吳子揚(yáng),謝品華, 3*,徐 晉,李 昂,張 強(qiáng),胡肇?zé)j,李曉梅,田 鑫
1. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230026 2. 中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031 3. 中國(guó)科學(xué)院區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心,福建 廈門(mén) 361021
氮氧化物(NOx)在全球大氣化學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用,由于大氣中臭氧的氧化作用,NOx中NO和NO2的比例在不斷變化。NO2同時(shí)是衡量大氣污染程度的重要標(biāo)尺之一,長(zhǎng)期接觸可能破壞人類免疫系統(tǒng),導(dǎo)致呼吸道感染等疾病。近年來(lái),我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,工業(yè)化程度越來(lái)越高,大氣環(huán)境污染問(wèn)題加劇,嚴(yán)重影響人民的日常生活。據(jù)估計(jì),全球至少一半氮氧化物的排放歸因于化石燃料的燃燒,因此,對(duì)大氣污染痕量氣體監(jiān)測(cè)是目前研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。
自20世紀(jì)80年代起,差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)迅速發(fā)展起來(lái),其作為一種對(duì)大氣污染行之有效的監(jiān)測(cè)手段,已成功探測(cè)到大氣對(duì)流層和平流層中的NO2,SO2,HCHO,O3,BrO,NH3,CS2和NO3和芳香烴等許多種類的痕量污染氣體。成像差分吸收光譜(I-DOAS)是一種被動(dòng)測(cè)量技術(shù),主要用于提供煙羽中污染氣體的斜柱濃度(SCD)二維分布,能夠快速獲取觀測(cè)區(qū)域內(nèi)大氣痕量污染物的時(shí)空分布信息。目前,成像DOAS技術(shù)已應(yīng)用于不同平臺(tái)上進(jìn)行監(jiān)測(cè),如地基掃描、車(chē)載、機(jī)載以及星載,觀測(cè)區(qū)域也從小尺度、小范圍監(jiān)測(cè)逐漸發(fā)展向大尺度、區(qū)域性甚至全球性的大氣污染監(jiān)測(cè)。
本文主要研究成像差分吸收光譜技術(shù),對(duì)差分吸收光譜原理、成像原理和測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,對(duì)測(cè)量?jī)x器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了具體分析,并以NO2為例,利用地基掃描成像DOAS系統(tǒng)對(duì)安徽省合肥市邊界層大氣進(jìn)行成像遙測(cè)實(shí)驗(yàn),通過(guò)DOAS方法對(duì)所采集光譜反演得到濃度信息,并通過(guò)對(duì)觀測(cè)的幾何模型的計(jì)算,將獲得的濃度信息與空間信息進(jìn)行精準(zhǔn)的像元匹配,成功獲得了目標(biāo)區(qū)域的污染痕量氣體濃度的二維分布圖,并在城市區(qū)、電廠區(qū)和郊區(qū)三個(gè)方向上與當(dāng)天同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的MAX-DOAS觀測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果作對(duì)比,獲得了很好的相關(guān)性。
大氣中污染氣體的分布,尤其是污染源及大氣邊界層的二維分布的精確探測(cè),是研究大氣污染物生成和變化規(guī)律的基礎(chǔ),其中成像DOAS技術(shù)是一種高效的探測(cè)手段。
差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)原理是基于比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律,其表達(dá)式如式(1)
