差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究

冉海林

【摘 要】随着人类文明的高速发展，自然环境却遭到了破坏，受到破坏后的自然环境对人类造成了反作用，使人们的生活质量受到严重威胁，此时人们不得不对自己的行为进行反思。为了拟补人类对自然界造成的伤害，人类试图通过科技来保护自然环境，其中差分吸收光谱技术就是为此而存在。它可以准确监测到对大气造成污染的物质，在实践应用中做出了巨大贡献。为了对这一项技术更一步的了解，本文从差分吸收光谱的原理及特点做切入点，对差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的作用及应用进行探讨。

【关键词】差分吸收光谱；环境监测系统；反演

随着科技的进步，大气环境成为了推动人类文明发展的牺牲品，环境的突变与气候的极端无一不向世人发出了警戒的讯号。人类作为生物界中的一部分，其生活无法脱离自然，大气环境的好坏不仅直接影响到人类的生活质量，整个自然生态都会受到它的影响。在环境恶化的反作用下，人们意识到了大气环境保护的重要性与必要性。为了有效控制对大气造成污染的物质，需要环境监测系统的支撑，通过对大气环境中有害物体浓度的监测，制定对应策略以此对大气中污染源进行控制。差分吸收光谱法是目前环境监测系统用于监测大气环境中污染物的主要方法，大气中的很多分子和芳香烃有机物都能够被它所监测到，在反演污染物浓度上展现出了多种优势，为此，对差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用进行研究是极具价值的。

1 差分吸收光谱法的原理

差分吸收光谱的监测工作主要是通过对气体分子的特征吸收来完成的，Lamber-beer吸收定律是差分吸收光谱原理的主要依据。通过滤波技术删减随波长在大气光谱中变化比较缓慢的部分光波，只留下窄带吸收形成的光衰减，然后用同样的方法截选出实验室的标准参考谱，将光衰减与标准参考谱进行最小二乘拟合，最终通过反演测量气体浓度。环境检测系统中的差分吸收光谱反演方法所应用的理论过程也是如此。

2 差分吸收光谱法的特点

差分吸收光谱法之所以成为目前环境监测系统中的“主力”，这与它极具增异效果的特点有着必然联系。差分吸收光谱法具有三大特点：监测对象多样化、测量面积广阔、使用便捷，应用广泛。

大气中存在的已知成分与未知物质几乎都能通过差分吸收光谱反演方法被监测，对于大气中的未知物质，差分吸收光谱反演方法也能够对其进行监测。差分吸收光谱法针对大气某一种或几种气体的监测时，它能够根据监测需求调整监测距离，最远可从监测点延展至几千米之外进行气体监测。差分吸收光谱方法应用的广泛性也是它的一大特点，因为当差分吸收光谱法监测距离达到极限时，它广泛的应用性能够对测量距离进行延展，换言之，差分吸收光谱应用的广泛性无形中加大了监测系统的覆盖面积，这对大气化学变化以及污染物质的相互转化规律的研究有着重要意义。

3 差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用

3.1 差分吸收光谱反演方法的实验装置

差分吸收光谱反演方法虽然能够有效监测大气中的浓度和成分，但是它仅仅是一种方法，也就是说还需要一些实验装置才能满足差分吸收光谱反演方法应用的需求，具体实验装置需要以下几种：氙灯光源、角反射镜、扫描仪器、望远镜、光谱仪、电脑以及2歌气体样品池。由于需要监测的气体可能不止一种，而是很多种，也有可能有些需要监测的气体不用差分吸收光谱方法就监测到，当然也有可能存在只有差分吸收光谱方法才能监测到的气体，所以，在对实验装置进行选择时，应当结合被检测气体的实际情况和需求条件对装置设备进行合理的选择与调整。

