基于差分吸收光谱法的大气质量在线连续监测系统
方案提供参考。
1 差分吸收光谱法原理
差分吸收光谱技术是20世纪70年代由德国Heidelberg大学环境物理研究所的Ulrich Platt教授首先提出，最早应用于大气质量监测及天体遥感等领域，现已发展成为监测分析大气污染物的主要方法之一[5]。
差分吸收光谱技术的本质是气体分子对光辐射的吸收。当一束光透过被测气体样品池时，光会被待测气体分子选择性吸收，从而改变光束的光强和光谱结构[6]。我们通过与光束的原始光谱比较，即可获得吸收光谱。通过分析光束在某一波段的吸收光谱，即可判断待测气体的成份和相应气体的浓度。
气体对光吸收所引起的光强衰减理论上是可以用式（1）表示，但是在实际的测量中，引起光强衰减的因素有很多，气体分子的吸收只是其中的一部分。尤其是对痕量气体检测时，由于气体浓度很低，Rayleigh散射和Mie散射引起的光强衰减占很大部分，此时式（1）的Lambert-Beer定律已不再适用。
Rayleigh散射是指粒子的直径远小于入射光波长（小于波长的十分之一）时所引起的散射，主要是气体分子的散射。Rayleigh散射所引起的消光系数εR（λ）可表示为
Mie散射是指大气中粒子的直径与辐射的波长相当时引起的散射，这种散射主要是由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的[7]。Mie散射所引起的消光系数εM（λ）可表示为
在实际测量中，被检测介质往往包含很多种污染气体，以σi（λ）表示第i种类型气体的吸收截面，ci表示第i种气体的浓度，则可将式（1）扩展为
将Rayleigh散射和Mie散射等引起的光谱变化称为“宽带”光谱（低频），将分子吸收引起的光谱变化称为“窄带”光谱（高频）。数学上使用一个高通滤波器将随波长快速变化的“窄带”光谱分离出来，被分离出来的分子吸收光谱用参考光谱进行拟合，就能够反演出被测气体的成份及其浓度[8]，这就是差分吸收光谱法的基本原理。
2 监测系统的设计
大气质量连续监测系统主要包括三部分：光路部分、气路部分和电路部分。光路部分主要包括氙灯光源以及光谱仪中的光路系统（入射狭缝、凹面光栅、传感器等）；气路部分主要包括进气口、气管、流量计、气室和出气口；电路部分主要包括主控制模块、传感器模块和接口模块。
2.1 系统总体设计框图
大气污染气体连续监测系统的框图如图1所示。
利用氙灯发出的光源汇聚进光纤，经过光纤传输进入气室。光线穿过气体室时经被测气体吸收，穿出后由光纤传输进入光谱仪[9]。在光谱仪内部经过光栅分光，由阵列光电传感器将分光后的光信号转换为电信号，获得气体的连续吸收光谱信息源[10]。再根据Lambert-Beer定律，通过吸光度，推算出被检测气体浓度，将结果显示在液晶屏上。
2.2 光源
在前人做过的研究中，SO2气体的吸收波长为200～230 nm和290～310 nm，NOX气体的吸收波长为200～230 nm和350～450 nm。本文选用滨松的L12336氙灯作为紫外光源，这款氙灯有内置电源模块，波长为200～1 100 nm，具有寿命长（约1×109 flashes）、集成度高、光源稳定性好等特性。图2为L12336标准光谱谱线，图3为L12336光源的稳定性曲线，图4为本系统采集到的氙灯光谱谱线。
2.3 光路设计
目前，主流通用微型光谱仪大多采用了如图5所示的Czerny-Turner结构，采用平面光栅作为分光器件。由于平面光栅成本低廉、复制简单而得到广泛的应用，但是这种光学结构却存在着光学设计复杂、杂散光消除困难、灵敏度差、像差大等缺点，所以，高端的光栅分光型光谱仪一般采用如图6所示的平场全息凹面光栅。凹面光栅虽然成本较高，但是光路设计简单，降低了杂散光，同时简单的光路结构也使光谱仪得以小型化。
2.4 传感器
在本设计中选择滨松S10420型号的薄型背照式紫外增强CCD图像传感器，该传感器具有性噪比高、响应度高等特点。图7为其光谱响应图，可见其光谱响应度比一般的传感器要高得多。
2.5 气室
在被测气体浓度一定的情况下，气体吸收度与气体吸收池的长度成正比。所以增加气体吸收池的长度，有利于提高仪器的灵敏度，从而提高对低浓度气体的测量精度。但为了实现仪器的便携性，我们需将气体吸收池的长度控制在一定的范围内，所以，在本设计中气体吸收池的长度为25 cm。
2.6 系统电路
系统电路结构主要包括CPU、接口模块、氙灯模块、传感器模块及ADC模块等，如图8所示。在本系统中，采用了恩智浦推出的LPC1788微处理器，该处理器是一款集成LCD图像控制器的ARM Cortex-M3微控制器，具有高达512 KB的片上闪存程序存储，96 KB的片上SRAM及4 KB的片上EEPROM。
3 结 论
本文基于差分吸收光谱技术及改良的Lambert-Beer定律，设计了一种可在线连续监测大气质量的系统，并详细阐述了设计原理及系统的实现方案。相对于传统的大气污染物监测设备，该系统不仅具有同时反演出多种待测气体浓度的特性，还具有测量精度高、抗干扰能力强等优点，实现了准确、快速、实时地监测气体组分及相应浓度的目的。
参考文献：
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（编辑：刘铁英）
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