DOAS系统设计及数据处理

　　1　引　　言

　　差分吸收光谱技术DOAS(Differential OpticalAbsorption Spectrometry)是在20世纪70年代末由德国Heidelberg大学环境物理研究所的U.Platt和D.Perner提出的[1～2],目前DOAS技术广泛应用于大气环境监测。DOAS技术根据记录的在几公里长的光程上大气中痕量物质对光的差分吸收来计算痕量物质的浓度。长光程是为了获得极低浓度的大气污染物的可测量的吸光率。使用差分吸收而不是绝对吸收是由于大多数大气污染物在大气中连续存在,不可能获得未经衰减的大气光谱[3]。

　　DOAS仪器与传统的点探测相比具有以下优点[3]:

　　·高灵敏度的实时测量:用同一个仪器实现了多种痕量物质的实时、同时测量。原则上,从近紫外到近红外波长区间内的任何一种光吸收物质都能被DOAS探测到。标准大气污染物中的O3、SO2和NO2三种物质可以用简单的DOAS仪器测量。其他的多种痕量物质也能被连续检测,比如NO、NH3、HCHO、BTEX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)以及单环芳香碳氢化合物(MAH)。其中的许多物质仅能被这种技术探测到。这个特点对于大气化学的现场研究很有价值,为了确定被监测物质之间的化学反应,需要同时测量它们的浓度变化。

　　·光程上的线测量:DOAS系统测量的是从光源到接收器之间位于大气中的开放的光程上痕量气体的总吸收,因此得到的是给定光程上污染物的平均浓度,它比用点探测得到的浓度更具有代表性。光程上每一个局部污染源的平均测量形成了更典型的一定区域大气污染的物理化学变化图。

　　·高精度的非接触测量:用DOAS技术测量物质的浓度,不确定性仅仅受到可独立测量的这种物质的差分吸收截面测量精度、大气吸收光谱测量精度、光谱处理精度的影响。与点探测和采样方法不同,DOAS测量不需要采样操作,是一种“非侵入”技术。它确保不会由于器壁的吸附或与器壁发生化学反应而造成损失,了因扰干、湿采样法的难题。使DOAS非常适合于测量活性较大的物质,如HONO和NO3等。

　　·低维护、低成本:由于DOAS是一种绝对测量技术,一旦给DOAS系统提供了适当的参考光谱就不需要常规的气体校准。另外,维护周期短,运转成本低。DOAS系统在无人照管的条件下可以长期运转,通过电话网上的调制解调器与操作者通信,实现数据的自动采集或操作控制。

　　由于痕量气体的连续吸收有可能被差分吸收过程所忽视,因此,这个技术只适应于具有窄带吸收结构的气体,从而限制了可测气体种类。大气中以及污染控制中许多感兴趣的物质,由于它的吸收太弱,而不能被探测到。这个技术可同时测量多种物质,但是对于不同物质其最佳光程不同,不同的物质监测需要安装不同的光程和接收装置,要在相距几公里的两个地区安装　器,并且要相互能看得见,也是相当麻烦的。