環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展動(dòng)態(tài)
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法國(guó)ESA公司推出的典型的SANOATM長(zhǎng)光程測(cè)控系統(tǒng)的基本配置包括：長(zhǎng)光程測(cè)量系統(tǒng)，標(biāo)氣系統(tǒng)，RS232變換器和RS232擴(kuò)展器，子站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，中心站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是采用RS232串行接口將每臺(tái)儀器的所有數(shù)據(jù)通過(guò)MODEM用電話線與中心站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，隨機(jī)配套的通訊軟件可通過(guò)仿真數(shù)據(jù)采集器和儀器操作面板實(shí)現(xiàn)對(duì)子站的遠(yuǎn)程控制和診斷。與干法儀器設(shè)備(CO、PM10等)組合可組成長(zhǎng)光程與干法共存的混合系統(tǒng)。其特點(diǎn)是能在長(zhǎng)光程主機(jī)故障時(shí)不影響其它參數(shù)的測(cè)量。該系統(tǒng)的測(cè)距范圍250～500m。檢測(cè)限分別為SO20.2ppb，NO2、O3和對(duì)-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(zhǎng)光程空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)見(jiàn)表3。
表3長(zhǎng)光程法空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能比較 
(1)SO2、NO2、O3、苯和甲苯三種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果之間具有良好的相關(guān)性；
(2)DOAS的O3測(cè)量值比干法測(cè)量值偏高一個(gè)常數(shù)，但基本變化趨勢(shì)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(cè)量甲醛的結(jié)果沒(méi)有相關(guān)性，這可能與化學(xué)法的檢測(cè)限較高有關(guān)，而OPSIS甲醛檢測(cè)數(shù)據(jù)更合理。另外，OPSIS甲醛檢測(cè)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(zhǎng)光程法的各自特點(diǎn)，一套較完整的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配置應(yīng)包括：
采樣系統(tǒng)，長(zhǎng)光程測(cè)量系統(tǒng)，標(biāo)氣校準(zhǔn)系統(tǒng)，分析系統(tǒng)(PM10、SO2、NO2、CO、O3等)，氣象參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)(風(fēng)速、風(fēng)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(kāi)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
存在的主要問(wèn)題：環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本上靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和設(shè)備，現(xiàn)有系統(tǒng)往往良莠不齊，國(guó)內(nèi)研發(fā)水平和能力有限；引進(jìn)設(shè)備往往與我國(guó)的具體實(shí)際結(jié)合不夠，尤其是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制與診斷方面與實(shí)際需求相差較遠(yuǎn)。
2.4我國(guó)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(kù)侖式濕法儀器；80年代中期，北分引進(jìn)了美國(guó)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(guò)時(shí)和淘汰，目前已無(wú)廠家生產(chǎn)。2000年，沈陽(yáng)東宇公司引進(jìn)美國(guó)DASIBI公司的生產(chǎn)技術(shù)，開(kāi)始組裝基于干法的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站對(duì)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能測(cè)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(biāo)漂分別為－6.6～＋21.9ppb和－0.9～＋6.6ppb，響應(yīng)時(shí)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(diǎn)誤差分別為－19.7、－12.7、－9.6、－5.1ppb)和γ＝0.9995(但各點(diǎn)誤差分別為－18.0、－11.1、－5.4、－2.1、1.7、5.7ppb)。對(duì)比測(cè)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(zhǔn)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(shí)查詢濃度的分鐘(或任意時(shí)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(zhǔn)和停電記錄；
(3)允許操作人員設(shè)置密碼保護(hù)；
(4)可通過(guò)電話線和MODEM將數(shù)據(jù)傳輸給中心站，也可用軟盤(pán)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(guò)MODEM與子站通訊，向子站發(fā)送零點(diǎn)校準(zhǔn)和量程校準(zhǔn)命令，設(shè)有密碼保護(hù)；
(2)可隨時(shí)查詢子站SO2、NOx儀器的當(dāng)前各項(xiàng)工況參數(shù)，調(diào)取、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集器中的監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)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(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題為：(1)儀器方面：SO2分析儀的標(biāo)漂接近EPA標(biāo)準(zhǔn)的上限，應(yīng)進(jìn)一步提高儀器的穩(wěn)定性；分析儀自身不能記錄零漂負(fù)值。(2)數(shù)據(jù)采集器方面：數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)時(shí)間與分析儀時(shí)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(zhǔn)數(shù)據(jù)中缺少儀器校準(zhǔn)前的響應(yīng)值記錄；數(shù)據(jù)采集器磁盤(pán)空間較小，不能存儲(chǔ)較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集器應(yīng)具備自動(dòng)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(jìn)一步改進(jìn)：分析儀在執(zhí)行中心站發(fā)出的自動(dòng)校準(zhǔn)命令時(shí)，在零點(diǎn)校準(zhǔn)完成之后直接進(jìn)行校標(biāo)，中間沒(méi)有所需的大于5min的時(shí)間間隔，造成標(biāo)氣無(wú)法通入分析儀；軟件沒(méi)有將校零和校標(biāo)的過(guò)程分開(kāi)，不能單獨(dú)進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)；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(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
