大气环境高灵敏光谱探测技术(2)
FTIR在红外光谱分析方面有着明显优势,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,没有分光元件,如光栅或棱镜;可以对多种分子进行同时测量。主要用于大气中痕量气体以及特定区域中污染气体的测量。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。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测量高纬度大气层的浓度变化情况。
图3 傅里叶变换红外吸收光谱仪基本结构
1.3 LIDAR技术
LIDAR是以激光为光源,通过探测激光与大气相互作用的辐射信号来遥感大气。光波与大气的相互作用,会产生包含气体原子、分子、大气气溶胶粒子和云等有关信息的吸收/散射信号,利用相应的激光雷达反演方法就可以从中得到关于气体原子、分子、大气气溶胶粒子和云等大气成分的信息。因此,激光雷达技术基础是光辐射与大气成分之间相互作用所产生的各种物理过程。目前的激光雷达技术可以测量大气中的气溶胶、臭氧、水汽以及温度等大气参数的垂直廓线信息。
米散射激光雷达是应用最广,也是发展历史最久的一种激光雷达系统,主要利用气溶胶的后向米散射回波来探测气溶胶消光系数或后向散射系数的分布。这种激光雷达系统已被广泛应用到对流层和平流层气溶胶光学特性时空分布的测量中。如图4所示,散射激光雷达涉及激光、光学与机械、电子以及计算机控制等技术,一般由激光发射系统、光学接收系统和信号检测系统3部分组成。这种激光雷达系统已被广泛应用到对流层和平流层气溶胶光学特性时空分布的测量中。常用的激光波长为钇铝石榴石激光晶体(Nd:YAG)的2倍频输出532 nm的绿光, 探测范围可以从近地面至平流层30 km高空,尤其是它能够进行对流层中低层气溶胶的测量。
米散射激光雷达发展比较早且比较成熟,系统结构简单,现在已向小型化和商品化发展,在大气环境及气溶胶相关的气候辐射等领域具有广泛用途。目前这类激光雷达正在向空间平台发展(机载、航天飞机载及星载等),并且已形成地基、机载和星载多平台的气溶胶激光雷达探测技术及系统,用于监测全球大气气溶胶和云的空间分布探测。
图4 激光雷达系统结构原理
2 大气环境高灵敏光谱探测技术的典型应用
大气环境高灵敏光谱技术在污染源、工业园区、空气质量以及区域污染等监测方面都有很广泛的应用。
2.1 化工园区污染气体综合立体监测
中国化工园区数量与日俱增,园区化已成为中国化学工业发展的一个大趋势。化工园区内企业相对集中,化学品种类繁多,化工工艺多元,污染状况非常复杂。污染源排放的NOx、SO2、挥发性有机物(VOCs)等都是重要的一次污染物,在光化学反应下对环境颗粒物和臭氧形成有重要影响[9-12]。面对当前化工园区复杂的环境污染问题,及时、准确地掌握化工园区污染状况,可以有效地为化工园区的大气污染治理提供支撑。
由于化工园区工业污染排放的多来源及多组分,需要多种大气环境高灵敏光谱探测技术协同配合。开放光路FTIR系统实现了对园区大范围面积VOCs的污染监测;长光程DOAS系统实现了对苯系物、氨(NH3)以及恶臭等有毒有害气体的监测;便携式红外、紫外系统通过走航实现对园区污染物分布监测;移动紫外、红外被动遥测系统,实现了对园区VOCs、SO2、NO2、NH3等源排放的成像探测,以及污染分布及排放通量监测。集成基于上述多种技术手段形成的化工园区工业排放监测技术系统见图5,满足了包括有毒有害有机物在内的多种复杂气体组分的监测,以及园区工业污染的多种工业排放方式(气体泄漏、无组织排放、烟气排放、厂区等)的现场快速监测见图6。
图5 “点-线-面”立体监测应用示意
图6 污染物空间分布
2.2 区域大气污染地基立体网观测
国际上通常采用地基、机载以及星载平台来进行大气成分的时空分布探测,地基平台遥感对于近地层的信息更为敏感。目前主要地基观测网有大气成分变化监测网络(NDACC),全球气溶胶监测网络(AERONET),欧洲气溶胶雷达观测网(EARLINET)、德国对流层大气观测网(BERDOM)等,对包括温室气体、痕量反应性气体以及气溶胶等成分的垂直分布进行探测。目前我国也开展了地基激光雷达以及多轴差分吸收光谱系统的研究型网络监测。
文章来源:《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0211/361.html
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