楊希+邱致剛+常銻+曾毛毛

摘要：文章通過偏振光散射快速獲取顆粒物的粒徑、形貌、光吸收等物理特征，對(duì)主要來源顆粒物的獨(dú)特物理信息進(jìn)行源類識(shí)別，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多角度偏振光散射大氣顆粒物源識(shí)別在線分析儀，與現(xiàn)行的化學(xué)檢測(cè)方法形成互補(bǔ)，儀器整機(jī)經(jīng)過應(yīng)用開發(fā)和示范、工程化和可靠性驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)生巨大的科學(xué)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：多維物理特征檢測(cè)；在線源識(shí)別；高時(shí)間分辨率；低成本；大氣顆粒物 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH70 文章編號(hào)：1009-2374（2016）35-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.007

大氣顆粒物來源復(fù)雜并具有區(qū)域傳輸和快速演化特征，現(xiàn)有儀器主要集中在顆粒物粒徑、濃度和成分的單獨(dú)檢測(cè)，且時(shí)間分辨率低、價(jià)格昂貴，缺少能夠進(jìn)行快速源識(shí)別和支撐顆粒物動(dòng)態(tài)時(shí)空分布研究的在線監(jiān)測(cè)儀器。本項(xiàng)目融合多角度測(cè)量與偏振測(cè)量兩項(xiàng)技術(shù)，研制多角度偏振光散射大氣顆粒物源識(shí)別在線分析儀，并推進(jìn)大氣顆粒物物理光學(xué)表征體系的完善，是大氣污染物源解析新型技術(shù)的典型應(yīng)用。

1 原理及方法介紹

當(dāng)大氣顆粒物被采集進(jìn)入光檢測(cè)室后，通過對(duì)氣路流量、流速和擴(kuò)散行為的調(diào)控，使得入射光在測(cè)量區(qū)域僅與單個(gè)顆粒物產(chǎn)生相互作用，此時(shí)顆粒物粒徑、復(fù)折射率、等效散射體結(jié)構(gòu)等物理特征影響偏振狀態(tài)的演化以及角度分布，對(duì)全偏振散射角度譜信息進(jìn)行提取和簡并變換，建立偏振光學(xué)指標(biāo)組合與顆粒物物理復(fù)合特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并借助多維網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)的逆推算法，通過所測(cè)量的偏振指標(biāo)反演并識(shí)別單顆粒物的類別信息，其中多個(gè)光散射脈沖序列的高靈敏提取能夠反饋大氣顆粒物復(fù)合體系中的多類源識(shí)別比例，單個(gè)光散射脈沖的同步檢偏確保大氣顆粒物偏振表征的有效性和實(shí)時(shí)性。整體技術(shù)路線大致如下圖1所示：

對(duì)比非偏振的測(cè)量，擴(kuò)展為16個(gè)信息維度的偏振光散射測(cè)量后帶來的好處：

第一，偏振通道的散射信息量大，可以在不依賴多角度、多波長條件下獲取多維表征參數(shù)。

第二，偏振對(duì)顆粒物屬性變化更為敏感，尤其對(duì)小尺寸或者各向異性的微觀結(jié)構(gòu)具有較高的測(cè)量敏感性。同時(shí)經(jīng)歷不同散射次數(shù)的偏振光子保偏能力不同，偏振測(cè)量的優(yōu)勢(shì)還在于通過剔除多次散射后擴(kuò)散光子的影響，而達(dá)到增強(qiáng)對(duì)比度和弱信號(hào)探測(cè)效果。

