新闻详细内容

发布时间：2013.04.16     浏览次数：     新闻来源：www.cnhydq.cn

（1）多种污染物监测的傅里叶变换红外光谱(FTILZ)技术 采用傅里叶变换红外光谱方法，可以测量许多污染物成分的光谱信息，包括美国最新修改列出的188种污染气体，还有大的有机分子或者酸性有机物，如丙烯醛、苯、氯仿等。对于在红外大气窗口35μm、8～12 μm有特征吸收光谱的气体分子都可以采用FTIR方法进行其浓度的探测。FTIR的基本结构有单站和双站两种方式。红外光源经准直后成平行光出射，经过一百到几百米的光程距离，由望远镜系统接收，经干涉仪后会聚到红外探测器上。FTIR的核心部分是干涉仪，接收的光束经分束后分别射向两面反射镜，一面镜子前后移动使两束光产生相位差，相位差由光束的光谱成分决定，具有相位差的两束光干涉产生信号幅度变化，由探测器测量得到干涉图，经快速傅氏变换得到气体成分的光谱信息。光谱分析方法常用多兀最小二乘法，对吸收光谱与实验室参考光谱进行最小二乘拟合，参考光谱最好是采用同样的光谱仪在相同分辨率条件下对标准浓度气体测量得到的光谱。FTIR在红外光谱分析方面有着明显优势，二维码激光打标机一次可以获得全部光谱(2～15 μm)数据，不需要光谱扫描;光强利用效率高，没有分光兀件，如光栅或棱镜;可以对多种分子进行同时测量。利用FTIR技术可以测量火山烟羽，主要成分有H2Ohttp://www.jnxtkj.cn、CO2、SO2、 HCL、H2S等，最小可探测极限是几个ppb, 1 s可得到500～6000的光谱范围，分辨率为0.5。一般收集4条或更多的干涉图来改善发射信噪比。 FTIR技术也用来测量发射光谱，如监测飞机发动机和烟囱等的排放气体来反演气体的浓度。这种技术不需要光源和后向反射器，结构简单，但缺点是不知道待测目标的温度，以及温度与发射光谱间的关系。这种被动FTIR近来得到了发展，采用该技术可测量各种燃烧条件下的排放气体，用分子光谱数据库HIRAN和HITEMP的多层反演软件来确定H2O、CO2、CO、CH的浓度和温度。除了采用人工光源外，FTIR也可以利用太阳月亮等自然光源，如以太阳为光源，地基或机载FTIR测量大气平流层、对流层的化学成分，以月亮作光源，地基FTIR测量高纬度大气层一天里的浓度变化情况。 (2) 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术 激光的高单色性、方向性、高强度，使其成为大气监测的理想工具。在激光长程测量中，激光监测系统一般有两种工作方式，其一是利用大气本身的后向散射，得到污染气体随距离的分布，这就是后面要介绍的差分吸收激光雷达技术(DIAL);另一种方式是利用地面物体或是角反射器的反射来获得光程平均浓度，称为激光长程吸收。二极管激光光谱学又是一种吸收技术，透过的激光强度遵循比尔一朗伯定律。在激光长程测量中，随光源功率不同，脉冲方式或连续方式，可测量的光程从几米到几千米，能探测到1%的差分吸收，具有很高的灵敏度。激光的单色性能够方便地从混合污染成分中鉴别出不同的分子，避免了光谱干扰。一些有害的空气成分在空气中的浓度为几个ppb或更低，如甲醛、HCL、HF、NH3，标准污染分子CH4、CO、 SO2、 NO等，都可以采用激光长程技术。 随着可调谐二极管激光器的发展，在中红外区(2～15μm)常采用TDL进行激光长程测量，TDLAS技术由此得到了发展。TDL的化学组分决定了它的可调谐范围，通过对温度和电流的控制，能够进行波长的微调，但对于单模输出，控制温度须十分小心。目前，TDL在低温20K时，调谐范围为3～11μm。