达主要用于探测30km～70km高空的大气密度和温度分布，Raman散射激光雷达一般则用于对大气温度、湿度以及一些污染物的测量，差分汲取激光雷达一般用于测量大气中臭氧以及其他微量气体，其测量精度比Raman散射激光雷达高出约3个数量级，共振荧光激光雷达一般用于对80km～110km高空的一些金属原子的测量，比方钠原子。
2 激光雷达在大气环境监测中的应用2.1 气溶胶和云的探测气溶胶是指液体或固体微粒匀称散布在大气中形成的相对稳定的悬浮体系。
它在大气中的含量虽然很低，却扮演着十分重要的角色。
大气中的气溶胶粒子既可以通过汲取和散射太阳辐射来直接扰动地——气系统的辐射平衡，产生所谓的直接气候效应，这种影响与其本身粒子的化学成分、粒子谱分布和粒子样子有关。
同时，它又可以作为云的凝聚核影响云的光学特性、云量以及云的寿命，产生所谓的间接气候效应〔即太阳反射效应和红外温室效应〕。
这两种不确定性效应对局地、区域乃至全球的气候都会产生重要的影响。
因此，精确地了解大气气溶胶的物理、化学特性及其时、空平均分布具有十分重要的意义。
用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术，使用这种技术的激光雷达被称为米散射激光雷达。
Mie散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比入射激光波长更大，其散射光波长和入射光相同，散射过程中没有光能量的交换，是弹性散射。
相对其他的光散射机制而言，Mie散射的散射截面最高，因此Mie散射激光雷达的回波信号通常较强。
光第22卷第8期2002年8月文章编号:025322239(2002)0820957205学学报Vol.22,No.8August,2002差分吸收光谱法测量大气污染的测量误差分析周斌刘文清齐锋李振璧崔延军(中国科学院安徽光学精密机械研究所环境监测研究室,合肥230031)3摘要:差分吸收光谱技术被广泛地应用于测量大气中微量元素的浓度,尽管该技术利用最小二乘法来反演待测气体的浓度,能够得到很高的测量精度。
但是,由于仪器本身的噪声以及测量波段其它气体的干扰等,使得仪器的测量有一定的误差,而且上述因素还决定着仪器的测量下限。
对差分吸收光谱方法的测量误差以及引起误差的原因作了详细的分析。
关键词:差分吸收光谱;误差分析;环境监测;相对测量误差中图分类号:O433.5+1文献标识码:A1引言差分光学吸收光谱(DOAS)方法最初由[1,2][3]Platt和Noxon等人在20世纪70年代提出,该方法是利用光线在大气中传输时,大气中各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些微量气体在大气中的浓度,经过一段时间的发展,目前已渐渐成为进行大气污染模式研究和大气污染监测的常用方法之一。
差分吸收光谱方法具有一些传统监测方法所无法比拟的优点,一套差分吸收光谱系统的监测范围很广,可直接监测方圆几平方公里的范围,所以测量结果比点测量仪器更具有代表性;该方法采用非接触方式,在测量时不会影响被测气体分子的化学特性,这特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的质量浓度,比如NO3、BrO和OH等;差分吸收光谱方法的测量周期短、响应快,并且一台装置可同时测量几种不同气体的质量浓度,这对研究大气化学变化和污染物之间相互转化规律有着非常重要的意义。
差分吸收光谱方法有很低的测量下限,但是系统的噪声、测量波段的选择等因素对测量结果会有很大的影响,给仪器测量带来较大的误差,本文就对差分吸收光谱方法的测量误差,以及引起误差的原因做一详细的分析。
光谱分析在环境污染监测中的应用光谱分析是一种常用的科学技术，在环境污染监测中发挥着重要作用。
