1、差分吸收光谱反演方法于环境监测系统中的应用研究摘要：本文对差分吸收光谱法对大气污染的监测作用进行了介绍，通过对最小二乘法的分析和实践，与当地环境监测数据进行对比，对最小二乘法对差分吸收光谱反演方法的适用性给出了证明。 关键词：差分吸收光谱；环境监测；最小二乘法 中图分类号：X131.1 文献标识码：A 文章编号： 1、引言 差分吸收光谱之所以可以用于环境监测，是由于差分吸收光谱利用气体分子根据波段的不同对其差分吸收的不同来对气体在大气中的浓度进行反演。差分吸收光谱反演方法与上个世纪七十年代被提出，直到目前，经过光学研究的不断发展，差分吸收光谱反演方法已经被广泛应用于大气污染的研究和环境监测。
2、差分吸收光谱反演方法相对一些传统的监测方法来说，为环境监测提供了巨大的便利。主要的优势有设备覆盖范围广；测量结果具有很强的代表性；测量时不会改变气体分子的化学性状，而且可以将几种不同的气体分子同时测量，为大气化学变化和污染物的转变规律打下了重要的基础。 由于要在同一波段对多种气体的浓度进行测量，而且用差分吸收光谱反演方法可以测量到极其微小的浓度数据，最小二乘法的使用使气体浓度的繁衍取得了非常好的效果。本文主要对差分吸收光谱反演方法的测量仪器以及查分吸收光谱反演方法的实用性等内容进行了分析和探讨。2、测量仪器 测量仪器包括光源、发射和接收系统、角反射镜、石英光纤、单色仪、快速扫描装置(RSD)、
3、光电倍增管(PMT)、高速 A/D 转换卡和计算机等。工作过程为:氙灯发出的光由次镜向主镜外，用平行光将其射入远处的角反射镜，主镜将角反射镜反射会的一部分光进行汇聚，通过次镜的再次反射在光纤的入射端聚集，光通过光纤后,入射到单色仪的入射狭缝,经单色仪分光以后,形成一条光谱,这条光谱是按波长的大小排列的，旋转扫描装置上的狭缝(宽度也是 0.1mm)，将光谱放在出射窗口焦平面位置进行扫描 ,通过狭缝的光照到光电倍增管的接收端面,光信号将会被光电倍增管转化为电信号,最后经过 A/D 转换送入电脑进行处理.狭缝每扫描一次就可得到一条光谱,实际工作中为了提高信噪比,一般将四万条光谱平均后再进行处理,所以
4、每次测量周期大约为五分钟。光程应为光源到角反射镜距离的两倍.测量结果为几次测量的平均值。 3 光谱处理 由于工作环境的变化以及测量器械受到外部环境的影响，会使光源光谱与测量光谱的比值不能够与存入计算机的分子吸收截面完全重合，这严重的影响到浓度反演的进行，我们一般需要将比值光谱光谱进行平移或者拉伸处理来消除这种不利影响。 3.1 光谱的平移 光谱的平移是由于温度等环境因素的变化使比值光谱相对分子吸收截面发生的平移，我们可以用平移光谱的方法来进行消除。可以讲比值光谱分别向左和向右平移 1-10 个通道数，将比值光谱和吸收截面之间的系数计算出来，在类似抛物线的图形上找到系数分布的最大值，即可得出比值
5、光谱应该平移的通道数。一般来说，这个点应该处在抛物线的中间位置，如果点出现在两边，则说明仪器需要进行校准。1 3.2 光谱的压缩及拉伸 如果由环境因素引起的比值光谱与分子吸收截面的平移不是以常数的形式出现的，而是呈现一种非线性变化时，我们就要对光谱进行压缩或者拉伸。 4 差分吸收光谱反演方法的应用 4.1 城市绿地建设 利用差分吸收光谱反演方法能够很好地了解城市绿地的相关信息，利用差分吸收光谱反演方法进行监测，首先要做的就是获取图像，然后根据图像所传递的信息对绿化的覆盖率等根据不同的等级进行分类，然后监测实时数据的不断变化，将数据采纳进入相关数据库，为政府对环境监测采取对策提供便利。 许多相关
6、的专家及学者都采取各种方法对差分吸收光谱反演方法在绿地环境监测中的应用进行研究，并对区域绿化覆盖情况进行了模拟，例如石学东通过差分吸收光谱反演方法在广州城市绿地工作中对十多年来的景观变化进行了动态分析等。这些都对差分吸收光谱反演方法在城市绿地环境监测中的运用起到了良好的借鉴作用。 4.2 城市水体监测 由于水体具有光谱效应，所以差分吸收光谱反演方法很适合在城市水体环境监测中发挥作用。根据水体的污染程度和种类的不同，会使水体发生不同的效果改变，具体表现在颜色、温度等方面的差异，这些差异使波谱能量不断发生变化，那么我们从波谱映射出来的影像中就会有所不同，具体表现在影像的色调和形态等方面，我们可以根
7、据影像的信息对环境污染的范围和程度进行判断。2水体的污染主要是由于工业和生活废水的排放引起的，所以我们可以根据受污染水体的扩散方式等方面对受污染水体进行研究及分析，用差分吸收光谱反演方法对其进行监测。 4.3 城市大气监测 城市大气监测主要是通过差分吸收光谱反演方法对大气污染的范围、扩散条件以及扩散对周边的影响。和水体监测不同，大气监测主要是经过植物对大气条件的反射来判断的。根据植物对红外线的反射比较敏感的特性，可用红外线照射对叶子的反射色泽进行判断，受到污染的叶子和未受污染的相比色泽较暗，所以确认受到污染后，可用差分吸收光谱反演方法对大气污染的程度进行监测和评价。 4.4 热岛效应监测 热岛
8、效应是指城市的气温和城市外围的气温相比相对较高，对于热岛效应，我们也可以用差分吸收光谱反演方法来进行监测。检测原理是通过差分吸收光谱反演方法获得瞬间的城市温度场图像，使人们能够对肉眼无法看到的影像进行观测，所以差分吸收光谱反演方法在热岛效应的监测上具有先进的技术优势。 4.5 其他方面的的监测 差分吸收光谱反演方法的用途极为广泛，还可以用于对交通、建筑施工环境和自然灾害预警等方面的监测。 5、差分吸收光谱反演方法在环境监测的应用发展 首先应注重差分吸收光谱反演方法和 3S 技术在环境监测中的结合使用，将差分吸收光谱反演方法的多功能性不断在环境监测与保护方面得到发挥。3其次，由于对于差分吸收光谱反演方法的研究还尚不成熟，需要经过系统的研究，使差分吸收光谱反演方法能够得到更好地使用，最后，可以根据监测和实践的结果，对不同环境监测的数据加以保存，建立数据库，使差分吸收光谱反演方法能够不断发展。 参考文献： 1石田耕三.环境监测技术的现状及发展趋势J.中国环境监测,2008,1（1）:427. 2崔莉,鞠海玲,苗勇,等,环境监测研究进展J.计算机研究与发展,2010,42(1):1632174. 3钟哲夫.光谱反演的应用J.强激光与粒子束,2009,11(6):733-736.
