大气污染光学遥感技术及发展趋势(2)
2.1.1 DOAS技术
DOAS技术最早由德国Heidelberg大学环境物理研究所的PLATT教授在1977年提出,主要是利用吸收分子在紫外到可见波段的特征吸收来研究大气层(平流层、对流层)的痕量气体成分(CH2O、O3、NO2、SO2、Hg、NH3等),见图1。1982年,DOAS技术首次被用到了气球上,进行NO2的分布研究[21]。1985年首颗卫星DOAS被用于监测全球臭氧的变化[22]。如今最前沿的DOAS技术已与以前的技术有了很大的差别,包括用太阳光、天空散射光作为光源(被动DOAS),大气垂直廓线测量,星载DOAS测量技术以及运用多束光线组成的DOA-断层扫描技术,来获得痕量气体二维或三维的浓度分布场。基于低仰角O4的吸收,研究并解决了被动DOAS技术获取痕量气体吸收光程的难题,实现了痕量气体近地面混合比计算。同时商业用途的DOAS系统也开始专门用于城市、地下通道、工业矿区的SO2、NOx、O3、CH4等有害气体的监测[23-25]。
图1 京津冀地区DOAS网络污染气体垂直廓线Fig.1 Vertical profile of polluted gas in DOAS networkin Beijing-Tianjin-Hebei region
2.1.2 TDLAS技术
TDLAS技术是一种基于半导体激光与长光程吸收池技术的痕量气体检测方法[26],其原理是利用二极管激光器的波长调谐特性, 获得待测气体特征吸收光谱, 从而实现待测气体的定性或定量分析,并根据不同探测需求,选择不同波段,主要分为0.78~2.6 μm的近红外光谱和3~13 μm的中红外光谱。前者相应于某些分子的“泛频”谱带,后者则为分子特征的“指纹”区。与光声光谱技术不能调谐相比,可调谐半导体激光在单模运转时的典型线宽为0.000 2 cm-1,且可在所希望的波长区连续调谐,其中铅盐半导体激光器,发射激光波长在2~30 μm波段区域,在液氮温区运行时,典型的波长调谐范围达到100 cm-1,能满足中红外区光谱测量的要求。TDLAS技术的高灵敏度、高分辨率测量与应用多次反射吸收池技术分不开。多次反射吸收池结合多种类型的调制光谱技术,TDLAS可对一些分子的体积比检测限达到10-12,而对大多数痕量大气分子,检测限一般都可达到10-9量级,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及泄漏气体的检测。国外,如意大利、德国、美国等都开展了大规模的TDLAS技术研究[27-30],包括近红外测量二氧化碳和甲烷,中红外的铅盐和量子级联激光器测量一氧化二氮和其他温室气体。德国的马普化学所利用TDLAS技术对稻田和大气对流层的甲烷进行了探测,美国的科罗拉多大学利用近红外的TDLAS技术研制了用于对流层甲烷的测量系统等。国内,中国科学院安徽光机所、中国科学技术大学、天津大学等也开展了大量的研究工作[31-35],近年来小型化TDLAS系统还进行了球载CO2廓线探测外场[36],如图2(a)所示。图2(b)为不同海拔下的吸光度信号,从实验结果可以看出,压强和高度呈负相关,海拔越高,吸收线展宽越小,为研究痕量气体监测分析和分子结构的信息及其动力学过程提供了技术支持。
图2 小型化TDLAS系统球载实验及探测结果Fig.2 TDLAS ball-borne experiment and results
2.1.3 FTIR技术
FTIR技术是基于对干涉后的红外光进行傅立叶变换,通过测量干涉图和对干涉图进行傅立叶积分变换获得光谱图,从而对各种形态的物质进行定性和定量分析的一种技术[34]。20世纪70年代发展起来的FTIR光谱仪具有测量范围宽、测量精度和分辨率高以及测量速度快等优点,在对其光源、干涉仪、检测器及数据处理等各系统进行了大量的研究与改进后,傅立叶变换红外光谱仪获得了快速发展。20世纪90年代初,衰减全反射技术开始应用到红外显微镜上, 诞生了全反射傅立叶变换红外光谱仪[37]。根据系统光源配置的不同,开放光路傅立叶变换红外光谱仪可以分为单站式与双站式2种方式[38]。开放光路傅立叶变换红外光谱仪适用于大面积无组织面源监测,并分为单站式和双站式配置。抽取式傅立叶变换红外光谱仪则利用最常见的多次反射怀特池,通过主副镜之间多次反射来提高光程,从而提高探测灵敏度。近年来掩日通量傅立叶红外监测技术(SOF-FTIR)成为发展方向,因太阳在红外波段有较强的辐射强度,大部分分子在红外波段都有特征吸收,SOF-FTIR通过分析经过气体吸收后的太阳光吸收光谱,识别反演气体浓度。NDACC的红外工作团队一直在利用SOF-FTIR监测方法[39],通过地基高分辨率FTIR光谱仪测量太阳吸收光谱,对大气痕量气体整层浓度廓线进行反演(图3)。
图3 2016年3月10—24日FTIR测量的VOC气体廓线Fig.3 VOC concentration measured by FTIR in 10th-24th,March,2016
文章来源:《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0212/362.html
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