(1)
其中,I(λ)表示接收光強(qiáng),I0(λ)表示發(fā)射光強(qiáng),εR表示瑞利散射系數(shù),εM表示米氏散射系數(shù),l為光程長(zhǎng)度,σi(λ,P,T)為吸收截面,c為氣體濃度,i為氣體種類。
由于成像DOAS技術(shù)以太陽(yáng)散射光為光源,因此痕量氣體的吸收光程l無(wú)法獲得,將式(1)變換為對(duì)未知路徑進(jìn)行積分
(2)
I(λ)=I0(λ)exp[-σ(λ)SCD]
(3)
將由各種散射造成的光衰減即吸收截面的慢變化部分,通過(guò)數(shù)字高通濾波消除,得到差分光學(xué)厚度計(jì)算公式
(3)構(gòu)建具有鮮明特色的綜合實(shí)用課程建設(shè)方案。在綜合實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)中,要注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng),建立跟蹤學(xué)科發(fā)展的前沿。一個(gè)滿足社會(huì),學(xué)術(shù)和實(shí)踐需要的實(shí)用課程體系。在課程結(jié)構(gòu)中,有必要建立以理論強(qiáng)化,技術(shù)應(yīng)用為核心,創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向,專業(yè)化,多功能化的內(nèi)容體系。在培養(yǎng)綜合實(shí)踐能力的過(guò)程中,有必要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下突出基于理解的創(chuàng)新能力培養(yǎng),努力提高學(xué)生信息環(huán)境下的專業(yè)綜合技能。
(4)
式(4)中斜柱濃度SCD(slant column density)即表示痕量氣體濃度沿太陽(yáng)光路徑的積分。
研究的成像DOAS技術(shù)是基于“推掃”遙測(cè)成像方式[12],測(cè)量中垂直方向上穿過(guò)污染痕量氣體的太陽(yáng)散射光經(jīng)采集進(jìn)入系統(tǒng),經(jīng)光柵色散后成像在面陣探測(cè)器上,由面陣探測(cè)器收集空間維和光譜維信息。利用差分吸收光譜技術(shù)對(duì)獲取的光譜信息進(jìn)行反演得到多組氣體濃度值,再根據(jù)測(cè)量幾何模型,將濃度信息與空間上每個(gè)像元相匹配,最后垂直與水平方向上信息相結(jié)合,完成對(duì)物體的二維分布成像,如圖1所示。
圖1 掃描過(guò)程示意圖
面陣CCD的空間維對(duì)應(yīng)觀測(cè)的垂直方向,已知觀測(cè)點(diǎn)到目標(biāo)的垂直距離時(shí),通過(guò)視場(chǎng)角以及一次掃描角度計(jì)算出濃度分布矩陣中每個(gè)濃度值對(duì)應(yīng)空間大小,即成像后的空間分辨率,計(jì)算如式(5)和式(6)
R1=2Ltan(α/2)
(5)
(6)
其中,R1為水平分辨率,R2為垂直分辨率(式中512為CCD空間維上的像元數(shù)),L為觀測(cè)點(diǎn)到目標(biāo)的垂直距離,α為每次測(cè)量水平掃描的角度,β為垂直視場(chǎng)角。水平分辨率R1與α和L有關(guān),α通常大于掃描時(shí)的瞬時(shí)水平視場(chǎng)角。
地基成像DOAS系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)主要包括帶有溫控系統(tǒng)的高光譜分辨率消像差Czerny-turner成像光譜儀[13-14]、面陣CCD、二維轉(zhuǎn)臺(tái)、導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等,系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
圖2 地基成像DOAS系統(tǒng)及掃描示意圖
表1 成像DOAS系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Imaging DOAS system parameters
