環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展動態(tài)
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法國ESA公司推出的典型的SANOATM長光程測控系統(tǒng)的基本配置包括：長光程測量系統(tǒng)，標氣系統(tǒng)，RS232變換器和RS232擴展器，子站計算機系統(tǒng)，中心站計算機系統(tǒng)。其特點是采用RS232串行接口將每臺儀器的所有數(shù)據(jù)通過MODEM用電話線與中心站計算機系統(tǒng)相連，隨機配套的通訊軟件可通過仿真數(shù)據(jù)采集器和儀器操作面板實現(xiàn)對子站的遠程控制和診斷。與干法儀器設(shè)備(CO、PM10等)組合可組成長光程與干法共存的混合系統(tǒng)。其特點是能在長光程主機故障時不影響其它參數(shù)的測量。該系統(tǒng)的測距范圍250～500m。檢測限分別為SO20.2ppb，NO2、O3和對-二甲苯0.6ppb，苯和亞硝酸0.9ppb，鄰-二甲苯、間-二甲苯、乙苯和苯乙烯0.8ppb，甲醛1.1ppb，苯酚0.3ppb，NO1.5ppb，NH33.5ppb。
幾種長光程空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的性能特點見表3。
表3長光程法空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的性能比較 
(1)SO2、NO2、O3、苯和甲苯三種方法的監(jiān)測結(jié)果之間具有良好的相關(guān)性；
(2)DOAS的O3測量值比干法測量值偏高一個常數(shù)，但基本變化趨勢是一致的，干法偏低的原因可能是O3與NO反應(yīng)造成的；
(3)OPSIS與化學(xué)法測量甲醛的結(jié)果沒有相關(guān)性，這可能與化學(xué)法的檢測限較高有關(guān)，而OPSIS甲醛檢測數(shù)據(jù)更合理。另外，OPSIS甲醛檢測結(jié)果與O3和NO2的總量表現(xiàn)出較好的一致性，這意味著空氣中發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng)。
根據(jù)干法和長光程法的各自特點，一套較完整的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的配置應(yīng)包括：
采樣系統(tǒng)，長光程測量系統(tǒng)，標氣校準系統(tǒng)，分析系統(tǒng)(PM10、SO2、NO2、CO、O3等)，氣象參數(shù)測量系統(tǒng)(風速、風向、氣壓、室內(nèi)溫度、室外溫度、室內(nèi)濕度、室外濕度、光輻射和雨量等)，RS232變換器，控制器(8～16路開關(guān)量輸出、8～16路模擬量輸出)，鋼瓶減
壓器及控制閥組，子站和中心站計算機系統(tǒng)。
存在的主要問題：環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)基本上靠引進國外技術(shù)和設(shè)備，現(xiàn)有系統(tǒng)往往良莠不齊，國內(nèi)研發(fā)水平和能力有限；引進設(shè)備往往與我國的具體實際結(jié)合不夠，尤其是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、遠程控制與診斷方面與實際需求相差較遠。
2.4我國空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
70年代后期，北分、沈分等廠家推出了一批庫侖式濕法儀器；80年代中期，北分引進了美國MONITOR公司的88系列干法儀器的生產(chǎn)技術(shù)，隨著該系列儀器的過時和淘汰，目前已無廠家生產(chǎn)。2000年，沈陽東宇公司引進美國DASIBI公司的生產(chǎn)技術(shù)，開始組裝基于干法的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)；河北先河公司則自主研制成功基于干法的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)。中國環(huán)境監(jiān)測總站對河北先河公司研制生產(chǎn)的XH2000型城市空氣質(zhì)量連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)的性能測試結(jié)果表明：HX2000A型SO2分析儀和HX2000B型NOx分析儀的24h零漂分別為－0.7～＋0.8ppb和0.1～5.8ppb，24h標漂分別為－6.6～＋21.9ppb和－0.9～＋6.6ppb，響應(yīng)時間(t95)分別為105s(平均值)和63s(平均值)，重現(xiàn)性分別為0.25ppb(SD)和0.58ppb(SD)，線性度分別為γ＝0.9989(但各點誤差分別為－19.7、－12.7、－9.6、－5.1ppb)和γ＝0.9995(但各點誤差分別為－18.0、－11.1、－5.4、－2.1、1.7、5.7ppb)。對比測試(SO264h、NOx116h)結(jié)果表明：相關(guān)關(guān)系的R2分別為0.8831和0.827。XH2000型校準儀和HX2000L型零氣發(fā)生器性能較好。
