差分吸收光谱技术在大气环境监测中的应用研究

摘要

大气污染破坏生态系统并对人体健康造成极大危害。为了防治大气污染，首先要对各种大气污染物进行监测。目前我国正在运行的空气质量监测系统基本靠引进国外设备，主要采用点式采样，只能了解监测点采样空间的大气污染情况以及采样时段内的平均状况，时空代表性均较差。 本课题的研究目的是开发可在一段距离内对大气污染物进行实时监测的空气质量连续监测系统，重点对差分光学吸收光谱技术(DOAS)用于该系统进行研究。 本课题除了完成部分硬件选型和电学接口外，重点完成以下工作: 1、系统的光谱分析和数据处理方法研究。根据差分光学吸收光谱法的理论，设计了系统的光谱分析算法，分为参考光谱处理和测量光谱处理两条主线进行。 参考光谱的处理是将标准吸收截面与仪器函数卷积得到仪器条件下的吸收截面，采用多项式法将差分部分分离出来。测量光谱的处理包括消除光谱漂移、拉伸或压缩带来的影响，同样采用多项式法将差分吸收光谱分离出来。将差分吸收截面和差分吸收光谱做最小二乘法拟合，即可得出相应波段内的污染气体的浓度。 本文提出两个改进的算法，分别是利用数字滤波法进行光谱高低频分离和用面积拟合代替常规的多元线性回归的拟合方法。实验表明，采用数字滤波技术提高了浓度反演的准确度，将运算时间缩短了约8％，对实时监测很有利；利用面积拟合方法则省去了对光谱漂移、拉伸或压缩的处理，计算量小，同时减小了残差。 2、系统软、硬件完成后的整体评价。本课题建立了一套可进行仪器性能评价的实验台。通过测量已知浓度的标准气体，完成了系统的重复性、准确度和线性评价。最后通过对测量结果的分析，讨论了产生误差的主要原因，提出消除误差的方法，提出了今后的努力方向。