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        環境光學測量概述

        左圖為各種分子的紫外、可見和紅外吸收光譜波段、有機物的熒光光譜波段,測量這些污染物質可以選用的激光光源和普通光源,采用的光學和光譜學方法進行分析。

        概述

        環境光學是光學和環境科學的交叉學科,以光與環境相互作用為基礎,一方面研究光與環境相互作用的機理和規律,另一方面則是使用光學的方法和手段研究解決環境問題。環境光學監測采用光學和光譜學方法、結合現代科學技術手段獲取環境參數,具有實時、動態、快速、非接觸遙測、遙測、監測范圍廣、成本低,以及多組分待測物條件下的高選擇性和痕量、超痕量的檢測分析靈敏度等優勢,具有其它常規方法不可替代的優越性,是當今國際環境監測的發展方向和主導技術。

        DOAS技術簡介

        差分光學吸收光譜技術(DOAS,Differential Optical Absorption Spectroscopy)是20世紀70年代末由德國U.Platt教授等首先提出的,它是基于氣體分子對光輻射的選擇性吸收的光譜分析技術,通過分析大氣中氣體分子對光源發射光譜的差分吸收光譜,不但可以區分各種不同大氣物質的吸收結構,而且可以分離出由于分子和氣凝膠散射等引起的消光,從而確定大氣中存在的污染物的種類和濃度。

        DOAS技術應用方式

        長程DOAS

        光程折疊DOAS

        垂直廓線DOAS

        層析掃描DOAS

        主要應用領域

        ?城市空氣質量自動監測
        ?城市生活小區空氣質量自動監測
        ?風景區空氣質量自動監測
        ?高速公路、機場飛機、化工廠、垃圾焚燒爐排放的在線監測
        ?倉庫、大型容器的泄漏和危險毒氣的在線監測
        ?用于污染源解析等方面的理論研究

        DOAS技術原理

        光源發出強度為I0(λ)的光,經過大氣中傳播,會被污染氣體分子散射、吸收,因而在接收端測得的光信號I(λ)記載了各種污染氣體分子的信息,并且 I0(λ)和I0(λ)之間的關系可以用Beer-Lambert定律來描述:

        DOAS技術可在線監測的痕量污染氣體

        每種污染氣體分子對光具有其獨特的“指紋”吸收,通過數值濾波方法濾除隨波長慢變部分,對記錄污染氣體分子信息的光譜分析,可以確定空氣中含有哪些污染氣體成分(如:O?、SO2、NOx、C6H6、C7H8、CH20、NH3等)及其濃度含量。

        與其它氣體分析方法比較

        DOAS氣體分析測量法 氣體組分對紫外照射光有其特征吸收光譜,可分解為波長快變和慢變兩個部分,利用快變部分確定被測氣體的組分和濃度。

        測量特點

        ?成本低廉
        ?單氣室可以測量3~5中組分
        ?氣室強壯,成本低廉,更換非常簡單
        ?全光譜線陣光電探測,無光學運動部件
        ?全紫外光譜測量,不受交叉干擾影響
        ?響應快
        ?測量精度高,漂移小
        ?對被測氣體要求低,少量粉塵、水分不影響測量
        ?采用連續光源,或者脈沖光源

        NDIR測量法

        在被測氣體的主吸收峰上,選取1個或者2個不同波長,以該波長的吸收系數差值和吸收度差值的比值來分析計算被測物質的濃度。

        測量特點

        ?成本低廉
        ?測量組分少,一般單氣室只能測量1種氣體
        ?氣室嬌貴,成本高,更換復雜
        ?有切光運動部件,可靠性差
        ?單波長或雙波長測量,容易受到干擾氣體影響
        ?響應較快
        ?測量精度低,漂移大,需要經常標定
        ?對被測量氣體要求高,無粉塵,低露點
        ?采用連續光源,壽命只有數千小時

        ?FTIR測量法

        被測氣體對某些頻率的紅外光產生吸收,使檢測器接受到的干涉光強度發生變化,借助FTIR光譜儀得到干涉圖,通過分析得到樣品濃度。

        測量特點

        ?成本昂貴
        ?測量組分可達10多種
        ?氣室嬌貴,成本高,更換復雜
        ?干涉儀為光學運動部件
        ?全紅外光譜測量,不受交叉干擾影響
        ?受到掃描時間限制,響應時間慢
        ?測量精度高,漂移小
        ?對被測氣體要求高,無粉塵,低露點

        傅立葉紅外技術原理圖

        傅里葉變換紅外(Fourier Transform Infrared, FTIR)光譜儀是大多基于邁克爾遜干涉儀結構,藉助于連續移動的動鏡,使兩束相干光的光程差發生連續改變,干涉光強相應發生變化,記錄下光強接收器輸出中連續的變化部分,得到干涉光強隨光程差的變化曲線,即干涉圖函數。然后對干涉圖進行快速傅立葉變換計算,從而得到以波長或波數為函數的光譜圖,通過譜圖分析可以對樣品進行定性和定量分析,因此,譜圖稱為傅立葉變換紅外光譜,儀器稱為傅立葉變換紅外光譜儀。

        傅立葉變換光譜原理

        按照雙光束干涉原理,同頻率、同振動方向且振幅相同的兩單色光在空間某點發生干涉時,干涉光強為:

        考慮光譜(強度)分布為B(v)的復色光,干涉光強分布為:

        其中的交流成分為:

        可以看到干涉光強分布與光譜分布互為余弦變換。
        I:光程差V:波數
        令B(V)= B(-V),擴展得到光譜和干涉光強互為傅立葉變換。

        因此,只需對干涉圖強度進行一維傅立葉變換就可以得到光譜的光譜分布。稱基于以上原理的光譜技術為傅立葉變換光譜技術。實際中干涉強度數據點是離散的,因此需要用到離散傅立葉變換(DFT),為了減少運算量,一般使用快速傅立葉變換(FFT)。
        上一頁:園區空氣質量連續自動監測系統(FTIR)
            
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