通过对不同波长的光的吸收、散射、辐射等物理过程进行分析，光谱分析可以对环境中的污染物进行检测和定量分析。
本文将详细介绍光谱分析在环境污染监测中的应用。
一、UV-Vis吸收光谱分析UV-Vis吸收光谱分析是一种基于样品对紫外光和可见光的吸收能力进行检测的光谱技术。
这种方法在环境污染监测中得到广泛应用。
1. 水体监测水体中的有机物和无机物可以通过UV-Vis吸收光谱进行监测。
例如，水体中的溶解有机物对紫外光有较强的吸收，可以通过测量吸收光谱来评估水体中有机物的浓度和种类。
同时，水体中的无机物如重金属离子也可以通过吸收光谱进行监测。
2. 大气污染监测大气中的颗粒物和气态污染物也可以通过UV-Vis吸收光谱进行监测。
例如，大气中的颗粒物对可见光有较强的散射能力，可以通过测量可见光吸收光谱来评估大气颗粒物的浓度和粒径分布。
同时，大气中的气态污染物如氮氧化物和臭氧等也可以通过吸收光谱进行定量测量。
二、红外光谱分析红外光谱分析是一种基于样品对红外光的吸收能力进行检测的光谱技术。
这种方法在环境污染监测中也起到重要的作用。
1. 有机物污染监测红外光谱可以用于有机物的鉴别和定量。
不同有机物在红外光谱上有特征吸收峰，通过测量样品的红外光谱可以判断样品中是否存在某种有机物。
2. 土壤污染监测土壤中的不同成分对红外光谱的吸收程度有所不同，通过测量土壤样品的红外光谱，可以评估土壤中不同成分的含量和分布，从而判断土壤是否受到污染。
三、拉曼光谱分析拉曼光谱分析是一种通过测量样品对激光散射光的频率变化进行分析的光谱技术。
这种方法在环境污染监测中也有广泛的应用。
1. 污染物鉴别不同的化合物在拉曼光谱上具有独特的特征峰，通过测量样品的拉曼光谱可以快速准确地鉴别污染物的种类。
2. 气体监测拉曼光谱可以被用于对气体污染物的监测。
当激光照射到气体污染物上时，污染物会产生特定的拉曼散射光谱，通过测量这些光谱可以定量分析气体污染物的浓度。
差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用
作者：王洋
来源：《中国高新技术企业》2015年第12期
摘要：目前，环境保护专家和科学家们纷纷研究设计不同系统来监测环境，以便辅助人类改善治理环境。
差分吸收光谱反演方法就被广泛运用到大气烟气等污染物排样的空气环境监测中，并取得了很好的效果，对我国环境保护也有间接促进作用。
文章阐述了差分吸收光谱法的原理、特点以及其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；环境保护；污染物排放；空气环境质量文献标识码：A
中图分类号：X131 文章编号：1009-2374（2015）12-0088-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.12.044
鉴于人们生活水平和经济实力的不断上涨带来的出行车辆的增多，国内各种烟气排放量也居高不下，空气环境质量已经成为人们日常关注重点，相关行业对环境污染源的监测也引起业内专家极大重视，不同环境测量和监测手段也如同雨后春笋纷纷涌现，而其中应用较为普遍、发展极其快速的就是差分吸收光谱法，简称DOAS。
该技术最早是20世纪70年代中期德国相关环境物理研究机构提出的，随着光学分析计算和信息技术的不断发展进步，再加上全球对环境保护的日益重视，差分吸收光谱反演法运用到环境监测领域也日益广泛，如空气中二氧化硫、甲醛、氯化物、二氧化氮等等诸多有害、有毒气体中的浓度测量。
通过差分吸收光谱方法能够更好监测不同波段气体分子差分吸收的不同来对气体大气浓度进行反演，从而更好地测量获取多类气体的浓度信息，可以说其在反演污染物浓度应用上面优势显著，因此差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中有着十分重要的研究价值。
