差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的研究

冉海林

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

【關鍵詞】差分吸收光譜；環境監測系統；反演

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

1 差分吸收光譜法的原理

差分吸收光譜的監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。通過濾波技術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驗室的標準參考譜，將光衰減與標準參考譜進行最小二乘擬合，最終通過反演測量氣體濃度。環境檢測系統中的差分吸收光譜反演方法所應用的理論過程也是如此。

2 差分吸收光譜法的特點

差分吸收光譜法之所以成為目前環境監測系統中的“主力”，這與它極具增異效果的特點有著必然聯系。差分吸收光譜法具有三大特點：監測對象多樣化、測量面積廣闊、使用便捷，應用廣泛。

大氣中存在的已知成分與未知物質幾乎都能通過差分吸收光譜反演方法被監測，對于大氣中的未知物質，差分吸收光譜反演方法也能夠對其進行監測。差分吸收光譜法針對大氣某一種或幾種氣體的監測時，它能夠根據監測需求調整監測距離，最遠可從監測點延展至幾千米之外進行氣體監測。差分吸收光譜方法應用的廣泛性也是它的一大特點，因為當差分吸收光譜法監測距離達到極限時，它廣泛的應用性能夠對測量距離進行延展，換言之，差分吸收光譜應用的廣泛性無形中加大了監測系統的覆蓋面積，這對大氣化學變化以及污染物質的相互轉化規律的研究有著重要意義。

3 差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的應用

3.1 差分吸收光譜反演方法的實驗裝置

差分吸收光譜反演方法雖然能夠有效監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驗裝置才能滿足差分吸收光譜反演方法應用的需求，具體實驗裝置需要以下幾種：氙燈光源、角反射鏡、掃描儀器、望遠鏡、光譜儀、電腦以及2歌氣體樣品池。由于需要監測的氣體可能不止一種，而是很多種，也有可能有些需要監測的氣體不用差分吸收光譜方法就監測到，當然也有可能存在只有差分吸收光譜方法才能監測到的氣體，所以，在對實驗裝置進行選擇時，應當結合被檢測氣體的實際情況和需求條件對裝置設備進行合理的選擇與調整。

3.2 應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測大氣時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行區分。米散射與瑞利散射會導致光學厚度的變化隨波長緩慢，此類光譜稱之為“寬帶光譜”；分子吸收特性會導致光學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”是監測反演的最終目的。為此，需要對“寬帶光譜”給予波除，此時，對“窄帶光譜”進行計算時，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”實質上就是差分吸收光譜。

受殘余光譜影響，濃度反演會使結果出現誤差，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”的基礎上才能實現，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確的反演出來。

3.3 差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的實例分析

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行監測。根據甲醛的份子軌道形式，在進行波段的選擇時，需要考慮到份子躍進。這時可以發現，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據的準確性，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。當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，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，而這就是導致甲醛反演濃度出現誤差的根本原因。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，通常約為擬合統計誤差的3倍。從本次案例的分析中可以發現，差分吸收光譜反演方法在環境監測系統的應用中雖有著種種優勢，但實踐應用過程中，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境監測系統中的應用效果需要技術的支撐才得意實現，如果僅依靠該技術方法，而不去提高操作技術，是難以保障反演數據的準確性的，當然，這并不意味著差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中難以應用，如果操作人員的專業技術能夠駕馭差分吸收光譜反演方法，它將成為環境監測系統中無以匹敵的利器，為人類自身與大氣保護工作做出巨大的貢獻。

4 結束語

為了避免大氣環境受到更一步的惡化，對大氣中的污染物質進行監測是非常必要的。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境監測系統中的種種優勢。在應用差分吸收光譜反演方法時，首先要對它的原理和反演過程進行了解，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，文中也交代了對應策略，如濃度反演擬合?？傮w來說，就大氣環境監測系統而言，差分吸收光譜法無疑發揮著巨大的作用。盡管差分吸收光譜法的增益效果顯著，但面對大氣環境如此嚴重的破壞，很難做到力挽狂瀾。要想在這場名為“大氣環境保衛戰”的戰役中取得勝利，人們還需要更多的努力才能實現。

【參考文獻】

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

[責任編輯：楊玉潔]