光纤收发的空气差分吸收光谱测量方法研究

第３第１３卷，０期　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析

年２０１３１０月　　　　　　　　　　　　ＳｅｃｔｒｏｓｃｏｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓｐｐｙａｐｙＶｏｌ．３３，Ｎｏ．１０，２７８３２７８６ｐｐ

，Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１３　

光纤收发的空气差分吸收光谱测量方法研究

魏永杰１，耿晓娟１，陈　博１，刘翠翠１，陈文亮２

１．河北工业大学机械工程学院，天津　３００１３０２．天津同阳科技发展有限公司，天津　３００４５７

摘　要　环境污染气体监测是防治大气污染的前提条件。污染气体的监测方法中，光谱分析方法具有原理可见光谱范围的特征吸收和结构简单、响应速度快、精度高等优点。差分吸收光谱法利用气体分子在紫外来测量其浓度含量，是环境气体监测领域的典型光谱分析方法。根据差分吸收光谱的测量原理，提出光纤收发一体测量结构，将该结构应用于空气质量监测中。氙灯光源经耦合透镜耦合后进入入射光纤，经望远镜系统准直后出射，经过被测气体之后，由位于被测气体另一端的角锥棱镜反射后沿原路返回，再次经过望远系统汇聚，携带被测气体的信息经出射光纤传入光谱仪。根据该方法研制了样机，采用ＳＯＮＯ２，２标准气体对样机进行标定，并应用样机对大气中的污染气体进行现场监测。实验结果表明，该方法能够满足空气质量监测要求。

关键词　差分吸收光谱；收发光纤；空气质量监测

：／（）中图分类号：ＴＨ７９　　文献标识码：Ａ　　　犇犗犐１０．３９６４．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１３１０２７８３０４ｊ

在同一望远镜内，借助一组角反射镜把望远镜系统发出的平

引　言

环境污染是近年来全世界广泛关注的焦点问题，在各种

环境污染中，大气污染尤为突出。随着现代化工业社会的迅猛发展，实现环境空气质量自动监测是防治污染、保护环境的前提条件。

差分吸收光谱法（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｏｔｉｃａｌａｂｓｏｒｔｉｏｎｓｅｃｔｒｏｓｐｐｐ，）是光谱分析方法在气体分析领域的典型应用，ｃｏＤＯＡＳｐｙ

它作为近二十几年来逐渐发展起来的检测技术，由于其独特的优势而成为很有发展前途的测试技术。该方法具有原理和结构简单、响应速度快、精度高等优点。ＤＯＡＳ技术利用气体分子在紫外－可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量，现已被广泛应用于测量环境大气中痕量污染气体的浓度，如ＳＯＮＯ２，２等，在地面、船载、机载、星载等领域实现