1 差分吸收光谱法的原理
DOAS技术借用了Lambert Beer的吸收定律原理，通过利用大气中污染气体对紫外线和可见光波段特征吸收光谱来监测鉴定气体分子，并根据一定原理和公式得出污染气体分子以及其浓度，因此其较为适合应用到波段有吸收特征的气体分子上，如甲苯、一氧化氮、芳香族有机苯、甲醛、二氧化硫、臭氧、二氧化氮等。
通过DOAS测量监测，利用滤波去除其中波长变化缓慢的光波后就只剩下分子窄带吸收导致的光衰减，然后根据测量信号光谱与同样处理的实验室得到的标准吸收截面参考光谱之间的拟合进行最小二乘法，通过这种反演算法就能够得出测量目标对象的浓度。
这种通过不同气体分子波段之间差分吸收的不同来反演得出其浓度的技术方法就是DOAS测量反演方法在环境监测系统应用的理论基础。
2 差分吸收光谱法的特点
虽然差分吸收光谱应用到环境监测系统中，其测量涉及到的仪器设备繁多，其测量步骤也略显繁琐，然而其应用特点优势也极为明显，主要有三：第一，差分吸收光谱技术能够在相同波段对多种气体分子浓度进行测量，也就是说其能够利用简单一台仪器野外进行多种大气污染物测量和浓度监测，其应用范围相当广泛，这对于人们掌握研究空气环境中不同污染物和气体之间的化学变化和物理转化规律有着重要的数据支撑辅助作用。
第二，差分吸收光谱测量距离和范围十分广，应用该技术方法测量或监测某目标对象气体，可以在几百米或者几千米距离内进行监测，然后对该监测数据取平均值，这种远距离气体监测优势是其他监测方法所无法企及的。
第三，迄今为止，运用差分吸收光谱反演方法几乎完全可以测量所有已知大气气体成分，即使某些位置环境气体物质也能够进行监测测量，可以说其监测气体种类之广更是让其在环境监测应用中所向披靡，这同样也使得差分吸收光谱技术在诸多领域的应用具备广泛适用特性。
3 差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用分析
3.1 实验应用测量装置
由于差分吸收光谱测量技术性和复杂性较强，其应用工具设备也较多，其主要测量设备仪器有光源、石英光纤、单色仪、光谱仪、望远镜、RSD（快速扫描装置）、角反射镜、接收/发射系统、PMT（光电倍增管）、计算机以及高速A/D转换卡等。
其流程如下：首先打开氙灯，其灯光通过次镜反射主镜外，借助平行光将其射入远处角反射镜，其主镜就会汇集角发射镜所发散出来局部光；然后次镜再次反射到光纤入射端聚集，光线通过光纤射到单色仪的入射狭缝（宽度为0.1毫米），放置光谱于出射口焦平面处，扫描处理，其狭缝光照到PMT的接收端面就会将该光信号转化为电信号，再通过A/D转换传递到计算机处理。
该狭缝扫描一次就能得到一次光谱，实际应用中为提高其信噪比，通常会根据实际需求来严格区分，如将四万条光谱平均后再次处理，其每次测量周期为300秒，这就需要工作人员严格把握时间和光源与角反射镜之间间距，测量时间太长或太短都会影响测量结果，一般测量结果通常会取几次测量平均值。
3.2 光谱处理
通常在实际测量中，其测量光谱和光源所得的比值与已经存入计算机的分子吸收截面的重合性会存在一定差异，这种差异会影响后续气体分子浓度的反演推算，这主要是测量仪器设备和工作环境受到外界环境影响造成的，比如测量过程中，由于瑞利散射和米散射引发光学厚度变化随波长缓慢，再加上分子吸收引发的光学厚度变化随波长快速变化，如果不能很好滤除其散射引起的宽带低频光谱，其残余光谱就会影响其窄带高频吸收光谱的监测反演，使得其拟合反演结果有误差，也会使得拟合后残余光谱表现出较大的吸收结构特性，此时就需要将所得比值光谱进行平移、拉伸、压缩处理来改进消除这种不利因素，也就是反演时在宽带光谱基础上处理削减残余光谱影响，然后再进行拟合从而使得反演数据更为真实，当然这种平移或者拉伸处理都要严格按照操作技术规定来进行。