第三，多維的退偏、橢偏、旋偏組合信息為多組分多類別復(fù)雜顆粒物源識(shí)別提供可能。

第四，起偏檢偏模塊的兼容性好，不影響原有光散射測(cè)量，易實(shí)現(xiàn)光學(xué)方法的復(fù)合測(cè)量。

2 項(xiàng)目主要解決的科學(xué)技術(shù)問題

項(xiàng)目技術(shù)路線如圖5所示：

2.1 研究大氣顆粒物偏振光散射模型和演化算法

發(fā)展單顆粒物散射物理模型，引入結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)屬性等因素來識(shí)別顆粒物，結(jié)構(gòu)特征包括粒徑分布、復(fù)折射率、特殊形態(tài)、復(fù)合結(jié)構(gòu)等，光學(xué)屬性包括光吸收散射過程的計(jì)算方式，旋光、雙折射、二向色性等，探討顆粒物不同來源所對(duì)應(yīng)的示蹤成分和示蹤光學(xué)現(xiàn)象，研究散射偏振矩陣的變換和降維方式。對(duì)全偏振散射指標(biāo)組進(jìn)行篩選和比較，包括各偏振指標(biāo)的誤差傳遞和權(quán)重因子分析，各偏振指標(biāo)在不同物理過程和結(jié)構(gòu)對(duì)象上的靈敏度差異；對(duì)不同分類識(shí)別算法在計(jì)算速度、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、降維能力、適用對(duì)象、訓(xùn)練數(shù)據(jù)要求、類間距誤差等方面進(jìn)行比較，確定反演算法關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的選取和設(shè)定，進(jìn)一步探討理論數(shù)據(jù)庫和標(biāo)樣測(cè)試數(shù)據(jù)庫對(duì)算法的訓(xùn)練學(xué)習(xí)流程以及多組分多類別現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照誤差的分析和校準(zhǔn)方式等。

2.2 顆粒物源識(shí)別在線分析儀的研發(fā)

2.2.1 儀器關(guān)鍵部件開發(fā)，包括：（1）研制精確的流量控制模塊，高速噴嘴、鞘氣保護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到大氣顆粒物以排列形式單個(gè)依次通過光散射區(qū)的目標(biāo)；（2）研制穩(wěn)定的溫濕度控制模塊、高吸收氣密散射室，減少各測(cè)量通道的噪聲基底值以及噪聲漂移；（3）開發(fā)超高靈敏光電傳感器、高信噪比放大電路，達(dá)到考核指標(biāo)中粒徑分析下限的要求；（4）開發(fā)多偏振參量同步檢測(cè)器和同步數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)多通道多偏振態(tài)同步檢測(cè)和數(shù)據(jù)接收。

2.2.2 顆粒物光散射特性分析和儀器性能評(píng)價(jià)：搭建多組分顆粒物單粒徑穩(wěn)定發(fā)生和篩選系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種類顆粒物的穩(wěn)定發(fā)生和選擇，以此為基礎(chǔ)開展多組分、多粒徑的標(biāo)準(zhǔn)單顆粒光散射及偏振特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)，其中單粒徑顆粒物類型涵蓋水溶性顆粒物（氯化鈉、硫酸銨、硝酸銨等）、PSL標(biāo)準(zhǔn)小球等，多粒徑顆粒物類型涵蓋揚(yáng)塵（亞利桑那塵）、碳類（煤礦塵）等，在完成實(shí)驗(yàn)室多參數(shù)測(cè)定及樣機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，同步開展儀器環(huán)境適用性檢測(cè)和評(píng)估研究，開展實(shí)際大氣環(huán)境下（合肥）的儀器示范運(yùn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)比對(duì)，形成儀器性能評(píng)價(jià)報(bào)告和改進(jìn)建議。

2.3 污染源分類的偏振數(shù)據(jù)解釋和儀器應(yīng)用比對(duì)

在研發(fā)樣機(jī)完成的基礎(chǔ)上，選擇已有顆粒物源譜的典型地區(qū)，涉及不同緯度、不同氣候特征（包括溫度、濕度、氣流等）和不同的工業(yè)結(jié)構(gòu)的顆粒物排放區(qū)域，如京津冀、長三角、珠三角等地區(qū)，同時(shí)在外場(chǎng)安放研發(fā)樣機(jī)及顆粒物采樣器。每個(gè)季度采集20天，一共采集4個(gè)季度。其中研發(fā)樣機(jī)通過儀器自身采集到的顆粒物的單顆粒光學(xué)特征，在線分析出顆粒物的主要來源；顆粒物采樣器利用濾膜采集樣品、實(shí)驗(yàn)室分析其中的有機(jī)碳（OC）/元素碳（EC）、水溶性陰陽離子（F-、Cl-、NO3-、SO42-；K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+）、無機(jī)元素（Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Pb、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Si等），采用化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）源解析技術(shù)，模擬計(jì)算得到采樣點(diǎn)的顆粒物來源。將上述兩者來源做比對(duì)，驗(yàn)證研發(fā)樣機(jī)的結(jié)果的可靠性，修正研發(fā)樣機(jī)的誤差，形成比對(duì)驗(yàn)證報(bào)告。在研發(fā)樣機(jī)改善的基礎(chǔ)上，在上述外場(chǎng)做應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)偏振光散射的顆粒物快速動(dòng)態(tài)源識(shí)別，獲得高時(shí)間分辨率的顆粒物來源信息，形成儀器應(yīng)用示范分析報(bào)告，為當(dāng)?shù)卮髿馕廴痉乐魏凸芾硖峁?shù)據(jù)支持。

