差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的分析

前言

隨著人們環保意識水平的不斷提高，構建準確的監測系統對環境情況進行有效監測，是現階段加強環境控制的重要實現途徑。本文就差分吸收光譜反演方法的原理及其在環境監測系統中的應用模式進行分析，探討差分吸收光譜在環境監測過程中的作用機制。

差分吸收光譜反演方法是大氣質量監測工作中的常用方法，能夠很好地測定大氣環境中二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等空氣質量指標的濃度水平，幫助環保工作者制定相應的減排計劃，降低有害氣體濃度，進一步改善大氣環境質量。因此，探討差分吸收光譜反演方法的原理，使該反演方法更好地應用于環境監測系統，在現階段的時代背景下具有重要意義。

差分吸收光譜反演方法的原理分析

理論基礎

差分吸收光譜（DOAS）技術的實現基礎是大氣中不同氣體分子，在紫外光波段和可見光波段內的特征吸收光譜。DOAS技術通過利用濾波技術，去除大氣光波圖譜中變化速率小的部分光波，篩選出不同污染氣體的特征吸收光譜，并根據光譜結果分析鑒別氣體的種類及其對應的大氣濃度。

差分吸收光譜反演是指，將DOAS技術所得的氣體類型及其濃度與實驗室內經相同濾波處理的標準光譜進行擬合，反演計算方法以最小二乘法為主。

差分吸收光譜的應用優勢

相較于其它監測方法而言，差分吸收光譜應用于大氣環境監測的優勢主要表現為以下幾個方面。

第一，差分吸收光譜能夠在同一波段條件下，同時測定多種不同氣體的濃度水平，監測人員可通過調整光柵，很好地實現對多類型污染氣體濃度的準確監測，具有較高的監測效率。

第二，差分吸收光譜的濃度計算依據主要是氣體的差分吸收截面面積，對氣體濃度具有較高的敏感度，在恰當的波段條件下，其測量濃度的最低限制＜1×10-4mg/m3，應用價值較高。

第三，差分吸收光譜屬面測量范疇，其氣體測量范圍包括光源到接收器間的所有氣體，相較于點測量方法而言具有更高的測量準確率。

因此，將差分吸收光譜反演技術應用于大氣環境檢測系統，不僅可提高測量效率、簡化工作步驟，還能更好地確保測量結果的準確性，對于大氣環境實時監測工作的順利開展意義重大。

在環境監測系統的應用方面

常規應用模式

濃度反演的主要設備包括氙光源、角反射鏡、掃描儀、光譜儀及計算機等。應用DOAS技術進行氣體濃度的測算過程中，存在瑞利散射或其他光散射現象的干擾，干擾因素會導致光學厚度的變化速率降低，形成低頻寬譜。

差分吸收光譜法的監測目標是分子吸收效應而產生的高頻窄譜，獲取結果受到低頻寬譜的影響較大，因此應利用濾波技術消除低頻部分光譜。在將實際監測光譜與實驗室光譜結果進行擬合時，往往會受到殘余光譜的影響而表現出較大誤差，此時可將所得光譜進行平移、拉伸等，達到減少甚至消除殘余光譜的影響，然后再進行光譜擬合，確保濃度反演結果的真實性。其具體算法如式①：

通過上述公式及其它相關技術，能夠準確測算出大氣中多種污染氣體的實時濃度。由此可知，差分吸收光譜反演技術對于大氣環境監測具有較高的應用價值。

應用實例分析

為了更深刻地認識到差分吸收光譜反演技術的應用價值及其具體應用方法，現以甲醛為例，利用DOAS技術對大氣中的甲醛氣體進行濃度反演。

首先應分析甲醛氣體的分子吸收軌道，確保DOAS測量儀器上的測量波段涵蓋所有甲醛氣體分子的能級躍遷情況。其次，利用氙燈光源進行照射，并應用濾波技術及最小二乘法等技術消除氙燈光譜與大氣散射產生的干擾，進一步提高測定結果的準確性。第三，消除甲醛有效波譜段范圍內其他氣體的分子吸收高頻光譜，包括一氧化氮、二氧化硫等；若無法徹底消除，應先對其他干擾氣體進行濃度反演，再對甲醛氣體的分子吸收光譜進行實驗室擬合，通過濃度反演途徑，即可得出準確的甲醛濃度。

反演方法的不足及改進

分析甲醛氣體的濃度反演過程，可知其反演結果出現誤差的幾率較大。現就濃度反演過程中的誤差因素進行研究，并提出相應的改進措施。

誤差產生的原因

（1）DOAS技術的實驗室誤差。這一誤差主要來自于光譜儀，光譜儀的色散率直接影響到甲醛光譜中其它干擾氣體的消除結果。實驗室內的光譜儀往往表現為色散率分布不均，使干擾氣體未能徹底清除，使氣體的濃度反演結果出現較大誤差。

（2）擬合算法的誤差。有研究表明，最小二乘法在具體應用過程中的誤差為9%～13%。在應用最小二乘法進行濃度反演時，算法的自身誤差會影響濃度計算結果的準確性，造成較大誤差。

（3）氣體吸收截面的誤差。由于甲醛氣體分子在不同環境下，其光譜吸收截面存在較大差距，導致比對光譜的偏差，使氣體的濃度反演結果出現誤差。

（4）外部環境的誤差。外部環境包括溫度、噪聲等，溫度會對氣體的吸收譜線產生影響，溫度過高會導致譜線截面增大，溫度過低則會使氣體光譜截面縮小，使計算結果產生偏差。噪聲包括電噪聲和光噪聲兩種，二者均會對氣體濃度反演結果產生影響，使測量結果出現誤差。

改進方法

針對上述誤差原因，可從以下兩方面對差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的應用模式進行改進。

第一，可在儀器的正常工作溫度范圍內選取3條等間隔分布的吸收截面，并在DOAS儀器的數據庫中儲存與之相對應的參考光譜吸收截面，達到消除誤差的目的。

第二，可從設備的性能角度進行改進，包括：光譜儀的結構優化，以減少內部透光度，降低光噪聲；使用更高性能的攝譜元件，最大限度地縮短光譜測量時間，降低大氣波動對測量結果造成的干擾，減小誤差。

第三，對氣體濃度進行多次測量，將多次測量結果進行疊加平均，取其平均值作為濃度反演的數據結果，也可在一定程度上減小誤差。

結語

綜上所述，高效、準確的環境監測系統對于更好地開展環境保護具有重要意義。差分吸收光譜反演方法能夠更精確、更高效、更敏感地測定環境中污染氣體的濃度水平，為針對性氣體減排措施的實施提供重要依據。因此，環保監測技術人員在工作實踐中應積極應用差分吸收光譜反演方法，盡量規避可能的誤差因素，精確地測定大氣中各種污染氣體的濃度值，進一步提高環境控制水平。