１４］

。了跨平台探测［

行光再次原路返回系统，简化了ＤＯＡＳ系统结构，光程是前述结构的两倍，也是目前常采用的一种典型结构。目前已经

［］［］

有人采用多光路主动ＤＯＡＳ７、被动多轴ＤＯＡＳ８等技术对

大气进行监测。

为了提高ＤＯＡＳ系统光谱利用效率、简化仪器结构和调整，提出光纤一体式空气差分吸收光谱测量方法。

１　测量原理

ＯＡＳ原理基于ＬａｍｂｅｒｔＢｅｅｒ吸收定律，当一束光穿过　　Ｄ

一定厚度的大气，光会被其中的分子选择性吸收，使光的强度和光谱结构发生变化。其数学表达式为

（（（）犐（ｅｘ犮犔）１－σλ）＝犐λ）λ）ｐ０（

其中λ示波长，为发射光强，为透犮为气体浓度，犐犐（λ）λ）０（为吸收截面。射光光强，犔为吸收介质的厚度，即光程，σ（λ）

在实际测量时，光谱会受到瑞利散射、米氏散射及其他消光物质的影响，其吸收截面表现为随波长具有宽带吸收结

狊

（，而气体对光谱的特征吸收表现为具构的慢变化部分σλ）

ＤＯＡＳ技术最早由Ｐｌａｔｔ等提出

［５］

。光源发出的光经望

远镜系统准直之后平行出射经过一定距离的大气吸收在另一端用望远镜系统接收，该系统的设计用到了两个望远镜系统，成本高，调整难度大，而且光程为两个望远镜间的距离。

［］

Ａｘｅｌｓｏｎ等６对该系统进行了改进，将发射、接收装置安装

有窄带吸收结构的快变化。将吸收截面分为快变化和慢变化

犳（）两部分，则ＤＯＡＳ测量的是快变化部分σＬａｍｂｅｒｔＢｅｅｒλ。

２０１３０１１２，修订日期：２０１３０４１８　收稿日期：

），天津市科技计划项目（）和天津市高等学校科技发展基金计划项１０Ｃ２６２１１２０３５９１１０ＺＸＣＸＳＨ０４７００　基金项目：国家中小企业创新基金项目（

）目（资助２０１２０５２２

：１９７１年生，河北工业大学机械工程学院副教授　　ｅｍａｉｌ６３．ｃｏｍ．ｗｅｉ　作者简介：魏永杰，＠１ｙｊ

吸收定律可表示为

犐（λ）＝犐０（

λ）ｅｘｐ［－（σ狊（λ）犮犔＋σ犳（λ）犮犔）］＝犐′０（

λ）ｅｘｐ［－σ犳（λ）犮犔］（２

）　　则气体浓度为

犮＝

ｌｎ［犐′０（）／犐（）］σ犳（λ）犔

（３）　　测量的吸收光谱由ＳａｖｉｔｚｋｙＧｏｌａｙ（

ＳＧ）滤波［９］

进行分离得到犐′０（

λ）／犐（λ），将吸收截面作相同滤波处理得到σ犳

（λ），对两者进行最小二乘拟合，得到气体浓度。

目前广泛采用的ＤＯＡＳ系统一般基于Ｎｅｗｔｏｎ望远镜和Ｃａｓｓｅｇ

ｒａｉｎ望远镜的双结构。在这种结构中，由氙灯发出的光经球面反射镜准直后出射，经过几百米甚至数千米的光程，由位于另一端的角锥棱镜反射后，再次经过望远镜系统，会聚于望远镜的焦点上，经光纤进入光谱仪测量得到吸收光谱。

该结构中光线多次经反射镜遮挡，造成光谱利用效率低，且仪器调整和光路对中困难，为此，提出了光纤收发一

体式结构［

１０］

，如图１所示

。犉犻犵１　犜犺犲狆狉犻狀犮犻狆犾犲狅犳犇犗犃犛狊狔

狊狋犲犿狑犻狋犺狋狉犪狀狊犿犻狋狉犲犮犲犻狏犲犳犻犫犲狉狊

１：Ｘｅｎｏｎｌａｍｐｌｉｇｈｔ；２：Ｃｏｕｐｌｅｌｅｎｓ；３：Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｆｉｂｅｒ；４：Ｆｉｂｅｒｐ

ｏｒｔｓ；５：Ｃｏｎｃａｖｅｍｉｒｒｏｒ；６：Ｐｙｒａｍｉｄｍｉｒｒｏｒ；７：Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇｆｉｂｅｒ　　由氙灯发出的光谱经耦合到入射光纤并经收发光纤的公

共端出射，经望远镜内的凹面反射镜准直，通过一段开放的大气，到达另一端的角锥棱镜，然后被沿原方向反射，携带大气中污染气体信息的反射光沿原方向返回，再次经望远镜内的凹面反射镜聚焦进入光纤公共端，最后经出射光纤进入光谱仪进行光谱检测。光谱收发采用的是具有公共端口的一体式光纤束，望远镜中只有一块凹反射球面镜，与现有典型ＤＯＡＳ系统相比，减少了两块平面反射镜，避免了光束在传输过程中平面镜的遮挡，提高了光谱利用效率。