2.4 工程化和可靠性測(cè)試

為保障本項(xiàng)目工程化與產(chǎn)業(yè)化的順利進(jìn)行，切實(shí)形成皮實(shí)耐用、穩(wěn)定可靠具有市場(chǎng)競(jìng)爭力的產(chǎn)品，申報(bào)團(tuán)隊(duì)引入專業(yè)的工程化可靠性研究團(tuán)隊(duì)，在項(xiàng)目論證、儀器開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化等環(huán)節(jié)，針對(duì)項(xiàng)目儀器的研制與應(yīng)用，開展可靠性研究，目標(biāo)儀器的技術(shù)就緒度≥8級(jí)、環(huán)境適應(yīng)性符合GB/T 11606規(guī)定的要求，安全性符合EN 60100或GB/T 17626規(guī)定的要求。

3 創(chuàng)新性

在線分析儀基于偏振光散射多角度測(cè)量裝置和算法對(duì)大氣顆粒物進(jìn)行分析識(shí)別，屬于國內(nèi)領(lǐng)先、國際首創(chuàng)，其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在原理、評(píng)價(jià)體系和功能三個(gè)方面：

3.1 國際首創(chuàng)的多角度偏振光散射顆粒物在線分析方式

依托清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)自主創(chuàng)新的兩項(xiàng)國際專利技術(shù)，并采用新型光探測(cè)器、低噪聲跨阻放大器及半導(dǎo)體制冷技術(shù)突破單顆粒微弱信號(hào)的增敏提取瓶頸，實(shí)現(xiàn)全偏振快速同步檢測(cè)；借助偏振同步分析所提取的多維偏振指標(biāo)體系，對(duì)顆粒物形貌、光吸收等屬性進(jìn)行復(fù)合表征，從而對(duì)顆粒物示蹤成分，如水、炭黑、硝酸鹽、硅酸鹽等，開展特異性識(shí)別；通過掃描差分電遷移粒徑選擇、環(huán)境條件可控、均勻混合箱設(shè)計(jì)及氣流控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多組分、多粒徑的標(biāo)準(zhǔn)單顆粒的穩(wěn)定發(fā)生和篩選以及光散射及偏振特性參數(shù)的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，實(shí)現(xiàn)儀器的單顆粒定標(biāo)測(cè)試，并獲取顆粒物光學(xué)識(shí)別數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)偏振數(shù)據(jù)。

3.2 對(duì)現(xiàn)有大氣顆粒物多維信息評(píng)價(jià)體系的創(chuàng)新型補(bǔ)充

開發(fā)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的偏振光散射過程分析能力具有國際領(lǐng)先水平的偏振光散射蒙特卡洛理論計(jì)算和仿真模擬平臺(tái)，研究多維偏振指標(biāo)的優(yōu)化組合和逆向反演顆粒物類別的算法，這種新的源類分析模型和算法是基于大氣顆粒物的物理特征數(shù)據(jù)譜庫，首次對(duì)偏振光學(xué)散射過程與典型源類對(duì)象之間的關(guān)系進(jìn)行描述和解釋，它在燃煤、機(jī)動(dòng)車尾氣、生物質(zhì)燃燒、揚(yáng)塵等典型排放源的實(shí)測(cè)評(píng)價(jià)，能夠成為大氣顆粒物形成機(jī)理、時(shí)空分布以及區(qū)域傳送等重點(diǎn)研究問題的輔助依據(jù)；基于實(shí)驗(yàn)室典型源類測(cè)試，利用綜合觀測(cè)和解析手段，通過對(duì)顆粒物開展定量動(dòng)態(tài)源解析，率先建成顆粒物光學(xué)信息組合特征與典型源類特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)特征的環(huán)境大氣顆粒物快速動(dòng)態(tài)來源識(shí)別。