太陽(yáng)散射光進(jìn)入紫外鏡頭,再通過(guò)導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入成像光譜儀,成像光譜儀為一種三光柵塔輪加兩片消像差凹面反射鏡結(jié)構(gòu),光譜儀采集到的光譜信息經(jīng)過(guò)面陣CCD的模數(shù)轉(zhuǎn)化后傳輸?shù)接?jì)算機(jī),面陣CCD的空間維為512 pixel,光譜維為2 048 pixel,每次測(cè)量能夠獲得M1—M2一條縱列上的512條具有2 048 pixel的光譜。通過(guò)電機(jī)的水平推掃,從M1—M2到N1—N2之間進(jìn)行多次測(cè)量。利用計(jì)算機(jī)通過(guò)DOAS方法對(duì)每條光譜進(jìn)行反演,即可獲得整個(gè)面上在光傳輸路徑中污染痕量氣體的斜柱濃度,再對(duì)獲得的每個(gè)面上的痕量氣體斜柱濃度值進(jìn)行空間插值重構(gòu),得到區(qū)域污染氣體的分布情況。
導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)為40°視場(chǎng)角的紫外鏡頭以及多芯光纖束,多芯光纖束的結(jié)構(gòu)如圖3所示,光纖束總共具有60芯,可以實(shí)現(xiàn)較高的散射光信號(hào)收集,具有較好的成像質(zhì)量、大視場(chǎng)并且與光譜儀孔徑匹配等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)光纖束傳輸?shù)姆绞綐O大地便利了成像系統(tǒng)儀器的安裝和調(diào)試。光纖芯兩端水平順序排布,光纖芯束一一對(duì)應(yīng),芯芯間的間距為220 μm;光纖芯排布長(zhǎng)度為8.36 mm。光纖束前端耦合成像光譜儀的入射狹縫,后端耦合40°視場(chǎng)角紫外鏡頭,紫外鏡頭搭載于二維轉(zhuǎn)臺(tái)上,通過(guò)電機(jī)連接計(jì)算機(jī)可獲得精確的掃描角度信息。
圖3 多芯光纖束示意圖
2018年6月12日,在合肥市西北科學(xué)島安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所綜合樓樓頂搭建地基成像DOAS掃描系統(tǒng),對(duì)合肥市邊界層大氣NO2開(kāi)展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)天天氣晴朗無(wú)云,觀測(cè)時(shí)間為下午2點(diǎn)整。設(shè)置二維轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)從0°到90°水平旋轉(zhuǎn),每隔2 s旋轉(zhuǎn)一次,一次旋轉(zhuǎn)1°,完成完整掃描耗時(shí)約10 min,掃描范圍如圖4所示,掃描區(qū)域由北到南包括三個(gè)區(qū)域,分別為郊區(qū)、電廠區(qū)和城市區(qū),針對(duì)不同區(qū)域?qū)O2濃度分布進(jìn)行成像分析。
圖4 掃描區(qū)域示意圖
實(shí)驗(yàn)中成像光譜儀不同空間維上的儀器函數(shù)不同,且采用了多芯光纖束作為導(dǎo)入光學(xué)結(jié)構(gòu),而每根光纖之間存在包層等結(jié)構(gòu),導(dǎo)致CCD存在未被照亮的部分,為提高信噪比,需要在512 pixel的空間維上對(duì)照亮部分依次提取。根據(jù)CCD像面尺寸和光纖芯數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可提取38條光纖采集的光譜,同時(shí)對(duì)汞燈譜以及作為參考譜的天頂太陽(yáng)光譜進(jìn)行光譜合并和提取,共得到空間維上與測(cè)量光譜相對(duì)應(yīng)的38個(gè)波長(zhǎng)信息以及相對(duì)應(yīng)的38條參考譜,這樣保證了光譜中的夫瑯禾費(fèi)結(jié)構(gòu)能盡可能地被扣除。
根據(jù)幾何光學(xué)計(jì)算其有效視場(chǎng),如式(7)和式(8)所示
(7)
(8)
其中,l等效為光譜儀入射狹縫到面陣CCD的距離,θ為有效視場(chǎng)角,計(jì)算結(jié)果為θ=26°。
