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可移动差分吸收激光雷达实验室系统保障冬奥会大气质量监测
来源:中国计量科学研究院        2022-01-20 09:24:42        阅读:421
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       大气污染物由于人类活动或自然过程排入大气的并对人和环境产生有害影响的那些物质。但是在一定范围的大气中,出现了原来没有的微量物质,其数量和持续时间,都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。干洁空气是在自然状态下的大气(由混合气体、水气和杂质组成)除去水气和杂质的空气,其主要成分是氮气,占78.09%;氧气,占20.94%;稀有气体占0.93%;其它各种含量不到0.1%的微量气体(如氖、氦、二氧化碳、氪等)。

       北京2022年冬奥会将于2月4日开幕、2月20日闭幕。中国计量科学研究院与英国国家物理实验室联手经过6年的努力,推出可移动差分吸收激光雷达实验室系统,为冬奥会大气质量监测做保障,高精度温室气体和大气污染物远程探测系统解决了温室气体和大气污染物空间浓度与排放量高精度时空分辨测量的诸多难点问题。实现温室气体和大气污染物三维空间演化规律的精准测量。

       差分吸收激光雷达最 早用于测量大气污染物N02,是利用大气本身的后向散射回波来进行测量的。差分吸收激光雷达检测大气污染,是利用与待测气体分子光谱吸收峰值波长,重合的激光光束,在大气中传输时受到该气体的强烈吸收而衰减的特性,通过测量其衰减程度得出该气体的浓度信息。为消除大气中的其他物质、光学仪器对该波长的吸收和仪器参数等因素对测量精度的影响,还需选取与待测气体中心波长十分接近的波长作为参考光束进行测量。回波强度较强,易于接收测量,可以实现很离的距离分辨率,具有大范围实时的特点。测量光程可达几十千米,主要是对大气平流层、对流层的痕量气体成分进行测量。

       差分吸收光谱技术是一种光谱监测技术,其基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分,并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。凭借其低廉且简单的设备装置和出色的监测能力,DOAS技术在大气监测领域内在国外已经被广泛应用。其分类可根据有无光源分为主动DOAS和被动DOAS,根据光程长短分为长光程DOAS和短光程DOAS。

       差分吸收光谱方法最 早由德国Heidelberg大学环境物理研究所的Platt提出,专门用于城市、地下通道、工业矿区的有害气体的监测。该方法具有原理和结构简单、响应速度快、精度高等优点。随着应用范围的不断扩大,DOAS也已经在烟气排放监测领域得到广泛应用。其基本原理是以被测气体在紫外和可见光波段的差分吸收光谱特征为基础,通过差分吸收光谱强度来反演气体的浓度。主动DOAS方面,瑞典的一家公司于1986年成功的升级并确立DOAS技术并用于Hg的分析,美国热电子公司也设计了自己的DOAS系统。1990年,Axelson等人采用了Cassegrain结构,将接收发射装置安装在同一望远镜系统,该系统被沿用至今。2005年,DOAS的断层扫描技术被实际应用并取得良好效果,它可以获得痕量气体的二维或三维的浓度分布,对气体的三维空间监测十分有利。被动DOAS方面,已经逐步实现了从地基观察到空中检测,再到星载遥测的发展。其中,星载遥测主要是利用卫星作为平台,从大气层外界观测某些污染物或者大气痕量气体在全 球的分布情况。2001年,瑞典的科学家率先研发出mini-DOAS设备,其便携性和简易操作的性质使得该技术被迅速应用到污染气体检测中。刚开始多用于火山喷发气体的测量,随着技术的发展,该技术被应用到发电厂,造纸厂等污染源排放集中的地方。

       远程监控技术,就是应用网络通信技术对远方的运行设备进行监视,以实现远程测量,远程信号,和远程调节等各项功能。远程监测技术是随着计算机技术,通信技术,传感技术的发展而逐渐兴起的设备状态监测技术。远程监控的监测点与控制中心分别位于两地,打破了地域的界限,方便通过网络来连接传递信息。它采用多元的信息传输、监测,管理和一体化的集成技术,实现信息,资源和任务的共享,达到了监测的实时、快速和有效,并能够同其它的计算机网络系统互连,向人们提供了一个更高效、更全面、更安全,更快捷的服务模式,改变了传统的监测模式。

       目前远程监测技术的主流是应用Internet技术,在TCP/IP协议和WWW规范支持下,合理组织软件结构,使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取权限下的所有信息并及时做出响应。未来,嵌入式系统的发展会越来越迅速,越来越成热,将这项新技术加以研究用于远程监控系统上,是监控系统未来发展方向之一。嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理,改善服务性能。可以使每一个设备具备网络与服务功能,每一个设备都可以独立进行服务,从而大大提高监控的质量和范围。

       大多数设备的监测及诊断系统都是基于现场的或基于局域网的分布式系统,此种体系结构相对封闭,故障诊断与维修都会受到人力、技术和地域的限制,故障诊断的时效性也受到一定的影响。因此,将设备故障诊断技术与计算机网络技术相结合,建立一种开放式的远程监测诊断系统,己经成为趋势所在。

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