大氣污染物遙測技術綜述

摘要：本文綜述了國內外遙測大氣污染的研究現狀，介紹了大氣污染物遙測的多種方法及特點。對各種方法存在的問題和大氣污染遙測技術的發展趨勢進行了討論，指出在大氣污染物監測領域中主被動相結合、各種數據處理方法相融合是今后大氣污染物遙測技術的重要研究方向。

關鍵詞：遙測 大氣污染物 激光雷達

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0158-01

隨著工業的發展，城市的環境污染問題越來越嚴重，大氣污染更是主要問題。大氣污染指人類活動和自然過程造成某些物質進入大氣，達到一定濃度，對人體產生了危害。遙測技術具有監測范圍廣、速度快、非接觸，且便于進行長期的動態監測等優勢，是傳統方法不可比擬的。它不僅可以快速、實時、動態、省時省力地監測大范圍的大氣污染，也可以應用于突發性大氣環境污染事件的監測，在一定的技術改裝的條件下，還可以應用于化學戰劑的識別與定量。因此，大氣污染的遙測技術已經成為大氣污染監測的重要手段。

1 大氣污染遙測技術

1.1 差分光學吸收光譜技術

差分光學吸收光譜技術針對大氣中污染氣體存在特征吸收波長為基礎，通過特征光譜計算污染氣體濃度的。差分光學吸收光譜技術已應用于大氣污染的監測中。George Mount等人[1]在WSU農場利用DOAS技術在溫度為11～21°的條件下，對NH3、SF6進行了監測并得到30～75μg/m3的檢出范圍；John G.Murphy等人[2]采用多光路可調諧激光結合線陣CCD、望遠系統實時監測大氣污染，并成功應用于工業廠房污染監測系統中；中國科學院安徽光學精密機械研究所劉清文，謝品華等人[4-7]一直從事該項技術的研究與應用，先后應用DOAS方法對SO2、NO2、NO、NH3、單環芳香烴有機物做出測量，實驗值與實際值有較好的吻合；廈門大學物理學系周海光，陳波等人[8，9]利用DOAS技術監測大氣污染物NO2在廈門地區的分布及其濃度。

1.2 差分吸收激光雷達技術

激光雷達（Lidar）是主動光學遙測的。在大氣遙測中，差分激光雷達技術（DIAL）是通過兩波長不同的激光作光源，沿著同一途徑交替傳輸，被監測的氣體對一束光強烈吸收，而另一束幾乎不吸收；因光受顆粒散射的截面大小主要由光的波長決定，氣體分子和氣溶膠對這兩束光具有基本相同的散射能力，因此，獲得這兩束反射光的強度差即可確定氣體的平均濃度。當激光照射在待測云團時，按其散射種類不同，又有其不同的探測機理與范圍，米氏散射常用于氣溶膠的檢測；瑞利散射可以應用于空氣分子的檢測；熒光散射可用于氣體密度檢測；拉曼散射的有效截面為10-29～10-30cm2/s，雖然拉曼散射有效截面最小，較難探測，但其也有其它幾種散射不具備的一些特殊特性，其中，水蒸氣對拉曼光雷達幾乎沒有影響是其最大的優點。Vladimir M.Klimkin等人采用了拉曼激光雷達技術監測大氣污染；Parviz Parvin等人[16]采用紫外激光雷達遙測了工業廠區羽狀污染物，并建立了下風向污染物分布趨勢的模型。

1.3 傅立葉變換紅外光譜技術

在大氣污染遙測中采用的傅立葉變換紅外光譜技術都是開路傅立葉變換紅外光譜技術，由于FTIR技術在定性及定量分析上有著非常卓越的能力，適用于測量污染氣體的成分及濃度。傅立葉變換紅外光譜技術也常常分為時間掃描調制與靜態調制兩類。時間掃描調制的干涉具主要包括依靠精確機械移動掃描型的。傅立葉變換紅外光譜遙測技術在大氣污染監測中被廣泛應用。拉曼光譜法是用激光激發產生的拉曼效應來檢測處于紅外區的分子的振動和轉動能量，它是一種間接的檢測方法。F. Keilman等人應用靜態FTIR技術監測大氣污染，其用相關光路技術提高精確度，并通過相關實驗證明。

1.4 微波光譜檢測法

微波光譜檢測法是采用頻率在300GHz～300MHz的電磁波（即波長在100cm至1mm范圍內）做輻射源，對得到的光譜圖進行分析，監測大氣污染的種類及濃度。采用微波探測的研究中，還有許多微波為基礎演化得到探測方法。

國外應用微波技術結合光譜分析（FT-MW）遙測化學戰劑、生物戰劑的實驗較多，在大氣污染監測中只見到用于污染云團邊界輪廓探測的報道。Robert R.Bousquet等人采用FT-MW技術分析了常見的幾種化學戰劑，并給出其最低檢出限；2002年，J. Kiel等人采用微波技術監測生物戰劑。大氣污染監測的實驗國內未見報道。

2 存在的問題及其展望

DOAS技術可以獲得多種氣體污染物的平均濃度，但它只能對具有窄吸收光譜特征的分子進行濃度測量，并且掃描過程時間長；掃描光譜范圍小，限制了監測氣體的種類。DIAL技術具有空間分辨率高、測量光程長，可大范圍監測等特點。但系統復雜，需要脈沖激光，成本高。FTIR技術對環境模型的依賴性高、需要建立所有待測氣體的光譜數據庫，并且提供完善的算法；并且采集到的光譜數據不具備三維延展性，這個缺點取決于其探測原理，無法與DIAL相比。微波技術因波段特性決定其主要應用于化學、生物戰劑監測。但由于可探測大范圍，長距離的大氣邊界，常用于描述大氣污染范圍，確定大氣污染邊界，對特定污染物定性定量比較少見。

目前，大氣污染遙測技術正從少數幾種污染物的靜態監測，向多種污染物的實時、動態監測過渡。從對少量污染物特征光譜的描述反演大氣污染，向超光譜多波段全面定量分析各種大氣污染物過渡。為了可以高速、實時地獲得寬波段的光譜信息，多種方法聯用技術是多組分大氣污染物定量的必然趨勢。

參考文獻

[1] George Mount， Brian Rumburg， Brian Lamb，et al.DOAS Measurement of Atmospheric Ammonia Emissions at a Dairy[J].NSTL，2001，10：1-15.

[2] John G.Murphy，Stephen O Driscoll， Niall J.Smith.Multi-Path DOAS for Tomographic Measurements [J].SPIE，2003，4876：875-885.

[3] 賀應紅.Mle散射激光雷達實驗系統設計與大氣消光系數反演方法研究[D].四川：四川大學，2004.

[4] 謝品華，劉文清，鄭朝暉，等.差分光學吸收光譜（DOAS）技術在煙氣SO2監測中的應用[J].光子學報，2000，29（3）：271-276.