小型化環境污染氣體監測系統的建設和應用

摘要：隨著工業與交通運輸業發展加快，環保已成為新世紀發展的主題。為對空氣中污染物進行大范圍連續監測，在卡瑟格林望眼鏡系統基礎上，提出便攜式大氣質量監測系統。分析現有DOAS空氣監測系統的工作原理，提出新型監測系統。具有結構簡單，體積小便攜性好等優點。對標準收截面采用插值方法，得到差分吸收光譜中包含高頻噪聲，采用小波變換軟閾值去燥法去除高頻噪聲。

關鍵詞：環境監測;差分吸收光譜技術

中圖分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）12-0-02

Abstract：With the acceleration of the development of industry and transportation，environmental protection has become the theme of development in the new century.In order to continuously monitor pollutants in the air on a large scale，a portable air quality monitoring system is proposed on the basis of the Catherine Lookout system.Analyze the working principle of the existing DOAS air monitoring system and propose a new monitoring system.It has the advantages of simple structure， small size and good portability.Interpolation method was adopted for the standard cross section to obtain the high-frequency noise included in the differential absorption spectrum.The high-frequency noise was removed by wavelet transform soft threshold de-drying method.

Key words：Environmental monitoring;Differential absorption spectroscopy

工業發展為大氣環境帶來了危害。我國二氧化碳排放量居世界第二，大氣質量符合國家二級標準的城市不到1%，60%大氣環境指數未達到國家標準。大氣污染為人類生存帶來了嚴重危害。大氣污染物種類有很多，按大氣污染物存在狀態可分為氣溶膠狀態與氣體狀態。大氣污染物對人體健康帶來巨大的危害，導致形成酸雨，嚴重危害農作物與森林。大氣中主要污染物包括二氧化硫，氮氧化物等。大氣監測是大氣污染治理的首要任務。對污染物進行實時監測十分必要。

1 大氣污染監測

空氣質量是評價城市環境的重要方面，大氣環境檢測日益受到科技工作者的關注。大氣質量監測方法按其測量原理可分為化學與光譜測量法。

1.1 現有空氣質量監測方法

化學檢測技術在檢測痕量氣體中具有重要作用。化學檢測方法應用廣泛，主要包括氣相色譜技術，化學發光檢測技術，激光誘導熒光技術。色譜法是使難以測得的混合物分離的技術，色譜法原理是利用不同物質在不同狀態的選擇分配，不同物質以不同速度沿固定方向移動達到分離效果。

傳統空氣污染物檢測儀器通常僅限于單點測量，光譜遙感技術具有連續實時檢測等優點，現代光譜檢測技術有差分吸收激光雷達技術，傅里葉變換紅外光譜技術，可調諧半導體激光吸收光譜技術等[1]。

1.2 差分吸收光譜技術

光譜技術已成為大氣污染檢測的主要手段。DOAS技術憑借原理簡單，響應時間短等優點，吸引了大批專家學者對其進行科研。成功應用在固定污染源排放監測等領域。

20世紀80年代初Noxon首先提出DOAS技術雛形，此后，DOAS技術被廣泛應用于空氣污染檢測等領域。我國目前使用的DOAS系統基本靠引進國外技術設備，國內很多科研機構對DOAS技術進行了深入研究。

DOAS技術測量范圍長，不需工作人員在現場實時看管，直接對大氣進行監測，不需采集大氣樣品，小區域范圍內的干擾對氣體結果的準確性影響不大。對一些濃度低的痕量氣體可檢測出來。

2 小型化DOAS系統的研制

空氣中污染氣體濃度隨氣象條件不同發生變化，采用點式測量儀器不能連續檢測污染物變化情況，研制連續工作的大氣自動檢測系統十分必要。

2.1 DOAS技術原理

20世紀80年代，美國，瑞典等國家研制了長光程DOAS系統，主要采用Cassegrain望遠鏡與牛頓望遠鏡結合的結構。傳統望遠鏡系統有一些缺點，光源發射端在前端，使得望遠鏡系統結構體積龐大，不便移動，采用兩面平面發射鏡完成光線發射接收，光能利用率降低。

基于卡塞格林望遠鏡基礎上，采用光纖束完成光線的發射接收。新型DOAS系統主要采用具有公共端的光纖束組成，主要包括精密的球面鏡與橢球面反射鏡。利用系統進行空氣質量檢測有很多優點。望遠鏡結構由托球鏡與球面反射鏡組成，避免了傳統系統兩面平面鏡相互遮擋造成光能損失。望遠鏡微調旋鈕與主鏡連接，調節主鏡位置，能方便實現平行光的出射。

DOAS系統工作中，氙燈發出光經入射光纖進入望眼鏡系統，光線被返回后被出射光纖接收導入光譜儀。對接收光進行分光，CCD將光信號轉換為電信號，輸入計算機進行數據存儲，得出被檢測氣體濃度[2]。

2.2 DOAS系統主要光學元件

DOAS系統光學部分主要包括望遠鏡系統、光譜儀、角墜棱鏡等。光源選擇主要根據波長區間，能同時監測SO2，O3氣體。工作范圍為250～450mm屬于紫外-可見光譜區域。

DOAS系統選擇光源時，工作波段需要光譜變化小，要求光源輻射強度隨波長變化緩慢變化。DOAS系統對污染氣體需要進行連續監測。選擇Hamamastu公司的高壓短弧氙燈作為系統光源，氙燈需高壓觸發，可采用直流電源供電。根據氙燈放電弧長小的優點，將其視為點光源。氙燈光譜波長范圍為220～2200nm。使用的橢球面反射鏡內表面鍍有紫外高反射膜，能投射其余波段的光。調節光路時，避免紫外光灼燒眼睛。