图２是具有收发公共端的光纤束结构。收发光纤的公共端采用随机排列的多根光纤，以减小光谱收发过程中，因锥棱镜对光线的横向偏移造成收、发光谱焦平面不重合、像差较大的问题

。

犉犻犵

２　犛狋狉狌犮狋狌狉犲狅犳狋狉犪狀狊犿犻狋狉犲犮犲犻狏犲犳犻犫犲狉狊２　实验部分

根据提出的测量方法，开发了系统样机，并采用该样机

系统对标准气体和现场空气进行了测量实验。２１　样气实验

常温常压下，选用浓度为２００ｐｐｍ的ＳＯ２和５００ｐｐｍ的ＮＯ２的标准气体作为样气，氮气作为平衡气体，分别进行实验。用气体分割器进行配比，得到浓度为４０～２００ｐｐｍ的九种ＳＯ２气体和浓度为１００～５００ｐｐｍ的九种ＮＯ２气体。分别通入长度为３００ｍｍ的样品池中进行标定实验。图３是得到的标准气体的吸收光谱。其中图３（ａ）是ＳＯ２的吸收光谱，图３（ｂ）是ＮＯ２的吸收光谱

。

犉犻犵３　犜犺犲犪犫狊狅狉狆狋犻狅狀狊狆

犲犮狋狉狌犿狅犳狊狋犪狀犱犪狉犱犵犪狊（ａ）：ＳＯ２；（ｂ）：ＮＯ２

ＳＯ２的吸收波段是在２８０～３２０ｎｍ，ＮＯ２的吸收波段是在３５０～４５０ｎｍ，对采集的光谱数据和ＳＯ２和ＮＯ２标准吸收截面分别进行ＳＧ高通滤波得到各自的窄带吸收光谱和差分吸收截面，根据式（３），利用最小二乘法，分别对九种浓度的ＳＯ２和ＮＯ２气体进行反演，得到ＳＯ２和ＮＯ２气体的浓度和误差如表１所示。

