DOAS

即為差分吸收光譜

差分吸收光譜技術(DOAS:Differential Optical Absorption Spectroscopy)是一種光譜監測技術,其基本原理就是利用空氣中的氣體分子的窄帶吸收特性來鑑別氣體成分,並根據窄帶吸收強度來推演出微量氣體的濃度.憑藉其低廉且簡單的設備裝置和出色的監測能力,DOAS技術在大氣監測領域內在國外已經被廣泛套用.鑒於國內的污染形勢的日益嚴峻及對此新興技術知識的匱乏,對於DOAS技術的工作原理、濃度反演方法及其在大氣研究領域內的套用與發展前景做了較為詳細的介紹,為今後在大氣監測領域裡研究和套用DOAS技術提供了必要的理論知識.其分類可根據有無光源分為主動DOAS和被動DOAS，根據光程長短分為長光程DOAS和短光程DOAS。

發展歷史

差分吸收光譜方法（differential optical　absorption　spectroscopy，DOAS）最早由德國Heidelberg大學環境物理研究所的Platt提出，專門用於城市、地下通道、工業礦區的有害氣體的監測。該方法具有原理和結構簡單、回響速度快、精度高等優點。隨著套用範圍的不斷擴大，DOAS也已經在煙氣排放監測領域得到廣泛套用。其基本原理是以被測氣體在紫外和可見光波段的差分吸收光譜特徵為基礎，通過差分吸收光譜強度來反演氣體的濃度。主動DOAS方面，瑞典的一家公司於1986年成功的升級並確立DOAS技術並用於Hg的分析，美國熱電子公司也設計了自己的DOAS系統。1990年，Axelson等人採用了Cassegrain結構，將接收發射裝置安裝在同一望遠鏡系統，該系統被沿用至今。2005年，DOAS的斷層掃描技術被實際套用並取得良好效果，它可以活的痕量氣體的二維或三維的濃度分布，對氣體的三維空間監測十分有利。被動DOAS方面，已經逐步實現了從地基觀察到空中檢測，再到星載遙測的發展。其中，星載遙測主要是利用衛星作為平台，從大氣層外界觀測某些污染物或者大氣痕量氣體在全球的分布情況。2001年，瑞典的科學家率先研發出mini-DOAS設備，其便攜性和簡易操作的性質使得該技術被迅速套用到污染氣體檢測中。剛開始多用於火山噴發氣體的測量，隨著技術的發展，該技術現在被套用到發電廠，造紙廠等污染源排放集中的地方。

基本原理

根據郎伯一比耳定理I (K) = I 0(K) exp(2R(K) cL)，根據對監測光的吸收程度不同來監測污染因子的濃度。濃度c 的單位用molecule / cm3, 則氣體的吸收能力用吸收截面R( 單位: cm2/ molecule) 來表示。考慮到瑞利(Rayleigh) 散射、米氏(Mie) 散射以及大氣中其它物質的消光因素, 可以得到修正後的Lambert2Beer定律形式: 　I (K) = I 0(K) exp[ - L( Ei(R(K) ci) +ER(K) + EM(K) ) ]A(K)（第二I後面的0是下標，表示初試的光強）。　其技術關鍵在於將吸收截面Ri(K) 分解為兩部分:Ri(K) = Ri0(K) + Ri (K) ，Ri0(K) 表示吸收截面中隨波長緩慢變化的/ 寬頻0光譜部分( 低頻) , Ri(K) 表示吸收截面中隨波長快速變化的/ 窄帶0 光譜部分( 高頻) , 即差分吸收截面。定義I0(K) 為不包含差分吸收時的光強:I 0(K) = I 0(K) exp[ - L( Ei(Rio(K) ci) +ER(K) + EM(K) ) ]A(K)，該式包含光譜強度的慢變化部分, 即消光、大氣紊亂、氣體的/ 寬頻0吸收結構以及系統傳輸函式等引起的光強變化。定義Dc (K) 為差分吸收光譜, 可以表示為:Dc (K) = ln Ic0(K)I (K)= L# EiRci(K)#ci（該式中c為上標，表示差分）。其中, I (K) 就是測量得到的採樣光譜, Ic0(K) 則可通過提取出I (K) 的慢變化得到。因為差分吸收截面Rci(K) 可由文獻或實驗室測量的絕對吸收截面Ri (K)計算得到, 光程長L 可通過雷射測距等手段獲得,所以只要有相應的差分吸收光譜( 足夠多的數據點) , 利用最小二乘, 就可以得到各種吸收氣體的濃度ci。該技術的主要思路如右圖所示。

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基本介紹

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