針對(duì)污染源的污染氣體分布探測(cè),通常選擇相對(duì)干凈背景光譜作為參考光譜,以扣除太陽(yáng)光譜中的夫瑯禾費(fèi)結(jié)構(gòu),同時(shí)可減少大氣背景對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響。而在對(duì)大區(qū)域(如城市邊界層)探測(cè)的情況下,為獲得邊界層大氣的斜柱濃度分布信息,一般選擇天頂太陽(yáng)光譜作為參考光譜進(jìn)行反演,得出濃度分布后,將每列斜柱濃度向量減去相比最低的列向量,即可近似為減少大氣背景影響下的邊界層斜柱濃度分布信息。在忽略不同行間像元串?dāng)_的前提下,利用提取的光譜信息,結(jié)合同像元參考光譜及定標(biāo)信息,使用QDOAS光譜反演軟件對(duì)測(cè)量光譜進(jìn)行逐條反演,獲得多組NO2斜柱濃度信息。反演中選取337~370 nm波段,參與反演的氣體包括NO2,HCHO,O4和O3,通常將Ring效應(yīng)當(dāng)作一種吸收成分參與光譜擬合,具體QDOAS參數(shù)設(shè)置如表2所示。選取其中兩條測(cè)量光譜為例進(jìn)行擬合反演,如圖5所示。
表2 QDOAS參數(shù)設(shè)置Table 2 QDOAS parameter setting
可得NO2的DSCD值分別為3.3×1016和2.6×1016molec·cm-2,其殘差相應(yīng)為5.2×10-4和3.4×10-4。對(duì)所有測(cè)量光譜進(jìn)行DOAS方法反演,得到38×90=3 420組NO2的DSCD值。
對(duì)上述3 420組NO2的DSCD值按掃描方向從左向右依次排列,得到合肥市邊界層NO2斜柱濃度分布,如圖6所示。電機(jī)水平推掃,推掃過(guò)程中垂直方向每個(gè)仰角上接收的太陽(yáng)散射光的光程相同,因此,為扣除大氣邊界層存在的復(fù)雜背景,將濃度分布矩陣中所有列向量均減去郊區(qū)區(qū)域內(nèi)NO2斜柱濃度最低所對(duì)應(yīng)的列向量,可得到扣除邊界層復(fù)雜背景后的NO2濃度分布情況,如圖7所示。
圖6 合肥市邊界層NO2差分斜柱濃度分布示意圖(未扣除復(fù)雜背景)
Fig.6SchematicdiagramofdistributionofNO2DSCDintheboundarylayerofHefei(Unsubscribedthecomplexbackground)
圖7 合肥市邊界層NO2斜柱濃度分布示意圖(扣除復(fù)雜背景)
Fig.7SchematicdiagramofdistributionofNO2DSCDintheboundarylayerofHefei(Deductedthecomplexbackground)
在距離觀測(cè)點(diǎn)1 000 m,電機(jī)掃描每次旋轉(zhuǎn)1°,鏡頭有效垂直視場(chǎng)角為26°時(shí),系統(tǒng)的空間分辨率由式(5)和式(6)計(jì)算,結(jié)果為17.45 m×0.90 m(水平×垂直)。由于在垂直方向上約5個(gè)通道合并提取出一條光譜,因此垂直方向上空間分辨率為0.90×5=4.50 m,所以1 000 m處的二維分布圖的每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)空間大小為17.45 m×4.50 m(水平×垂直),同理可計(jì)算出距離觀測(cè)點(diǎn)2 000 m,3 000 m及更遠(yuǎn)處的空間分辨率。
圖7中電廠距離觀測(cè)點(diǎn)8 800 m,可計(jì)算出空間分辨率為153.59 m×39.68 m??鄢龔?fù)雜背景后,發(fā)現(xiàn)NO2主要集中在近地面區(qū)域,城市區(qū)污染層厚度約為39.68 m×6=238.08 m,電廠區(qū)污染層厚度約為39.68 m×5=198.4 m。在近地面水平方向上,電廠區(qū)與城市區(qū)的NO2濃度明顯高于郊區(qū),郊區(qū)NO2的來(lái)源主要是跨區(qū)域輸送和秸稈等生物質(zhì)的燃燒,而城市區(qū)NO2排放較多可能是由于汽車(chē)尾氣、工業(yè)過(guò)程排放等造成,觀測(cè)表明,近地面NO2斜柱濃度最高可達(dá)到3.4×1016molec·cm-2。