由表１可以看出系统在常温常压下反演得到的气体浓度

误差的绝对值在３％以内。２２　现场实验

于２０１２年７月１６日用该系统对天津大学校园的空气进行了２４ｈ监测，样机置于二楼内，距地面高度约为４ｍ，角

锥棱镜置于楼顶，距地面高度约为１９ｍ。用激光测距仪测得角锥棱镜距样机４０８ｍ，即光程为９１６ｍ，测量的对象为空气中的ＳＯＯ２和Ｎ２的浓度。

犜犪犫犾犲１　犚犲狊狌犾狋狊狅犳狊狋犪狀犱犪狉犱犵犪狊

ＳＯ２

Ｒｅｓｕｌｔ／ｍｐｐ３９．９６５８．９２８２．２４１０１．３２１１７．４０１３７．９３１６１．４４１８３．８８１９６．９１

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ

／ｍｐｐ

４０６０８０１００１２０１４０１６０１８０２００

Ｅｒｒｏｒ

／％０．１０１．８０－２．８０－１．３２２．１７１．４８－０．９０－２．１６１．５５

ＮＯ２

ＲｅｓｕｌｔＲｅｆｅｒｅｎｃｅ

／／ｍｍｐｐｐｐ９８．２１４９．０２０３．２２４９．８２９７．５３４０．５３９１．２４４６．３４８８．３

１００１５０２００２５０３００３５０４００４５０５００

Ｅｒｒｏｒ

／％１．８００．６７－１．６００．０８０．８３２．７１２．２００．８２２．３４

））和（分别从０点到２ａｂ４点的ＳＯＯ　　图４中（２和Ｎ２监测

结果。将该测量结果与天津市环保局的测量结果进行了对比，结果表明两种结果的一致性较好，但是样机实测结果浓度偏小，其原因可能与天津大学校园内污染源点少有关。

３　结　论

ＯＡＳ系统光谱接收效率低、仪器调整和光路　　针对传统Ｄ

对中困难的问题，提出了光纤收发一体式ＤＯＡＳ结构并开发了系统样机。实验结果表明，该方法简化了系统结构，提

高

犉犻４　犆狅狀狋犻狀狌狅狌狊犾犲犪狊狌狉犲犱狉犲狊狌犾狋狊犵狔犿

（）：）：ＮＯａＳＯｂ２；（２

了光谱接收效率，同时使光路调整更加方便。标气实验和现场测量结果表明，该方法适合应用在空气质量监测领域。

犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊

［，１］ｉｎｒｅｉｃｈＲ，ＦｒｉｅｓｓＵ，ＷａｎｅｒＴ．Ｆａｒａｄａｉｓｃｕｓｓ２００５，１３０：１５３，２４１，５１９．　ＳｇｙＤ［，（）：２］ａｎＲｏｏｚｅｎｄａｅｌＭ，ＷａｎｅｒＴ，ＲｉｃｈｔｅｒＡ．ＳａｃｅＲｅｓ．２００２，２９１１１６６１．　Ｖｇｐ［，（）：３］ｕｉＳ，ＫｕｚｅＨ，ＹｏｓｈｉｉＹ．Ａｔｍｏｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．２００５，３９２７４９５９．　Ｆｑ［，Ｋ，（）：４］ｅｅＨ，ＲｕＪｉｍＪ．Ａｔｍｏｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．２０１１，４５３９７２１８．　Ｌｙ［，５］ｌａｔｔＵ，ＰｅｒｎｅｒＤ．Ｎａｔｕｒｅ１９８０，２８５：３１２．　Ｐ

［，）：６］ｘｅｌｓｏｎＨ，ＧａｌｌｅＢ．ＯｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｆＡｍｅｒｉｃａ１９９０，（４６４１．　Ａｐｙｏ

［，ＷＡＮＧＳ，（，（）：王焯如，周　斌，王珊珊，等）７］ｈｕｏｒｕ，ＺＨＯＵＢｉｎｈａｎｓｈａｎｅｔａｌ．ＰｈｓｉｃｓＪｏｕｒｎａｌ２０１１，６０６１．　ＷＡＮＧＺｙ［，，（，（）：周海金，刘文清，司福祺，等）８］ＨＯＵＨａｉｉｎ，ＬＩＵＷｅｎｉｎＳＩＦｕｉｅｔａｌ．ＡｃｔａＯｔｉｃａＳｉｎｉｃａ２０１１，３１１１１．　Ｚｊｑｇｑｐ［，，Ｋ（，（）：刘丽红，白建云，孔祥杰）９］ＩＵＬｉｈｏｎＢＡＩＪｉａｎｕｎＯＮＧＸｉａｎｉｅ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ２０１２，２７３２２２．　Ｌｇｙｇｊ

［］，，Ｘ１０ｅｉＹｏｎｉｅＣｈｅｎＷｅｎｌｉａｎｕＫｅｘｉｎ．ＴｈｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＡｂｓｏｒｔｉｏｎＳｅｃｔｒｏｓｃｏｉｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｓｔｅｍＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＴｒａｎｓｍｉｔ　Ｗｇｊｇｐｐｐｙａｙ

：，ｔｉｎＲｅｃｅｉｖｉｎｉｂｅｒｓＣｈｉｎａ２０１０１０２３８２７７．Ｘ，２０１１．ｇｇＦ

犃犻狉犘狅犾犾狌狋犪狀狋狊犛狋狌犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻犪犾犗狋犻犮犪犾犃犫狊狅狉狋犻狅狀犛犲犮狋狉狅狊犮狅犻狋犺狔犫狔犇狆狆狆狆狔狑犜狉犪狀狊犿犻狋犚犲犮犲犻狏犲犉犻犫犲狉狊

１１１１２

，，，，ＷＥＩＹｏｎｉｅＧＥＮＧＸｉａｏｕａｎＣＨＥＮＢｏＬＩＵＣｕｉｃｕｉＣＨＥＮＷｅｎｌｉａｎｇｊｊｇ

，Ｈ，１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｆＴｅｃｈｎｏｌｏＴｉａｎｉｎ００１３０，Ｃｈｉｎａ　３ｇｇｙｏｇｙｊ

