光纤收发的空气差分吸收光谱测量方法研究

第33卷 ，第10期2 0 1 3年 1 0月光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vo1．33，No．10，pp2783—2786Spectroscopy and Spectral Analysis October，2013光纤收发的空气差分吸收光谱测量方法研究魏永杰 ，耿晓娟 ，陈 博 ，刘翠翠 ，陈文亮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一可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量，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人射光纤，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人光谱仪。根据该方法研制了样机，采用SOz，NOz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 DOI：10．3964~．issn．1000—0593(2013)10—2783—04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(diferential optical absorption spectros—copy，DOAS)是光谱分析方法在气体分析领域的典型应用，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一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s ，N02等，在地面、船载、机载、星载等领域实现了跨平台探测Ll j。

IX)AS技术最早由Platt等提出r5]。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问的距离。

Axelson等 ]对该系统进行了改进，将发射、接收装置安装在同一望远镜内，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 DOASE 、被动多轴 DOASE 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DAS原理基于 Lambert-Beer吸收定律 ，当一束光穿过一 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I( )一 ( )exp(一a(A)cL) (1)其中 示波长， 为气体浓度，／o 61)为发射光强，，( )为透射光光强，L为吸收介质的厚度，即光程， ( )为吸收截面。

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构的慢变化部分 ( )，而气体对光谱的特征吸收表现为具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两部分，则 DOAS测量的是快变化部分 (J=【)。Lambert-Beer收稿日期：2013一O1—12。修订日期：2013—04—18基金项目：国家中小企业创新基金项目(10(226211203591)，天津市科技计划项目(1OzXCXsHO470o)和天津市高等学校科技发展基金计划项目(20120522)资助作者简介：魏永杰，1971年生，河北工业大学机械工程学院副教授 e-mail：yj．wei###163．com2784 光谱学与光谱分析 第33卷吸收定律可表示为j( )一Io( )exp[一(as(A)cL+ (A) )]一J 。(A)expE- (．；【)￡L] (2)则气体浓度为一 lnEI 0( )／J( )] ?一 (A)L ，^
测量的吸收光谱由Savitzky-Golay(S-G)滤波 。 进行分离得到 o( )／J( )，将吸收截面作相同滤波处理得到 ( )，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Cassegrain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[1 ，如图 1所示。

Fig．1 The principle of DOAS systemwith transmit-receive fibers1：Xenon lamp light；2：Couple lens；3：Transmitting fiber；4：Fiberports；5：Concave mirror；6：Pyramid mirror；7：Receiving fiber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IX)AS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。

Fig．2 Structure of transmit-receive fibers2 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200 ppm的SOz和 500 ppm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 4O～200 ppm的九种S02气体和浓度为 100~500 ppm的九种 N 气体。分别通入长度为 300 mm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。

200 250 300 350 400 450Wavelength／rimWavelength／nmFig．3 The absorption spectrum of standard gas(a)：SOz；(b)：NOzSOz的吸收波段是在 280~320 niTl，N02的吸收波段是在 350~450 am，对采集的光谱数据和SO2和 N2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 NOz气体进行反演，得到 S02和 N02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24 h监测，样机置于二楼内，距地面高度约为 4 m，角6 5 4 3 2 1 O 矗II。一∞专 Q第 10期 光谱学与光谱分析 2785锥棱镜置于楼顶，距地面高度约为 19 m。用激光测距仪测得角锥棱镜距样机 408 m，即光程为 916 m，测量的对象为空●气中的s2和 N2的浓度。

Table 1 Results of standard gas图 4中(a)和(b)分别从 0点到 24点的 SOz和 NO2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 论针对传统 DOAs系统光谱接收效率低、仪器调整和光路对中困难的问题，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References0 5Time／hl5 20 240 4 8 12 16 2O 24Time／hFig．4 Continuously measured results(a)：SOz；(b)：NOz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。

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The svstern employs a reflective telescope to colimate light source and focus absorbed light．A combined transmitting and receiv—ing f er bundle is set to the foCUS of a concave mirror．A Xenon 1amp works as the light source．The light is coupled into thetransmitring fiber，and then colimated by the reflective telescope system．After absorbed by the pollutants，the light is reflectedby a pyramid mirror far away the telescope．Then the absorbed light is incident Ol the concave mirror the second time,and fo—cused On the focal plane again． The receiving fiber induces the light which carries the information of the measured gas into a spec—trometer．We can get the concentration of the polutants by IX)AS algorithm．Experimental results show that the proposedmethod can be adopted tO measure some polutants in air quality monitoring.

Keywords Differential optical absorption spectroscopy；Transmit-receive fibers；Air quality monitoring(Received Jan．12，2013；accepted Apr．18，2013)