差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的研究

冉海林

【摘 要】隨著人類文明的高速發(fā)展，自然環(huán)境卻遭到了破壞，受到破壞后的自然環(huán)境對人類造成了反作用，使人們的生活質(zhì)量受到嚴(yán)重威脅，此時(shí)人們不得不對自己的行為進(jìn)行反思。為了擬補(bǔ)人類對自然界造成的傷害，人類試圖通過科技來保護(hù)自然環(huán)境，其中差分吸收光譜技術(shù)就是為此而存在。它可以準(zhǔn)確監(jiān)測到對大氣造成污染的物質(zhì)，在實(shí)踐應(yīng)用中做出了巨大貢獻(xiàn)。為了對這一項(xiàng)技術(shù)更一步的了解，本文從差分吸收光譜的原理及特點(diǎn)做切入點(diǎn)，對差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的作用及應(yīng)用進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】差分吸收光譜；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；反演

隨著科技的進(jìn)步，大氣環(huán)境成為了推動(dòng)人類文明發(fā)展的犧牲品，環(huán)境的突變與氣候的極端無一不向世人發(fā)出了警戒的訊號。人類作為生物界中的一部分，其生活無法脫離自然，大氣環(huán)境的好壞不僅直接影響到人類的生活質(zhì)量，整個(gè)自然生態(tài)都會受到它的影響。在環(huán)境惡化的反作用下，人們意識到了大氣環(huán)境保護(hù)的重要性與必要性。為了有效控制對大氣造成污染的物質(zhì)，需要環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的支撐，通過對大氣環(huán)境中有害物體濃度的監(jiān)測，制定對應(yīng)策略以此對大氣中污染源進(jìn)行控制。差分吸收光譜法是目前環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測大氣環(huán)境中污染物的主要方法，大氣中的很多分子和芳香烴有機(jī)物都能夠被它所監(jiān)測到，在反演污染物濃度上展現(xiàn)出了多種優(yōu)勢，為此，對差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究是極具價(jià)值的。

1 差分吸收光譜法的原理

差分吸收光譜的監(jiān)測工作主要是通過對氣體分子的特征吸收來完成的，Lamber-beer吸收定律是差分吸收光譜原理的主要依據(jù)。通過濾波技術(shù)刪減隨波長在大氣光譜中變化比較緩慢的部分光波，只留下窄帶吸收形成的光衰減，然后用同樣的方法截選出實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)參考譜，將光衰減與標(biāo)準(zhǔn)參考譜進(jìn)行最小二乘擬合，最終通過反演測量氣體濃度。環(huán)境檢測系統(tǒng)中的差分吸收光譜反演方法所應(yīng)用的理論過程也是如此。

2 差分吸收光譜法的特點(diǎn)

差分吸收光譜法之所以成為目前環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的“主力”，這與它極具增異效果的特點(diǎn)有著必然聯(lián)系。差分吸收光譜法具有三大特點(diǎn)：監(jiān)測對象多樣化、測量面積廣闊、使用便捷，應(yīng)用廣泛。

大氣中存在的已知成分與未知物質(zhì)幾乎都能通過差分吸收光譜反演方法被監(jiān)測，對于大氣中的未知物質(zhì)，差分吸收光譜反演方法也能夠?qū)ζ溥M(jìn)行監(jiān)測。差分吸收光譜法針對大氣某一種或幾種氣體的監(jiān)測時(shí)，它能夠根據(jù)監(jiān)測需求調(diào)整監(jiān)測距離，最遠(yuǎn)可從監(jiān)測點(diǎn)延展至幾千米之外進(jìn)行氣體監(jiān)測。差分吸收光譜方法應(yīng)用的廣泛性也是它的一大特點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)差分吸收光譜法監(jiān)測距離達(dá)到極限時(shí)，它廣泛的應(yīng)用性能夠?qū)y量距離進(jìn)行延展，換言之，差分吸收光譜應(yīng)用的廣泛性無形中加大了監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋面積，這對大氣化學(xué)變化以及污染物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究有著重要意義。

3 差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 差分吸收光譜反演方法的實(shí)驗(yàn)裝置

差分吸收光譜反演方法雖然能夠有效監(jiān)測大氣中的濃度和成分，但是它僅僅是一種方法，也就是說還需要一些實(shí)驗(yàn)裝置才能滿足差分吸收光譜反演方法應(yīng)用的需求，具體實(shí)驗(yàn)裝置需要以下幾種：氙燈光源、角反射鏡、掃描儀器、望遠(yuǎn)鏡、光譜儀、電腦以及2歌氣體樣品池。由于需要監(jiān)測的氣體可能不止一種，而是很多種，也有可能有些需要監(jiān)測的氣體不用差分吸收光譜方法就監(jiān)測到，當(dāng)然也有可能存在只有差分吸收光譜方法才能監(jiān)測到的氣體，所以，在對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合被檢測氣體的實(shí)際情況和需求條件對裝置設(shè)備進(jìn)行合理的選擇與調(diào)整。

