環(huán)境自動(dòng)監測技術(shù)與設備的發(fā)展動(dòng)態(tài)
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法國ESA公司推出的典型的SANOATM長(cháng)光程測控系統的基本配置包括：長(cháng)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(diǎn)是采用RS232串行接口將每臺儀器的所有數據通過(guò)MODEM用電話(huà)線(xiàn)與中心站計算機系統相連，隨機配套的通訊軟件可通過(guò)仿真數據采集器和儀器操作面板實(shí)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(cháng)光程與干法共存的混合系統。其特點(diǎn)是能在長(cháng)光程主機故障時(shí)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(cháng)光程空氣質(zhì)量監測系統的性能特點(diǎn)見(jiàn)表3。
表3長(cháng)光程法空氣質(zhì)量自動(dòng)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(guān)性；
(2)DOAS的O3測量值比干法測量值偏高一個(gè)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(xué)法測量甲醛的結果沒(méi)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(zhù)空氣中發(fā)生了光化學(xué)反應。
根據干法和長(cháng)光程法的各自特點(diǎn)，一套較完整的空氣質(zhì)量自動(dòng)監測系統的配置應包括：
采樣系統，長(cháng)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(fēng)速、風(fēng)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(kāi)關(guān)量輸出、8～16路模擬量輸出)，鋼瓶減
壓器及控制閥組，子站和中心站計算機系統。
存在的主要問(wèn)題：環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監測系統基本上靠引進(jìn)國外技術(shù)和設備，現有系統往往良莠不齊，國內研發(fā)水平和能力有限；引進(jìn)設備往往與我國的具體實(shí)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(shí)際需求相差較遠。
2.4我國空氣質(zhì)量自動(dòng)監測系統的發(fā)展現狀
70年代后期，北分、沈分等廠(chǎng)家推出了一批庫侖式濕法儀器；80年代中期，北分引進(jìn)了美國MONITOR公司的88系列干法儀器的生產(chǎn)技術(shù)，隨著(zhù)該系列儀器的過(guò)時(shí)和淘汰，目前已無(wú)廠(chǎng)家生產(chǎn)。2000年，沈陽(yáng)東宇公司引進(jìn)美國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)監測系統；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)監測系統。中國環(huán)境監測總站對河北先河公司研制生產(chǎn)的XH2000型城市空氣質(zhì)量連續自動(dòng)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(shí)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(xiàn)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)。對比測試(SO264h、NOx116h)結果表明：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(shí)查詢(xún)濃度的分鐘(或任意時(shí)段)值、各儀器的狀態(tài)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(guò)電話(huà)線(xiàn)和MODEM將數據傳輸給中心站，也可用軟盤(pán)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(guò)MODEM與子站通訊，向子站發(fā)送零點(diǎn)校準和量程校準命令，設有密碼保護；
(2)可隨時(shí)查詢(xún)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(xún)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(shí)現數據共享；
(4)具有幫助、查詢(xún)功能。
XH2000型城市空氣質(zhì)量監測系統存在的問(wèn)題為：(1)儀器方面：SO2分析儀的標漂接近EPA標準的上限，應進(jìn)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(shí)間與分析儀時(shí)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(pán)空間較小，不能存儲較長(cháng)時(shí)間的數據；數據采集器應具備自動(dòng)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(jìn)一步改進(jìn)：分析儀在執行中心站發(fā)出的自動(dòng)校準命令時(shí)，在零點(diǎn)校準完成之后直接進(jìn)行校標，中間沒(méi)有所需的大于5min的時(shí)間間隔，造成標氣無(wú)法通入分析儀；軟件沒(méi)有將校零和校標的過(guò)程分開(kāi)，不能單獨進(jìn)行零點(diǎn)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(fā)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(huán)境空氣質(zhì)量監測系統的發(fā)展趨勢
近年來(lái)，國外還在致力于發(fā)展基于激光光源的監測靈敏度更高的長(cháng)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(lái)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(shí)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(chē)載式差分吸收激光雷達樣機，并正在進(jìn)行實(shí)用性試驗?？紤]到差分吸收激光雷達的技術(shù)復雜、造價(jià)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，但其結構簡(jiǎn)單、造價(jià)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(dòng)監測，正好彌補了常規光學(xué)監測手段對污染源監測能力的不足。
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(cháng)范圍750～870nm，建立在光學(xué)非線(xiàn)性晶體上的二倍頻和三倍頻設備把紅外線(xiàn)激光輻射改變成紫外線(xiàn)輻射，波長(cháng)范圍250～400nm)脈沖發(fā)射到大氣層，沿著(zhù)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(gè)時(shí)間函數。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(zhù)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(fā)射光的波長(cháng)，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(xiě))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(cháng)(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(gè)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(shí)時(shí)測量的特點(diǎn)，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(guò)程為：掃描平鏡能進(jìn)行俯仰和方位轉動(dòng)，以實(shí)現三維空間立體掃描。通過(guò)自動(dòng)控制指令控制掃描平鏡的俯仰和方位轉動(dòng)，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(guò)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(jìn)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(jìn)行處理，獲取被測污染物的濃度，并實(shí)時(shí)顯示污染物的空間分布。
激光雷達技術(shù)在環(huán)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(fā)達國家都建有用于大氣污染測量的激光雷達系統，并在環(huán)境監測中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。日本通產(chǎn)省已著(zhù)手研制能觀(guān)測三維大氣中物質(zhì)密度和組分的環(huán)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(kāi)始研制)和德國的Elight、OHB等公司已向環(huán)境監測與研究部門(mén)提供測污激光雷達樣機。例如，德國Eligh公司的510M型車(chē)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(jià)格昂貴(120萬(wàn)美元)，國內暫時(shí)還不可能裝備。
國外激光雷達工作的發(fā)展動(dòng)態(tài)如下：
(1)大氣污染和環(huán)境監測工作中，地基固定式和車(chē)載激光雷達有布點(diǎn)成網(wǎng)趨勢；機載激光雷達在發(fā)達國家開(kāi)始部署；一系列空間激光雷達計劃已開(kāi)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?，F在的發(fā)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(xiàn)性晶體使激光波長(cháng)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(jiǎn)便。
(4)國外的激光雷達研究一直由國家推動(dòng)，主要由研究機構和大學(xué)研制和發(fā)展的，用于各種目的的研究計劃。隨著(zhù)激光技術(shù)和激光雷達技術(shù)的發(fā)展，一些經(jīng)營(yíng)某些激光雷達的高技術(shù)公司開(kāi)始出現，激光雷達越來(lái)越多地應用于大氣污染監測和全球環(huán)境監測領(lǐng)域的常規測量或專(zhuān)項試驗，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是遠程傳感器，用來(lái)執行二維或三維空氣污染監測，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(shù)性能見(jiàn)表4。
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