CH8-5

光的吸收及散射

在環(huán)境監(jiān)測中的應用

TheapplicationsofadsorptionandscatteringofLightinatmosphericmonitoring

§8.5光的吸收及散射在環(huán)境監(jiān)測中的應用人類工業(yè)生產、社會生活中消費大量的化石能源，排放大量的污染氣體環(huán)境污染、尤其是大氣污染問題（如酸雨、光化學煙霧、大氣溫室效應等）日益嚴重直接影響到人類的生存質量和經濟的可持續(xù)發(fā)展大氣污染監(jiān)測及環(huán)境保護已成為世界各國都十分關注的熱點問題大氣污染監(jiān)測技術：(1)差分光學吸收光譜技術采用連續(xù)寬光譜光源利用大氣中氣體分子的選擇性吸收來鑒別大氣中NO2、NO、SO2、O3等有害痕量氣體成分根據窄帶吸收強度可推演出氣體的濃度(2)激光雷達技術采用激光光源利用大氣中懸浮粒子或氣體分子等對激光的散射及吸收現(xiàn)象探測氣溶膠密度、能見度、溫度、氣體濃度等大氣環(huán)境參數(shù)1979年德國科學家U.Platt提出差分光學吸收光譜技術與傳統(tǒng)的電化學采樣檢測方法相比，該技術具有以下優(yōu)點：

非接觸性測量

探測靈敏度高

實時在線高速測量

可同時測量多種氣體成分

一、差分光學吸收光譜技術

DOAS-DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy1.差分光學吸收光譜技術的基本原理化學氣體對光的吸收遵循Beer-LambertLaw：I(

)=Io(

)exp{-L[

R(

)+

M()+(

)C]}

表示波長,Io(

)寬帶光源發(fā)出的光強度，

I(

)經過光程L接收的光強度,C氣體的濃度,

R(

)瑞利散射消光系數(shù)(~

-4),

M(

)米散射消光系數(shù)(~

-a,a~1-4)

(

)氣體的吸收截面,表示氣體分子的吸收對入射光強的衰減作用

(

)=

0(

)+

(

)

0(

)為吸收截面的低頻(寬帶)部分,

(

)為差分吸收截面,隨波長作快速變化不同氣體分子的差分吸收截面存在顯著的差別，這是進行氣體成分鑒別及濃度測量的主要依據D

()=ln[Io(

)/I(

)/Ipoly]=LC

(

)Ipoly

代表吸收光譜中所有的寬帶貢獻，包括瑞利散射、米散射、吸收截面的低頻部分D(

)

為差分吸收密度，與氣體分子濃度成正比NO2氣體的差分吸收截面2.差分光學吸收光譜系統(tǒng)結構及工作原理差分光學吸收光譜系統(tǒng)的結構示意圖光源和發(fā)射光學系統(tǒng)望遠接收光學系統(tǒng)光譜測量系統(tǒng)信號采集及處理系統(tǒng)香港城市大學DOAS系統(tǒng)Wavelength(nm)Signalintensity(v)Wavelength(nm)Arbitraryvalue光源通過空氣柱及二氧化氮氣柱后的光譜NO2氣體的實測及參考吸收截面比較3.DOAS系統(tǒng)用于城市空氣污染監(jiān)測現(xiàn)場測量的大氣中NO2濃度分布長光程大氣吸收光譜Time:Jan.04,2002Site:TaiPo,HongKongLightpath:387mMode:doublepath3.DOAS系統(tǒng)用于城市空氣污染監(jiān)測二、米氏散射激光雷達技術LIDAR-LightDetectionandRanging用于大氣監(jiān)測的激光雷達系統(tǒng)分類：米氏散射激光雷達：

測量大氣能見度、云層高度、及氣溶膠密度差分吸收激光雷達：測量大氣中特定污染物(如SO2、NO2等)濃度多普勒激光雷達：測量風速喇曼散射激光雷達：測量大氣中溫度廓線分布1.米氏散射激光雷達方程

P(r):t時刻接收的激光能量，P0:t0時刻的發(fā)射激光能量，C:光速，

:脈沖寬度，A:有效接收面積，r=C(t-t0)/2傳輸距離，

(r):

大氣背散射系數(shù)，(r):大氣消光系數(shù)

回波信號反演方程：令：S(r)=ln[r2P(r)]則：r0：給定的參考距離上式的微分公式：對均勻大氣介質：

d/dr=0,(r)=-1/2dS/dr

斜率反演方程實際大氣環(huán)境下：

=bk,b為常數(shù)，0.67k1,

大氣消光系數(shù)反演方程

高度修正后的對數(shù)回波激光能量由探測的激光雷達回波信號利用上式即可反演出大氣消光系數(shù)，進而可導出大氣的光學厚度、以及大氣能見度等一些物理參量2.米氏散射激光雷達系統(tǒng)結構及工作原理

激光發(fā)射系統(tǒng)光學接收系統(tǒng)光電探測系統(tǒng)數(shù)據采集及處理系統(tǒng)香港城市大學Lidar系統(tǒng)3.米氏散射Lidar系統(tǒng)用于大氣參數(shù)測量0246810121416Range/km6543210-1

米氏散射激光雷達的回波信號分布圖測量云層高度及厚度3.米氏散射Lidar系統(tǒng)用于大氣參數(shù)測量測量大氣消光系數(shù)timeinterval:15min16equallevelsmaximum0.28

km-1minimum0.13

km-1Location:Kowloon,HKTime:5pm,01/18/2000weather:foggyweatherrelativehumidity:83%airtemperature:16.7oCelevationangle:8degreescanangle:3.75degreeConclusion:Elevatedaerosolco