XH2000H型數(shù)據(jù)采集器具有以下功能：
(1)全中文界面，菜單式結(jié)構(gòu)，具有提示功能；
(2)可隨時查詢濃度的分鐘(或任意時段)值、各儀器的狀態(tài)參數(shù)、以往的數(shù)據(jù)、各儀器的校準和停電記錄；
(3)允許操作人員設(shè)置密碼保護；
(4)可通過電話線和MODEM將數(shù)據(jù)傳輸給中心站，也可用軟盤復(fù)制數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)備份功能。
中心站軟件具有以下功能：
(1)可通過MODEM與子站通訊，向子站發(fā)送零點校準和量程校準命令，設(shè)有密碼保護；
(2)可隨時查詢子站SO2、NOx儀器的當前各項工況參數(shù)，調(diào)取、存儲數(shù)據(jù)采集器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)中5、10、30、60min以及24h、一月、一季度或一年的平均值；
(3)通用的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)可以直接使用該軟件的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；
(4)具有幫助、查詢功能。
XH2000型城市空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題為：(1)儀器方面：SO2分析儀的標漂接近EPA標準的上限，應(yīng)進一步提高儀器的穩(wěn)定性；分析儀自身不能記錄零漂負值。(2)數(shù)據(jù)采集器方面：數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)時間與分析儀時間存在不一致現(xiàn)象；分析儀記錄數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)采集器記錄數(shù)據(jù)存在差異，應(yīng)提高變送器的性能；數(shù)據(jù)采集器記錄的校準數(shù)據(jù)中缺少儀器校準前的響應(yīng)值記錄；數(shù)據(jù)采集器磁盤空間較小，不能存儲較長時間的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集器應(yīng)具備自動更新數(shù)據(jù)的功能，保證有最近7天的數(shù)據(jù)記錄。(3)中心站軟件方面：中心站軟件在一些功能方面尚需進一步改進：分析儀在執(zhí)行中心站發(fā)出的自動校準命令時，在零點校準完成之后直接進行校標，中間沒有所需的大于5min的時間間隔，造成標氣無法通入分析儀；軟件沒有將校零和校標的過程分開，不能單獨進行零點校準；軟件應(yīng)在確保子站數(shù)據(jù)傳輸成功后，再向子站數(shù)據(jù)采集器發(fā)出刪除舊數(shù)據(jù)的命令，防止因中心站和子站數(shù)據(jù)傳輸不成功而造成子站數(shù)據(jù)采集器中數(shù)據(jù)的意外丟失。
2.5環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
近年來，國外還在致力于發(fā)展基于激光光源的監(jiān)測靈敏度更高的長光程吸收光譜儀，但目前尚處于試驗階段。在大氣污染探測激光雷達方面，近年來傾向于發(fā)展探測靈敏度很高的差分吸收激光雷達，用于城市大氣環(huán)境和城市污染源的高時空分辨率探測。德國、美國、意大利和瑞典等國已分別研制成功車載式差分吸收激光雷達樣機，并正在進行實用性試驗?？紤]到差分吸收激光雷達的技術(shù)復(fù)雜、造價昂貴、可靠性差，對操作和維護人員的技術(shù)素質(zhì)要求太高，估計近期內(nèi)推廣使用有困難。因此世界各國也在發(fā)展拉曼激光雷達技術(shù)。拉曼激光雷達雖然探測靈敏度較差，但其結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、性能可靠，使用維護方便，使之很適合用于對城市大氣污染源的流動監(jiān)測，正好彌補了常規(guī)光學(xué)監(jiān)測手段對污染源監(jiān)測能力的不足。
LIDAR(Light Detection And Ranging的縮寫)把短激光(全固態(tài)閃光燈泵激的鈦Sapphire激光器，波長范圍750～870nm，建立在光學(xué)非線性晶體上的二倍頻和三倍頻設(shè)備把紅外線激光輻射改變成紫外線輻射，波長范圍250～400nm)脈沖發(fā)射到大氣層，沿著它的軌跡，光被小粒子散射開(米式散射)，并且也被空氣分子散射開(瑞利散射)。反向散射到LIDAR系統(tǒng)的少許光被望遠鏡和敏感的檢測器接收，接收機信號被得到，作為一個時間函數(shù)。由于光的等速性，時間與散射器的距離有關(guān)，因此空間信息沿著電子束軌跡被檢測。