虽然TDL的输出功率低，并巨由十大气散射损失很多能量，但光电探测器件目前可以探测到nW或者pW的信号。铅盐激光器工作于2～20μm范围，通过调制技术和长光程相结合能测量到ppt量级，可对清洁空气成分进行测量。工作于0.78 ～1.6μm近红外的III ～V族化合物激光器由于价格低廉，性能好，工作于常温状态，口益引起了人们的兴趣，但这个波段(NIR)的探测极限为中红外(1VII助系统的1%～10%} TDLAS的主要缺点是调谐范围限制了可探测的气体种类。打标机网广泛应用十通信系统的分布反馈(DFB)二极管激光器，也可以作为激光长程吸收测量的光源，其单模连续输出在室温大于10mW。 采用可调谐红外二极管激光光谱进行气体探测的主要优点是有较高灵敏度和较高分辨率，实用指标可以做到ppm量级，最高可达ppb量级。所选用的工作波段水分和其他气体几乎没有吸收，使系统具有良好的选择性，不受其他成分的干扰。同时，应用可调谐二极管激光器输出波长在一定范围内可调的优点，与传统的采样分析方法相比，通过输出波长的调节，可以同时分析多种污染物质。另外，传统的检测技术是一种静态检测技术，目_检测精度低。该技术能真实反映现场气体状况。另外，由十某些气体特征谱的吸收率很低，吸收线宽很窄，因此采用传统的测量方法非常困难。采用谱线宽度很窄的可调谐二极管激光器，有利十检出气体吸收峰，可调谐性使得一台激光器同时测量多种气体成为可能。通过调节电流的大小控制激光波长扫描待测气体吸收峰，测出被测气体吸收峰和吸收峰外的信号进行对比，用非线性最小二乘法对所测得谱线进行拟合，从而得出被测气体的成分和浓度。 为了克服干涉影响获得足够的灵敏度，采用双频调制技术和数字信号处理技术，即通过一个几赫兹的锯齿波调制激光器的输出波长，同时以一个几千赫兹的小振幅正弦波调制激光器的输出频率。到激光波长扫描时，探测输出信号的一次谐波的振幅。由十激光输出功率随激光电流}fu被调制，因而在没有吸收信号时存在残余振幅调制(RAM)信号，对于输出功率与注入电流呈线性关系的理想二极管激光器，谐波的残余振幅调制信号是0，实际上，二次谐波探测也存在着一些RAM，但它比1f探测要小许多，因此二次谐波探测要比if探测信号获得更高的信噪比。本方法有下列优点:首先，尾气的绝对百万分含量可以通过非线性最小二乘法拟合得到，不需要进行定标，具体的百万分含量与绝对光谱数据(如HITRAN数据库)的关系密切。其次，由于线形函数的形式在理论上来说是已知的，该含量在给定样品的压强和温度的情况下可以计算出来。当周围的压强和温度变化较快时，这一点就显得极为重要。最后，直接得到的吸收光谱在光谱分辨率方面没有降低，这对十分析较复杂或存在重叠现象的光谱时非常重要。 (3)差分吸收激光雷达(DIAL)技术 差分吸收激光雷达的基本概念是最先用激光雷达测量大气水汽空气分布时提出，最早用十测量大气污染成分NO2。随着各种可调谐激光技术的发展，DIAL技术得到逐步发展和应用。激光差分雷达技术是利用大气本身的后向散射回波来进行测量的。大气的气溶胶的Mie后向散射截面较大，回波强度较强，易十接收测量，可 以实现很高的距离分辨率，具有大范围实时的特点。测量光程可达几十公里，主要是对大气平流层、对流层的痕量气体成分进行测量。DIAL技术 已成为测量气体分子浓度空间分布的一种有力工具，不过差分吸收雷达系统复杂，成本高。它要求光源脉冲功率高、脉宽窄、可调谐。DIAL激光雷达发射出波长相近的两束激光，波长为凡二的激光被待测气体较强烈吸收，待测气体对另一相近的波长兄袱吸收很小或没有吸收，由这两个波长的散射回波强度差异可以确定待测气体分子的浓度 DIAL技术成功地对O3、SO2、C12、CO、NO2、Hg以及红外波段的水蒸气进行了测量。