3.2 應(yīng)用差分吸收光譜的具體方法

由于在使用差分吸收光譜方法監(jiān)測大氣時(shí)會受到一定的干擾因素影響，如米散射、瑞利散射以及分子吸收特性等，所以，需要對這些造成影響的干擾因素進(jìn)行區(qū)分。米散射與瑞利散射會導(dǎo)致光學(xué)厚度的變化隨波長緩慢，此類光譜稱之為“寬帶光譜”；分子吸收特性會導(dǎo)致光學(xué)厚度的變化隨波長加速，此類光譜稱之為“窄帶光譜”，而“窄帶光譜”是監(jiān)測反演的最終目的。為此，需要對“寬帶光譜”給予波除，此時(shí)，對“窄帶光譜”進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要總吸收截面減掉“寬帶光譜”的差值，這里可以看出，所謂的“窄帶光譜”實(shí)質(zhì)上就是差分吸收光譜。

受殘余光譜影響，濃度反演會使結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此，反演過程中要變換擬合，反演擬合必須在濾除“寬帶光譜”的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)，可以通過平移、壓縮或者拉伸光譜解決殘余光譜所造成的誤差，這樣氣體濃度就會更準(zhǔn)確的反演出來。

3.3 差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的實(shí)例分析

以甲醛反演作為本次分析案例，通過差分吸收光譜反演對甲醛進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)甲醛的份子軌道形式，在進(jìn)行波段的選擇時(shí)，需要考慮到份子躍進(jìn)。這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，無論在大氣吸收光譜還是氙燈光譜，都存在干擾峰，為了保障甲醛濃度反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須解決干擾峰問題。另一方面，影響甲醛反演精度的因素還有二氧化氮、二氧化硫以及臭氧，這三種氣體的分子吸收光譜也需要清除，如果清除工作受到條件阻礙和技術(shù)阻礙，可以先反演出大氣濃度，然后再反演甲醛的濃度，這樣能夠使甲醛的濃度反演的更為精準(zhǔn)。當(dāng)甲醛濃度被反演出來后，分析誤差來源。

影響甲醛濃度反演結(jié)果的因素主要有以下三方面：第一，造成差分吸收光譜誤差的因素主要是暗電流、天空散射光、光譜儀色散率、偏置、雜散光，而光譜儀色散率不均主要是由于反演甲醛時(shí)，需要去除一些大氣成分，在這過程中，選擇波段與未選擇波段的光譜漂移是不一樣的，而這就是導(dǎo)致甲醛反演濃度出現(xiàn)誤差的根本原因。第二，干擾氣體分辨率的吸收截面存在誤差。尤其氣體分子會受溫度和氣壓的影響，使其波段發(fā)生不同程度的變化，在變化的影響下，就會造成甲醛反演出現(xiàn)誤差。第三，非線性最小二乘反演過程的誤差，通常約為擬合統(tǒng)計(jì)誤差的3倍。從本次案例的分析中可以發(fā)現(xiàn)，差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用中雖有著種種優(yōu)勢，但實(shí)踐應(yīng)用過程中，還是存在諸多阻礙的，這對差分吸收光譜反演方法的操作技術(shù)有著極高的需求，因此可以判定，差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用效果需要技術(shù)的支撐才得意實(shí)現(xiàn)，如果僅依靠該技術(shù)方法，而不去提高操作技術(shù)，是難以保障反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的，當(dāng)然，這并不意味著差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中難以應(yīng)用，如果操作人員的專業(yè)技術(shù)能夠駕馭差分吸收光譜反演方法，它將成為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中無以匹敵的利器，為人類自身與大氣保護(hù)工作做出巨大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語

為了避免大氣環(huán)境受到更一步的惡化，對大氣中的污染物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測是非常必要的。通過本文對差分吸收光譜反演方法的探討，了解到了差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的種種優(yōu)勢。在應(yīng)用差分吸收光譜反演方法時(shí)，首先要對它的原理和反演過程進(jìn)行了解，通過濾波器消弱或解決干擾因素，對于無法濾除的吸收分子光譜，文中也交代了對應(yīng)策略，如濃度反演擬合?？傮w來說，就大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)而言，差分吸收光譜法無疑發(fā)揮著巨大的作用。盡管差分吸收光譜法的增益效果顯著，但面對大氣環(huán)境如此嚴(yán)重的破壞，很難做到力挽狂瀾。要想在這場名為“大氣環(huán)境保衛(wèi)戰(zhàn)”的戰(zhàn)役中取得勝利，人們還需要更多的努力才能實(shí)現(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王笑.差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的研究[J].科技資訊，2013（09）：67-68.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]