環境自動監測技術與設備的發展動態
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法國ESA公司推出的典型的SANOATM長光程測控系統的基本配置包括：長光程測量系統，標氣系統，RS232變換器和RS232擴展器，子站計算機系統，中心站計算機系統。其特點是采用RS232串行接口將每臺儀器的所有數據通過MODEM用電話線與中心站計算機系統相連，隨機配套的通訊軟件可通過仿真數據采集器和儀器操作面板實現對子站的遠程控制和診斷。與干法儀器設備(CO、PM10等)組合可組成長光程與干法共存的混合系統。其特點是能在長光程主機故障時不影響其它參數的測量。該系統的測距范圍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。
幾種長光程空氣質量監測系統的性能特點見表3。
表3長光程法空氣質量自動監測系統的性能比較 
(1)SO2、NO2、O3、苯和甲苯三種方法的監測結果之間具有良好的相關性；
(2)DOAS的O3測量值比干法測量值偏高一個常數，但基本變化趨勢是一致的，干法偏低的原因可能是O3與NO反應造成的；
(3)OPSIS與化學法測量甲醛的結果沒有相關性，這可能與化學法的檢測限較高有關，而OPSIS甲醛檢測數據更合理。另外，OPSIS甲醛檢測結果與O3和NO2的總量表現出較好的一致性，這意味著空氣中發生了光化學反應。
根據干法和長光程法的各自特點，一套較完整的空氣質量自動監測系統的配置應包括：
采樣系統，長光程測量系統，標氣校準系統，分析系統(PM10、SO2、NO2、CO、O3等)，氣象參數測量系統(風速、風向、氣壓、室內溫度、室外溫度、室內濕度、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。
存在的主要問題：環境空氣質量自動監測系統基本上靠引進國外技術和設備，現有系統往往良莠不齊，國內研發水平和能力有限；引進設備往往與我國的具體實際結合不夠，尤其是在系統結構、數據采集、遠程控制與診斷方面與實際需求相差較遠。
2.4我國空氣質量自動監測系統的發展現狀
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技術，隨著該系列儀器的過時和淘汰，目前已無廠家生產。2000年，沈陽東宇公司引進美國DASIBI公司的生產技術，開始組裝基于干法的空氣質量自動監測系統；河北先河公司則自主研制成功基于干法的空氣質量自動監測系統。中國環境監測總站對河北先河公司研制生產的XH2000型城市空氣質量連續自動監測系統的性能測試結果表明：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，響應時間(t95)分別為105s(平均值)和63s(平均值)，重現性分別為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)結果表明：相關關系的R2分別為0.8831和0.827。XH2000型校準儀和HX2000L型零氣發生器性能較好。
XH2000H型數據采集器具有以下功能：
(1)全中文界面，菜單式結構，具有提示功能；
(2)可隨時查詢濃度的分鐘(或任意時段)值、各儀器的狀態參數、以往的數據、各儀器的校準和停電記錄；
(3)允許操作人員設置密碼保護；
(4)可通過電話線和MODEM將數據傳輸給中心站，也可用軟盤復制數據，具有數據備份功能。
中心站軟件具有以下功能：
(1)可通過MODEM與子站通訊，向子站發送零點校準和量程校準命令，設有密碼保護；
(2)可隨時查詢子站SO2、NOx儀器的當前各項工況參數，調取、存儲數據采集器中的監測數據，查詢歷史數據中5、10、30、60min以及24h、一月、一季度或一年的平均值；
(3)通用的數據處理軟件系統可以直接使用該軟件的監測數據，實現數據共享；
(4)具有幫助、查詢功能。
XH2000型城市空氣質量監測系統存在的問題為：(1)儀器方面：SO2分析儀的標漂接近EPA標準的上限，應進一步提高儀器的穩定性；分析儀自身不能記錄零漂負值。(2)數據采集器方面：數據采集器系統時間與分析儀時間存在不一致現象；分析儀記錄數據與數據采集器記錄數據存在差異，應提高變送器的性能；數據采集器記錄的校準數據中缺少儀器校準前的響應值記錄；數據采集器磁盤空間較小，不能存儲較長時間的數據；數據采集器應具備自動更新數據的功能，保證有最近7天的數據記錄。(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：分析儀在執行中心站發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；軟件應在確保子站數據傳輸成功后，再向子站數據采集器發出刪除舊數據的命令，防止因中心站和子站數據傳輸不成功而造成子站數據采集器中數據的意外丟失。
2.5環境空氣質量監測系統的發展趨勢
近年來，國外還在致力于發展基于激光光源的監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，近年來傾向于發展探測靈敏度很高的差分吸收激光雷達，用于城市大氣環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。考慮到差分吸收激光雷達的技術復雜、造價昂貴、可靠性差，對操作和維護人員的技術素質要求太高，估計近期內推廣使用有困難。因此世界各國也在發展拉曼激光雷達技術。拉曼激光雷達雖然探測靈敏度較差，但其結構簡單、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測，正好彌補了常規光學監測手段對污染源監測能力的不足。
LIDAR(Light Detection And Ranging的縮寫)把短激光(全固態閃光燈泵激的鈦Sapphire激光器，波長范圍750～870nm，建立在光學非線性晶體上的二倍頻和三倍頻設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。由于光的等速性，時間與散射器的距離有關，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出的信息取決于發射光的波長，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。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動，以實現三維空間立體掃描。通過自動控制指令控制掃描平鏡的俯仰和方位轉動，使發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轉換器對光電倍增管輸出的微弱信號進行處理，獲取測量數據并轉送到計算機，數據處理軟件對測量數據進行處理，獲取被測污染物的濃度，并實時顯示污染物的空間分布。
激光雷達技術在環境監測中的應用在國際上受到了相當的重視。美國、德國、英國、加拿大、日本等發達國家都建有用于大氣污染測量的激光雷達系統，并在環境監測中發揮著重要的作用。日本通產省已著手研制能觀測三維大氣中物質密度和組分的環境監測用激光雷達，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等公司已向環境監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)，國內暫時還不可能裝備。
國外激光雷達工作的發展動態如下：
(1)大氣污染和環境監測工作中，地基固定式和車載激光雷達有布點成網趨勢；機載激光雷達在發達國家開始部署；一系列空間激光雷達計劃已開始執行。
(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。現在的發展趨勢是使用半導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，主要由研究機構和大學研制和發展的，用于各種目的的研究計劃。隨著激光技術和激光雷達技術的發展，一些經營某些激光雷達的高技術公司開始出現，激光雷達越來越多地應用于大氣污染監測和全球環境監測領域的常規測量或專項試驗，發揮越來越大的和不可替代的作用。
例如，1994年，ElightLaserSystemGmbH公司開發制造的LIDAR510M是遠程傳感器，用來執行二維或三維空氣污染監測，可以獲得有關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，該系統的平均測量范圍為2km。LIDAR510M的技術性能見表4。
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