望遠鏡系統采用發射器裝置為同側雙光程排列方式，主要由精密球面反射鏡與托球鏡組成。最外層為發射部分，主鏡中間為光路接受部分。返回的光束嚴格按入射方向精準返回，望遠鏡左端橢球鏡主要作用是反射從光纖中發出的光，石英玻璃位于望遠鏡筒最前端，主要作用是防止濕氣等進入光學系統。

傳統DOAS系統光束接收位置位于望遠鏡結構異端，選擇具有公共端的光線束完成光能量發射接收，入射光纖固定在光源聚焦位置，公共探頭包含不同的光纖束，氙燈發出的通過入射光纖進入望眼鏡系統，另一束是接收望遠鏡系統的反射光。兩束光纖探頭隨機排列。

3 差分吸收光譜算法的數據處理

DOAS技術測量痕量氣體濃度結果準確性受很多因素影響，通過比較選擇合適的數學處理方法。在DOAS算法中包含對參考光譜的處理，從數據庫中得到標準吸收截面不能直接參與計算。對標準吸收截面進行插值運算。對得到的差分吸收厚度進行最小二乘擬合，選擇不同波段進行反演計算。

3.1 標準吸收界面處理

反演痕量氣體濃度時，高精度標準吸收截面使用非常重要。通常采用德國Max Planck化學研究提供的數據，數據庫中標準吸收截面分辨率高，得到吸收光譜不能達到與標準吸收截面相同的分辨率。

采用標準吸收截面進行卷積的方法，卷積是系統輸入輸出的關系，在所求譜線波長范圍內，取汞等譜線。標準汞燈譜線脈沖接近0，可視為沖擊函數，實際處理中，用高斯函數擬合汞燈譜。實際測量中的汞燈譜不便計算。

光譜樣條插值是根據一組已知數據點，在多項擬合中，保證每組相鄰樣本數據。光譜插值法中，標準吸收截面分辨率高，可認為相鄰數據不會出現突變，得到與吸收光譜相同的分辨率。對標準吸收截面進行三次樣條插值，反演氣體濃度。采用間隔為0.01nm時，氣體濃度誤差值小。保證得到的吸收截面與吸收光譜有相同的分辨率。

3.2 查分吸收光譜分離

吸收光譜分離中，重要的是能準確分離快變化部分，合理選擇窗寬，擬合吸收光譜中的慢變化。分離得到的差分吸收光譜中存在砌體的特征吸收，采用濾波方法去除差分吸收光譜中的噪聲。

差分吸收光譜技術關鍵步驟是提取原始光譜中快變換部分，目前使用多項擬合方法對慢變化擬合不夠充分，采用Savitzky-Golay數字平滑濾波技術。通過移動窗口，利用最小二乘法擬合。

使用濾波器時，關鍵是確定窗寬與窗內擬合階數主要參數，窗寬壓足夠大，過大會造成多項式無法今個擬合慢變化的部分。窗內多項式擬合次數要足夠高。擬合得到低頻部分波峰與波谷。過高會擬合快變特征的波峰部分[3]。

利用濾波方法擬合慢變化反演到最大誤差為3.45%，多項式方法不能充分擬合吸收光譜的慢變化部分，數字濾波只要選擇合適的窗寬，即可充分擬合光譜中的慢變化。得到精確的差分吸收光譜。

光譜儀光柵會隨溫度發生微小熱脹冷縮，機械振動等因素引起測量光譜位移，卷積后吸收截面與實測吸收光譜波長不完全溫和。波長為λi時，對應譜線第i測量點。對應標準吸收截面的可能是第j點，擬合按照對應點進行，得到結果存在很大的誤差，需對測量光譜進行平移處理。

4 實驗及系統評價

采用樣品池實驗對研制的DOAS系統進行標定，用標準氣體通過高純氮氣進行稀釋，將不同濃度的標準氣體通入樣品池，用DOAS系統進行監測。采用樣品池長度為300mm，兩端是JGS2材質的石英玻璃，為避免密閉操作帶來的誤差，采用流動氣體的方式，保證氣體流量穩定，氣體流量過大，會影響實驗穩定性。

采用實驗室自行研制的氣體分割器，將標準氣體SO2氣體分為不同濃度的氣體，緩慢通入樣品池中，測量5次求平均值后存儲在計算機中。SO2氣體吸收主要集中在280～320mm處，對測量光譜采用7階79點S-G濾波方法擬合慢變化部分，對差分吸收光譜進行去燥處理。差分吸收光譜吸收強度隨氣體濃度升高，將差分吸收截和差分吸收光譜面進行最小二乘擬合反演氣體濃度。不同濃度的SO2氣體測量幾乎為一條直線，說明DOAS儀器有很好的線性度。

5 結語

本文根據差分吸收光譜原理為主要研究內容，提出新型光纖收發一體的DOAS系統，對測量結果影響因素進行分析。詳細分析了DOAS技術基本理論，新型DOAS系統采用雙程排列方式，系統成本低，簡化了系統結構，具有體積小便攜性好，結構簡單等優點。采用Savitzky-Golay濾波技術分析吸收光譜中快變化部分，最大誤差為4.2%。使用濾波技術能提高測量精度，提高了氣體反演精度。

參考文獻

[1]侯艷霞.基于DOAS的小型化環境污染氣體監測系統研究[D].天津：天津大學，2012.

[2]李淑云.移動式微型污染氣體監測系統的設計[D].青島：山東科技大學，2011.

[3]楊秀艷.光譜法污染氣體監測系統設計及實驗研究[D].天津：天津大學，2005.

收稿日期：2019-09-30

作者簡介：賀萬興（1967-），男，漢族，本科學歷，工程師，研究方向為環境監測和環境執法。