可以從接收到的信號推導(dǎo)出的信息取決于發(fā)射光的波長，也取決于探測方法。
為了確定污染物的空間分布，要用激光雷達(LIDAR)差分吸收(DIAL，Differential Absorption Lidar technique的縮寫)技術(shù)。DIAL方法利用的是待測氣體的吸收和大氣(包括氣體分子和氣溶膠)彈性后向散射的原理，一般在所選擇波長(λON)處的氣體吸收截面較大，并且大氣氣體的彈性后向散射截面很大，回波強度較大易于接收測量。這兩個因素結(jié)合在一起，形成差分吸收方法測量的高靈敏度，再加上激光雷達的很高的距離分辨率和大范圍實時測量的特點，使DIAL激光雷達成為測量氣體分子濃度空間分布的一種有力工具。其基本過程為：掃描平鏡能進行俯仰和方位轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)三維空間立體掃描。通過自動控制指令控制掃描平鏡的俯仰和方位轉(zhuǎn)動，使發(fā)射光束射向被測大氣，被測大氣的后向散射光信號由掃描平鏡反射到接收望遠鏡，通過小孔光闌、衰減片、窄帶濾光片達到光電倍增管，前置放大器和高速A/D轉(zhuǎn)換器對光電倍增管輸出的微弱信號進行處理，獲取測量數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)送到計算機，數(shù)據(jù)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理，獲取被測污染物的濃度，并實時顯示污染物的空間分布。
激光雷達技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用在國際上受到了相當?shù)闹匾暋Ｃ绹?、德國、英國、加拿大、日本等發(fā)達國家都建有用于大氣污染測量的激光雷達系統(tǒng)，并在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用。日本通產(chǎn)省已著手研制能觀測三維大氣中物質(zhì)密度和組分的環(huán)境監(jiān)測用激光雷達，以測量都市上空的NOx、SOx、O3、甲烷等氣體的三維立體分布。加拿大的Optech公司(1974年開始研制)和德國的Elight、OHB等公司已向環(huán)境監(jiān)測與研究部門提供測污激光雷達樣機。例如，德國Eligh公司的510M型車載激光雷達，能夠監(jiān)測5種污染氣體(SO2、NO2、O3、甲苯、苯)和氣溶膠，但價格昂貴(120萬美元)，國內(nèi)暫時還不可能裝備。
國外激光雷達工作的發(fā)展動態(tài)如下：
(1)大氣污染和環(huán)境監(jiān)測工作中，地基固定式和車載激光雷達有布點成網(wǎng)趨勢；機載激光雷達在發(fā)達國家開始部署；一系列空間激光雷達計劃已開始執(zhí)行。
(2)測量對象以SO2、NOx、O3、氣溶膠、有機氣體為主。探測方法以高靈敏度的差分吸收(DIAL)和Mie后向散射方法為主。
(3)激光雷達使用的激光器，一直以燈泵YAG、準分子、染料激光器為主?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是使用半導(dǎo)體激光器泵浦的全固化激光器，使用摻鈦寶石(Ti：Al2O3)、LiSAF(Cr：LiSrAlF6)和LiCAF等新型可調(diào)諧固體激光器，利用KTP、BBO等非線性晶體使激光波長向紫外波段擴展。使用可調(diào)諧、全固化激光器有利于形成多功能、緊湊型激光雷達，也是機載和空間激光雷達光源的最佳候選者。另外，它們運行更可靠，操作維護更簡便。
(4)國外的激光雷達研究一直由國家推動，主要由研究機構(gòu)和大學(xué)研制和發(fā)展的，用于各種目的的研究計劃。隨著激光技術(shù)和激光雷達技術(shù)的發(fā)展，一些經(jīng)營某些激光雷達的高技術(shù)公司開始出現(xiàn)，激光雷達越來越多地應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測和全球環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的常規(guī)測量或?qū)ｍ椩囼?，發(fā)揮越來越大的和不可替代的作用。
例如，1994年，ElightLaserSystemGmbH公司開發(fā)制造的LIDAR510M是遠程傳感器，用來執(zhí)行二維或三維空氣污染監(jiān)測，可以獲得有關(guān)大氣變化過程的更廣泛的信息。LIDAR510M可以測量SO2、NO2、O3、苯、甲苯和氣溶膠。標準條件下，該系統(tǒng)的平均測量范圍為2km。LIDAR510M的技術(shù)性能見表4。
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