選取在成像掃描觀測(cè)期間在同一位置的MAX-DOAS同步觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。MAX-DOAS是指一種通過(guò)改變望遠(yuǎn)鏡指向(即仰角)來(lái)接收多仰角散射光的測(cè)量方式,通常視場(chǎng)角較小(小于1°),而I-DOAS使用面陣CCD,在垂直方向上有較大的視場(chǎng)角(本系統(tǒng)為26°),在特定仰角下,可同時(shí)獲得一組不同方向進(jìn)入探測(cè)器的光譜,這與MAX-DOAS觀測(cè)方式類似,因此,二者在斜柱濃度探測(cè)上,可以進(jìn)行相互對(duì)比驗(yàn)證。
在觀測(cè)期間,MAX-DOAS分別對(duì)合肥市邊界層郊區(qū)、電廠區(qū)、城市區(qū)三個(gè)方向進(jìn)行了垂直掃描觀測(cè),得出的NO2DSCD結(jié)果與I-DOAS觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖8所示。
對(duì)比結(jié)果可以看出在MAX-DOAS和I-DOAS所探測(cè)到的NO2差分斜柱濃度的分布規(guī)律相似,同時(shí),對(duì)合肥市郊區(qū)、電廠區(qū)、城市區(qū)三個(gè)區(qū)域的觀測(cè)結(jié)果分別進(jìn)行相關(guān)性分析,如圖8所示,分別得到0.86,0.87和0.83的相關(guān)系數(shù),二者均能觀測(cè)到相同的邊界層NO2差分斜柱濃度的分布變化趨勢(shì),也進(jìn)一步說(shuō)明了成像DOAS對(duì)邊界層污染氣體探測(cè)方面更加直觀、更有時(shí)效性。
圖8 MAX-DOAS與I-DOAS在三個(gè)區(qū)域內(nèi)NO2DSCD分布對(duì)比及相關(guān)性分析示意圖(a):郊區(qū);(b):電廠區(qū);(c):城市區(qū)
Fig.8ComparisonofNO2DSCDdistributionandcorrelationanalysisbetweenMAX-DOASandI-DOASinthreeregions
(a): Suburban; (b): Power plant area; (c): Urban area
研究了基于成像差分吸收光譜技術(shù)的污染氣體濃度分布探測(cè)方法和應(yīng)用,并介紹了地基成像DOAS掃描系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和儀器參數(shù),對(duì)合肥市邊界層大氣NO2開(kāi)展了二維掃描觀測(cè),通過(guò)測(cè)量的幾何模型,與空間維的像元信息相匹配,扣除復(fù)雜背景后,獲得了合肥市邊界層大氣中NO2差分斜柱濃度分布圖。結(jié)果表明,城市區(qū)和電廠區(qū)的NO2濃度比郊區(qū)NO2濃度高得多,且分布高度更高,這說(shuō)明電廠區(qū)和城市區(qū)的化工燃料的燃燒排放以及汽車(chē)尾氣的大量排放可能對(duì)大氣中的NO2濃度與分布起到了主要的貢獻(xiàn)作用。成像系統(tǒng)所觀測(cè)到的污染痕量氣體分布能夠直觀給出所觀測(cè)氣體斜柱濃度高低分布,對(duì)分析城市邊界層污染氣體分布和傳輸提供了強(qiáng)有力的支撐。為驗(yàn)證系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性,在城市區(qū)、電廠區(qū)和郊區(qū)三個(gè)主要方向上,將獲得的結(jié)果與當(dāng)天同時(shí)觀測(cè)的MAX-DOAS的結(jié)果相對(duì)比,兩者均能觀測(cè)到相同的邊界層NO2差分斜柱濃度的分布變化趨勢(shì),具有很好的相關(guān)性,也進(jìn)一步說(shuō)明了成像DOAS在邊界層污染氣體探測(cè)具有直觀性和時(shí)效性。下一步可進(jìn)行多時(shí)段的觀測(cè),并結(jié)合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),以研究污染氣體在邊界層大氣中的傳輸及演化。