采用的激光器有Nd: YAG(1064、532、355、 266 nm)，准分子(249、308、 351 nm)，染料1激光器(400～1000 nm), Ti: S激光器(670～1000nm}, CO2激光器(9～11μm)和二极管激光器(63 0 nm～30μm)，紫外波长可以通过合适的倍频晶体得到。虽然有些气体分子在紫外有吸收，但除了C12和Hg以外还不能用DIAL技术测量。子级联二极管激光器(3～13μm)能以脉冲方式高重复频率工作，不需要冷却，代替了过去的铅盐激光器，已经用于在扰动较大的光程中探测低于1ppm/m的痕量气体。DIAL系统常运用于空基平台，美国宇航局研究中心1994年开展了雷达空间技术实验，并且近来更新了空基臭氧和水汽的DIAL系统，对臭氧、光纤激光打标机水汽、气溶胶和云进行常规大气测量，收集了许多有价值的全球大气资料。另外，星载DIAL系统连续监测全球大气的研究已在进行中。表2-1比较了四种光谱技术的基本性能。 紫外到可见波段的差分吸收光谱学(DOGS)技术自20世纪80年代德国海德堡大学环境物理研究所的Platt教授提出了差分光学吸收光谱的思想后，DOAS广泛用于大气环境监测。该技术适用十在紫外和可见波段范围内有吸收特征光谱的污染气体，监测标准污染物O3,NO、SO2和芳香族有机物苯，甲苯，间、邻、对一二甲苯，甲醛等，测量的种类仅限于对该波段窄吸收的气体成分，但其对于大气平流层中的易反应气体OH, NO3和HONO十分有效。DOAS给出光程平均浓度，其探测极限很低(<ppb)，并且.多种气体成分可同时监测。差分光学吸收光谱技术是根据大气中痕量气体成分在紫外和可见光谱波段的特征吸收性质来反演其种类和浓度的。 由于以下原因无法将比尔定律直接应用于大气污染物的监测:除了微量气体吸收以外，分子和气溶胶的散射引起的消光，尤其是气溶胶引起的消光很难精确计算;一些气体的吸收造成了总的吸收，因此不能只测量一种气体;光源光强Iο(λ)的光谱结构随时间不是恒定的，长程测量时人造光源氮灯的线状谱强度与所发射的弧光有关;另外在浓度反演时，要考虑所测量的污染物的光谱和污染物吸收截面光谱的匹配，否则测量的波长的采样点数和实际波长将引起光谱特征的失真。由于DOAS方法测量的是一段吸收光谱带，因此可以分开不同气体的不同吸收结构，也可以区别气体和气溶胶的散射，光源的发射特征可以通过同步测量光源将其去除。探测器的光谱特征可通过数字滤波及一些算法来减少。DOAS原理的关键是区分慢变化光谱(由于光源光谱和散射引起)，快变化光谱(污染物吸收光谱)，及噪声(光电子噪声和不感兴趣的窄带吸收特征)等几部分。用滤波函数，表示为 特定气体连续的吸收截面被分为随波长变化慢的，随波长变化快的及高频的，即吸收截面慢变化http://www.goldlaser.cn/rtvhttp://www.goldlaser.cn、快变化和高频变化门限的定义取决十波长采集的间隔和宽度，以及其他一些要被滤除的光谱的宽度。更进一步的分析必须要找到最好的滤波函数。一般来说要把气体吸收信号的噪声降到最低，找出浓度的最小均方差。把高通和低通滤波引入到光谱中。数字化后应用多项式拟合、二角平滑和Savitzky-Golay平滑。 DOAS计算中，要使大气光谱和灯的参考光谱与差分吸收光谱库的拟合满足有最小方差。这个过程中便确定了浓度。在浓度反演之前，将测量到的信号光谱经过平移、压缩或拉伸、滤波、多项式拟合等一系列的处理之后，可以认为是只含有各种分子的差分吸收之和和噪声的光谱。由于其中包含了多种分子的差分吸收，为了同时反演它们的浓度，可以使用最小二乘法，通过数据拟合的方法来实现浓度反演。

本文共分 1 页