，Ｔｉａｎｉｎ００４５７，Ｃｈｉｎａ２．ＴｉａｎｉｎＳｈａｒｅｓｈｉｎｅＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｏ．Ｌｔｄ．　３ｊｊｇｙＣ

，犃犫狊狋狉犪犮狋ｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｏｔｉｃａｌａｂｓｏｒｔｉｏｎｓｅｃｔｒｏｓｃｏｓｔｅｍｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｏｍｏｎｉｔｏｒａｉｒｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｓｕｃｈａｓＳＯＮＯｅｔｃ．　Ｔｐｐｐｐｙｓｙ２，２，Ｔｈｅｓｓｔｅｍｅｍｌｏｓａｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｔｅｌｅｓｃｏｅｔｏｃｏｌｌｉｍａｔｅｌｉｈｔｓｏｕｒｃｅａｎｄｆｏｃｕｓａｂｓｏｒｂｅｄｌｉｈｔ．Ａｃｏｍｂｉｎｅｄｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｎｄｒｅｃｅｉｖｙｐｙｐｇｇｇａｉｎｉｂｅｒｂｕｎｄｌｅｉｓｓｅｔｔｏｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆａｃｏｎｃａｖｅｍｉｒｒｏｒ．ＡＸｅｎｏｎｌａｍｏｒｋｓａｓｔｈｅｌｉｈｔｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｅｌｉｈｔｉｓｃｏｕｌｅｄｉｎｔｏｔｈｅｇｆｐｗｇｇｐ

，，ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｉｂｅｒａｎｄｔｈｅｎｃｏｌｌｉｍａｔｅｄｂｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｔｅｌｅｓｃｏｅｓｓｔｅｍ．Ａｆｔｅｒａｂｓｏｒｂｅｄｂｔｈｅｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｔｈｅｌｉｈｔｉｓｒｅｆｌｅｃｔｅｄｇｆｙｐｙｙｇ，ｂｒａｍｉｄｍｉｒｒｏｒｆａｒａｗａｈｅｔｅｌｅｓｃｏｅ．Ｔｈｅｎｔｈｅａｂｓｏｒｂｅｄｌｉｈｔｉｓｉｎｃｉｄｅｎｔｏｎｔｈｅｃｏｎｃａｖｅｍｉｒｒｏｒｔｈｅｓｅｃｏｎｄｔｉｍｅａｎｄｆｏｙａｐｙｙｔｐｇｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅａａｉｎ．Ｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｉｂｅｒｉｎｄｕｃｅｓｔｈｅｌｉｈｔｗｈｉｃｈｃａｒｒｉｅｓｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｇａｓｉｎｔｏａｇｇｆｇｓｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ．ＷｅｃａｎｇｅｔｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｂＯＡＳａｌｏｒｉｔｈｍ．ＥｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｏｓｅｄｐｙＤｇｐｐｍｅｔｈｏｄｃａｎｂｅａｄｏｔｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｓｏｍｅｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｉｎａｉｒｑｕａｌｉｔｏｎｉｔｏｒｉｎ．ｐｙｍｇ

；；Ａ犓犲狑狅狉犱狊ｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｏｔｉｃａｌａｂｓｏｒｔｉｏｎｓｅｃｔｒｏｓｃｏＴｒａｎｓｍｉｔｒｅｃｅｉｖｅｆｉｂｅｒｓｉｒｑｕａｌｉｔｏｎｉｔｏｒｉｎ　Ｄｐｐｐｐｙｙｍｇ狔

（）ＲｅｃｅｉｖｅｄＪａｎ．１２，２０１３；ａｃｃｅｔｅｄＡｒ．１８，２０１３　　ｐｐ

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2rc1.html