3.3 差分吸收光谱反演方法的应用实例
差分吸收光谱反演方法能够应用到很多可见谱段有吸收特征的气体分子中，下面不妨简单以甲醛为例来探讨分析甲醛分子差分吸收光谱反演方法测量应用。
按照甲醛分子轨道来看，其波段选择就要考虑其分子跃迁，我们会发现氙灯所得光谱和大气吸收谱都有明显干扰峰，为获得更准确的甲醛反演值，就必须要消除器干扰发射峰。
此外，鉴于甲醛有效光谱段也有臭氧、二氧化硫、二氧化氮等气体分子吸收光谱，在试验过程中也要采取相应措施来消除，或者反复反演甲醛浓度来进一步提升其浓度测量值的精准性。
如果反演计算所得甲醛浓度有误差，也要对试验中可能出现误差来源进行分析，不论是其暗电流、偏置、散光、光谱仪色散率不均匀，还是甲醛反演过程中去除干扰因素平移拉伸不到位，或者其采取干扰气体高分辨率的吸收界面引起的误差，都要反复测量实验，不断对其浓度进行测量计算和浓度反演拟合，总结其误差经验，也能够为后期其他气体监测反演打下牢固基础，提供技术参考。
通常在实际实验监测中，其误差来源虽然多种多样，但是大多都不外乎以上提及的几种，此外还有非线性最小二乘法反演拟合过程中出现的误差，这种反演过程系统误差是拟合误差的三倍。
除了上述其在环境监测应用以外，差分吸收光谱反演方法还被广泛运用到城市化绿地建设、大气监测、水体监测、热岛效应监测中，在交通、建设施工行业以及自然灾害预警等诸多领域也有其应用。
在城市绿地建设方面，利用该监测技术能够很好获取城市绿化覆盖率图像，然后根据图像绿化覆盖等级和实时监测动态数据来进行分类，并将相关数据导入数据库，有助于政府在环境监测保护时进行数据支持和查询。
当前已有诸多专家学者对其在城市绿地建设中的应用进行了研究，如石学东在广州城市绿地工作中就对其城市十多年景观变化进行了动态分析，这种对区域绿化覆盖模拟和分析技术对我国城市绿化环境监测有着良好的应用价值和借鉴作用。
在城市水体监测方面，水体也具备光谱效应，根据水体污染状况和污染源种类不同（表现在颜色、温度方面差异），这些不同就会导致其波谱能量、波谱反映的影像色调、形态等就会有不同，从而帮助人们判断水体污染范围和程度。
在城市大气监测方面则和水体监测不同，主要是利用植物对大气条件反射来判断大气污染范围、扩散以及扩散带来的周边影响，以便于环境监测人员更好地判断评价大气污染程度；而热岛效应监测则是利用差分吸收光谱反演方法来获得城市气温变化图像，这种温度变化图像就能够帮助人们观察肉眼看不到的温度变化，应用技术优势极为明显。
从上面分析不难看出差分吸收光谱反演方法应用领域极为广阔，其应用潜在价值也有待挖掘，这就需要各行各业人员不断深入探究。
4 结语
当前人们对环境气候的保护还离不开对环境污染源头和浓度的有效掌控，或者说大力改善全球自然环境和气候条件离不开各种有力的科学数据支撑，也就是环境监测数据支持，因此我们就要大力发展差分吸收光谱反演方法，不断探索其在环境监测系统中的应用优势，虽然目前国内对其应用研究还不够深入详细，但是相信随着人们日益重视和持续努力，差分吸收光谱方法及其反演法也一定能够不断发挥其最大应用优势和功能，从而给相关行业工作者带去更大的研究价值和参考作用。
参考文献
[1] 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，（11）.
[2] 王笑.差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究[J].科技资讯，2013，（9）.
作者简介：王洋（1984-），浙江嘉善人，嘉善县环境监测站工程师，研究方向：环境监测。
（责任编辑：黄银芳）。