近年來(lái)，國(guó)外還在致力于發(fā)展基于激光光源的監(jiān)測(cè)靈敏度更高的長(zhǎng)光程吸收光譜儀，但目前尚處于試驗(yàn)階段。在大氣污染探測(cè)激光雷達(dá)方面，近年來(lái)傾向于發(fā)展探測(cè)靈敏度很高的差分吸收激光雷達(dá)，用于城市大氣環(huán)境和城市污染源的高時(shí)空分辨率探測(cè)。德國(guó)、美國(guó)、意大利和瑞典等國(guó)已分別研制成功車(chē)載式差分吸收激光雷達(dá)樣機(jī)，并正在進(jìn)行實(shí)用性試驗(yàn)?？紤]到差分吸收激光雷達(dá)的技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、可靠性差，對(duì)操作和維護(hù)人員的技術(shù)素質(zhì)要求太高，估計(jì)近期內(nèi)推廣使用有困難。因此世界各國(guó)也在發(fā)展拉曼激光雷達(dá)技術(shù)。拉曼激光雷達(dá)雖然探測(cè)靈敏度較差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、性能可靠，使用維護(hù)方便，使之很適合用于對(duì)城市大氣污染源的流動(dòng)監(jiān)測(cè)，正好彌補(bǔ)了常規(guī)光學(xué)監(jiān)測(cè)手段對(duì)污染源監(jiān)測(cè)能力的不足。
LIDAR(Light Detection And Ranging的縮寫(xiě))把短激光(全固態(tài)閃光燈泵激的鈦Sapphire激光器，波長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)(米式散射)，并且也被空氣分子散射開(kāi)(瑞利散射)。反向散射到LIDAR系統(tǒng)的少許光被望遠(yuǎn)鏡和敏感的檢測(cè)器接收，接收機(jī)信號(hào)被得到，作為一個(gè)時(shí)間函數(shù)。由于光的等速性，時(shí)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(cè)。
可以從接收到的信號(hào)推導(dǎo)出的信息取決于發(fā)射光的波長(zhǎng)，也取決于探測(cè)方法。
為了確定污染物的空間分布，要用激光雷達(dá)(LIDAR)差分吸收(DIAL，Differential Absorption Lidar technique的縮寫(xiě))技術(shù)。DIAL方法利用的是待測(cè)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(zhǎng)(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(qiáng)度較大易于接收測(cè)量。這兩個(gè)因素結(jié)合在一起，形成差分吸收方法測(cè)量的高靈敏度，再加上激光雷達(dá)的很高的距離分辨率和大范圍實(shí)時(shí)測(cè)量的特點(diǎn)，使DIAL激光雷達(dá)成為測(cè)量氣體分子濃度空間分布的一種有力工具。其基本過(guò)程為：掃描平鏡能進(jìn)行俯仰和方位轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)三維空間立體掃描。通過(guò)自動(dòng)控制指令控制掃描平鏡的俯仰和方位轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)射光束射向被測(cè)大氣，被測(cè)大氣的后向散射光信號(hào)由掃描平鏡反射到接收望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)小孔光闌、衰減片、窄帶濾光片達(dá)到光電倍增管，前置放大器和高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)光電倍增管輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，獲取測(cè)量數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)送到計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取被測(cè)污染物的濃度，并實(shí)時(shí)顯示污染物的空間分布。
激光雷達(dá)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用在國(guó)際上受到了相當(dāng)?shù)闹匾?。美?guó)、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都建有用于大氣污染測(cè)量的激光雷達(dá)系統(tǒng)，并在環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要的作用。日本通產(chǎn)省已著手研制能觀測(cè)三維大氣中物質(zhì)密度和組分的環(huán)境監(jiān)測(cè)用激光雷達(dá)，以測(cè)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(kāi)始研制)和德國(guó)的Elight、OHB等公司已向環(huán)境監(jiān)測(cè)與研究部門(mén)提供測(cè)污激光雷達(dá)樣機(jī)。例如，德國(guó)Eligh公司的510M型車(chē)載激光雷達(dá)，能夠監(jiān)測(cè)5種污染氣體(SO2、NO2、O3、甲苯、苯)和氣溶膠，但價(jià)格昂貴(120萬(wàn)美元)，國(guó)內(nèi)暫時(shí)還不可能裝備。
國(guó)外激光雷達(dá)工作的發(fā)展動(dòng)態(tài)如下：
(1)大氣污染和環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，地基固定式和車(chē)載激光雷達(dá)有布點(diǎn)成網(wǎng)趨勢(shì)；機(jī)載激光雷達(dá)在發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始部署；一系列空間激光雷達(dá)計(jì)劃已開(kāi)始執(zhí)行。
(2)測(cè)量對(duì)象以SO2、NOx、O3、氣溶膠、有機(jī)氣體為主。探測(cè)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(dá)使用的激光器，一直以燈泵YAG、準(zhǔn)分子、染料激光器為主?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)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(zhǎng)向紫外波段擴(kuò)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(dá)，也是機(jī)載和空間激光雷達(dá)光源的最佳候選者。另外，它們運(yùn)行更可靠，操作維護(hù)更簡(jiǎn)便。
(4)國(guó)外的激光雷達(dá)研究一直由國(guó)家推動(dòng)，主要由研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)研制和發(fā)展的，用于各種目的的研究計(jì)劃。隨著激光技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，一些經(jīng)營(yíng)某些激光雷達(dá)的高技術(shù)公司開(kāi)始出現(xiàn)，激光雷達(dá)越來(lái)越多地應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測(cè)和全球環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的常規(guī)測(cè)量或?qū)ｍ?xiàng)試驗(yàn)，發(fā)揮越來(lái)越大的和不可替代的作用。
例如，1994年，ElightLaserSystemGmbH公司開(kāi)發(fā)制造的LIDAR510M是遠(yuǎn)程傳感器，用來(lái)執(zhí)行二維或三維空氣污染監(jiān)測(cè)，可以獲得有關(guān)大氣變化過(guò)程的更廣泛的信息。LIDAR510M可以測(cè)量SO2、NO2、O3、苯、甲苯和氣溶膠。標(biāo)準(zhǔn)條件下，該系統(tǒng)的平均測(cè)量范圍為2km。LIDAR510M的技術(shù)性能見(jiàn)表4。
評(píng)論