3.3 功能創(chuàng)新

體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）該設(shè)備具備長周期不間斷連續(xù)觀測(cè)能力，核心部件和器材都可以長期穩(wěn)定工作，不需要定期的耗材更換，偏振光學(xué)在線數(shù)據(jù)采集和高維數(shù)據(jù)處理后的源識(shí)別數(shù)據(jù)更新速度在分鐘量級(jí)；（2）該設(shè)備是一種單顆粒物分析裝備，對(duì)大氣真實(shí)體系下的顆粒物的原始狀態(tài)進(jìn)行分析；（3）該設(shè)備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，價(jià)格低廉。

4 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)共六家單位，完整覆蓋技術(shù)支撐、應(yīng)用示范、工程化以及產(chǎn)業(yè)化四大領(lǐng)域。首先，在中興儀器承擔(dān)的整機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)任務(wù)的牽引下，由清華大學(xué)和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院配合分別承擔(dān)顆粒物特異性表征和源識(shí)別偏振光學(xué)模型算法與系統(tǒng)優(yōu)化，顆粒物光散射特性分析及儀器性能評(píng)價(jià)兩項(xiàng)基礎(chǔ)性任務(wù)，為中興儀器完成整機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)任務(wù)奠定基礎(chǔ)；然后，由中國環(huán)境科學(xué)研究院和中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站分別負(fù)責(zé)完成偏振光表征體系識(shí)別污染源的分類模型和數(shù)據(jù)解釋，顆粒物源識(shí)別的比對(duì)驗(yàn)證和應(yīng)用示范兩項(xiàng)儀器應(yīng)用開發(fā)任務(wù)；最后，由電子五所配合中興儀器完成儀器工程化與產(chǎn)業(yè)化的任務(wù)。通過上述七項(xiàng)任務(wù)的統(tǒng)籌安排和布局，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破、儀器研發(fā)、應(yīng)用開發(fā)、工程化與產(chǎn)業(yè)化的全鏈條打通，保障本項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

5 預(yù)期效益

本項(xiàng)目的順利實(shí)施，在科學(xué)上極大地豐富了大氣顆粒物源解析技術(shù)體系，光學(xué)數(shù)據(jù)庫與已有化學(xué)屬性庫形成互補(bǔ)驗(yàn)證，為開展大氣污染源復(fù)合解析提供綜合數(shù)據(jù)支撐；在社會(huì)管理上，一方面減少大氣顆粒物源識(shí)別儀器對(duì)國外技術(shù)的依賴，為國家和環(huán)保產(chǎn)業(yè)培育人才，另一方面可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果共享，共同繁榮藍(lán)色文明，創(chuàng)造社會(huì)公眾價(jià)值；在經(jīng)濟(jì)上，儀器產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景，不僅產(chǎn)生填補(bǔ)國內(nèi)外空白的多項(xiàng)技術(shù)專利，為企業(yè)創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)和可觀利稅；推動(dòng)了環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)快速發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)科學(xué)分析、機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、電子信息、基礎(chǔ)材料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造出顯著的高科技產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目初期已完成偏振光散射顆粒物識(shí)別的可行性論證和一套原理性樣機(jī)，在中國環(huán)科院和監(jiān)測(cè)總站進(jìn)行了成功試用，為本項(xiàng)目的實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ)。

作者簡介：楊希（1975-），男，湖南人，中興儀器（深圳）有限公司工程師，碩士，研究方向：在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器；邱致剛（1977-），男，黑龍江人，中興儀器（深圳）有限公司高級(jí)工程師，碩士，研究方向：在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器；常銻（1988-），女，山東人，供職于中興儀器（深圳）有限公司，碩士，研究方向：在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器；曾毛毛（1990-），男，江西人，供職于中興儀器（深圳）有限公司，碩士，研究方向：在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）