3.2 应用差分吸收光谱的具体方法

由于在使用差分吸收光谱方法监测大气时会受到一定的干扰因素影响，如米散射、瑞利散射以及分子吸收特性等，所以，需要对这些造成影响的干扰因素进行区分。米散射与瑞利散射会导致光学厚度的变化随波长缓慢，此类光谱称之为“宽带光谱”；分子吸收特性会导致光学厚度的变化随波长加速，此类光谱称之为“窄带光谱”，而“窄带光谱”是监测反演的最终目的。为此，需要对“宽带光谱”给予波除，此时，对“窄带光谱”进行计算时，需要总吸收截面减掉“宽带光谱”的差值，这里可以看出，所谓的“窄带光谱”实质上就是差分吸收光谱。

受残余光谱影响，浓度反演会使结果出现误差，因此，反演过程中要变换拟合，反演拟合必须在滤除“宽带光谱”的基础上才能实现，可以通过平移、压缩或者拉伸光谱解决残余光谱所造成的误差，这样气体浓度就会更准确的反演出来。

3.3 差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的实例分析

以甲醛反演作为本次分析案例，通过差分吸收光谱反演对甲醛进行监测。根据甲醛的份子轨道形式，在进行波段的选择时，需要考虑到份子跃进。这时可以发现，无论在大气吸收光谱还是氙灯光谱，都存在干扰峰，为了保障甲醛浓度反演数据的准确性，必须解决干扰峰问题。另一方面，影响甲醛反演精度的因素还有二氧化氮、二氧化硫以及臭氧，这三种气体的分子吸收光谱也需要清除，如果清除工作受到条件阻碍和技术阻碍，可以先反演出大气浓度，然后再反演甲醛的浓度，这样能够使甲醛的浓度反演的更为精准。当甲醛浓度被反演出来后，分析误差来源。

影响甲醛浓度反演结果的因素主要有以下三方面：第一，造成差分吸收光谱误差的因素主要是暗电流、天空散射光、光谱仪色散率、偏置、杂散光，而光谱仪色散率不均主要是由于反演甲醛时，需要去除一些大气成分，在这过程中，选择波段与未选择波段的光谱漂移是不一样的，而这就是导致甲醛反演浓度出现误差的根本原因。第二，干扰气体分辨率的吸收截面存在误差。尤其气体分子会受温度和气压的影响，使其波段发生不同程度的变化，在变化的影响下，就会造成甲醛反演出现误差。第三，非线性最小二乘反演过程的误差，通常约为拟合统计误差的3倍。从本次案例的分析中可以发现，差分吸收光谱反演方法在环境监测系统的应用中虽有着种种优势，但实践应用过程中，还是存在诸多阻碍的，这对差分吸收光谱反演方法的操作技术有着极高的需求，因此可以判定，差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用效果需要技术的支撑才得意实现，如果仅依靠该技术方法，而不去提高操作技术，是难以保障反演数据的准确性的，当然，这并不意味着差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中难以应用，如果操作人员的专业技术能够驾驭差分吸收光谱反演方法，它将成为环境监测系统中无以匹敌的利器，为人类自身与大气保护工作做出巨大的贡献。

4 结束语

为了避免大气环境受到更一步的恶化，对大气中的污染物质进行监测是非常必要的。通过本文对差分吸收光谱反演方法的探讨，了解到了差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的种种优势。在应用差分吸收光谱反演方法时，首先要对它的原理和反演过程进行了解，通过滤波器消弱或解决干扰因素，对于无法滤除的吸收分子光谱，文中也交代了对应策略，如浓度反演拟合。总体来说，就大气环境监测系统而言，差分吸收光谱法无疑发挥着巨大的作用。尽管差分吸收光谱法的增益效果显著，但面对大气环境如此严重的破坏，很难做到力挽狂澜。要想在这场名为“大气环境保卫战”的战役中取得胜利，人们还需要更多的努力才能实现。

【参考文献】

[1]王笑.差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究[J].科技资讯，2013（09）：67-68.

[责任编辑：杨玉洁]