激光雷达遥感监测环境污染物质

2023-11-23 理论教育版权反馈

【摘要】：激光雷达遥感监测环境污染物质是利用测定激光与监测对象作用后发生散射、反射、吸收等现象来实现的。应用拉曼散射原理制成的激光雷达可用于遥测空气中SO2、NO、CO、CO2、H2S和CH4等污染组分。图9-41是拉曼激光雷达系统示意图。还有一种差分吸收激光雷达监测仪，以其高灵敏度及可进行距离分辨测量等优点成功应用于遥测空气中NO2、SO2、O3等分子态污染物的浓度。

激光具有单色性好、方向性强和能量集中等优点，利用激光与物质作用获得的信息监测污染物质，具有灵敏度高、分辨率好、分析速度快的优点，所以自20世纪70年代初以来，运用激光对空气污染、对流层臭氧的分布和水体污染进行遥感监测的技术和仪器发展很快。

激光雷达遥感监测环境污染物质是利用测定激光与监测对象作用后发生散射、反射、吸收等现象来实现的。例如：激光射入低层大气后，将会与大气中的颗粒物作用，因颗粒物粒径大于或等于激光波长，故光波在这些质点上发生米氏散射。据此原理，将激光雷达装置的望远镜瞄准由烟囱口排出的烟气，对发射后经米氏散射折返并聚焦到光电倍增管窗口的激光强度进行检测，就可以对烟气中的烟尘浓度进行实时遥测。当射向空气的激光与气态分子相遇时，则可能发生另外两种分子散射作用而产生折返信号，一种是散射光频率与入射光频率相同的雷利散射，这种散射占绝大部分；另一种是占1％以下的散射光频率与入射光频率相差很小的拉曼散射。应用拉曼散射原理制成的激光雷达可用于遥测空气中SO2、NO、CO、CO2、H2S和CH4等污染组分。因为不同组分都有各自的特定拉曼散射光谱，借此可进行定性分析；拉曼散射光的强度又与相应组分的浓度成正比，借此又可作定量分析。因为拉曼散射信号较弱，所以这种装置只适用于近距离（数百米范围内）或高浓度污染物的监测。图9-41是拉曼激光雷达系统示意图。发射系统将波长为λ0（相应频率为f0）的激光脉冲发射出去，当遇到各种污染组分时，则分别产生与这些组分相对应的拉曼频移散射信号（f1、f2、⋯、fn）。这些信号连同无频移的雷利和米氏散射信号（f0）一起折返发射点，经接收望远镜收集后，通过光谱分析器分出各种频率的折返光波，并用相应的光电检测器检测，再经电子及数据处理系统得到各种污染组分的定性和定量检测结果。

图9-41 拉曼激光雷达系统示意图(www.chuimin.cn)

激光荧光遥感技术利用某些污染物分子受到激光照射时被激发而产生共振荧光，测量荧光的波长，可作为定性分析的依据；测量荧光的强度，可作为定量分析的依据。如一种红外激光-荧光遥感监测仪可监测空气中的NO、NO2、CO、CO2、SO2、O3等污染组分；还有一种紫外激光-荧光遥感监测仪可监测空气中的HO·浓度，也可以监测水体中有机物污染和藻类大量繁殖情况等。

利用激光单色性好的特点，也可以用简单的光吸收法监测空气中污染物浓度。例如：曾用长光程吸收法测定空气中HO·的浓度，将波长为307.9951nm、光束宽度小于0.002nm的激光射入空气，测其经过10km射程被HO·吸收衰减后的强度变化，便可推算出空气中HO·的浓度。还有一种差分吸收激光雷达监测仪，以其高灵敏度及可进行距离分辨测量等优点成功应用于遥测空气中NO2、SO2、O3等分子态污染物的浓度。这种仪器使用了两个波长不同而又相近的激光光源，它们交替或同时沿着同一空气途径传输，被测污染物分子对其中一束光产生强烈吸收，而对波长相近的另一束光基本没有吸收；同时，气体分子和气溶胶颗粒物对这两束光具有基本相同的散射能力（因光受颗粒物散射的截面大小主要由光的波长决定），因此两束光被散射后的返回光强度差仅由被测物质分子对它们具有不同吸收能力决定，根据这两束返回光的强度差就能确定被测污染物在空气中的浓度；分析这两束光强度随时间变化而导致的检测信号变化，就可以进行被测物质分子浓度随距离变化的分辨测定。例如：对大气平流层臭氧垂直分布的研究，激光雷达用激光器向平流层发射能被臭氧吸收的紫外线（308nm）和不能被臭氧吸收的紫外线（355nm），用电子望远镜收集从不同高度散射返回的紫外线，通过识别、分析，可获得不同高度臭氧的浓度。

激光雷达遥感监测环境污染物质

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