基於FTIR技術的立體化、多平台監測體系

【中國化工儀器網 技術前沿】傅立葉變換紅外光譜技術結合其多種形式的非接觸測量方式，可以實現對氣體的主被動測量，非常適合用於化工業園區的排放現場監測。FTIR技術用於氣體精確定量分析存在兩個主要問題，一是氣體分子吸收截面受氣壓、溫度影響明顯，二是FTIR系統的解析度一般遠小於氣體分子譜線的展寬，儀器線型受到干涉圖採樣，切趾和輻射入射立體角等因素影響。這些影響因素使得表觀譜線產生難以忽略的偏移和展寬。

基於FTIR技術的立體化、多平台監測體系

上世紀80年代後期，隨著科學技術的進步，環境監測技術迅速發展，儀器分析，計算機控制等現代化手段在大氣環境監測中得到了廣泛應用，各種自動連續監測系統相繼問世。環境監測也從單一的環境分析發展到物理監測、流動監測、遙感和衛星監測，從間斷性監測逐步過渡到自動連續監測。監測範圍從一個點面而發展到一個城市、一個區域、整個國家乃至全球。

目前，可用於環境氣體定量分析的方法已有很多，新興的方法仍在不斷湧現，隨著現代物理學和化學研究的進步，特別是表面物理學、光學和電子學的發展，各種大氣環境技術的飛速進步，各種光譜學監測技術脫穎而出，其具有大範圍、連續、實時監測的特點，成為大氣環境監測的理想工具。光譜學技術監測環境大氣是以電磁波與物質之間的相互作用這一物理現象為基礎，對光譜的精確分析可以輕鬆滿足監測技術的靈敏性和精確性要求。現階段，光譜遙感監測技術的主要分支包括：差分吸收激光雷達技術（DIAL，Differential Absorption Lidar），差分吸收光譜技術（DOAS，Differential Optical Absorption Spectroscopy），可調諧二極體激光吸收光譜技術（TDLAS，Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy），傅立葉變換紅外光譜技術（FTIR，Fourier Transform Infrared Spectroscopy）。其中，傅立葉變換紅外光譜技術（FTIR）是近年來快速發展起來的一種綜合性探測技術。由於大氣中大多數的微量、痕量氣體都是紅外活性氣體，在2~30μm波段範圍內具有吸收和發射紅外特徵光譜的能力，這個波段稱為中紅外區或指紋區，對於光譜測量非常有利，因而FTIR在大氣環境監測中應用前景非常廣泛。世界上許多國家利用該種技術開展對大氣環境及大氣污染的觀測及研究工作，尤其是對污染源排放氣體進行實時監測；對區域性的溫室氣體和反應性痕量氣體的本底、分布廓線、時空變化進行觀測研究。FTIR的主要特性包括：用極短的掃描時間得到高質量的光譜，大通光量保證高靈敏度，具有很高的波數準確度，很寬的光譜範圍，較高的和恆定的譜分辨能力。傅立葉變換紅外(FTIR)遙測技術在探測和鑒定開放式環境中的氣相污染物方面的應用日益增多。傅立葉變換紅外檢測技術按其光學配置，可以劃分為主動和被動兩種測量方式。

自本世紀初以來，中國科學院安徽光學精密機械研究所在國內率先開展了基於FTIR技術的氣體定量反演方法與監測技術研究，研發了具有獨立自主知識產權的雙臂掃擺式核心干涉儀模塊，相繼開發了可用於環境大氣在線監測的多用途、多形式、多平台的FTIR監測系統。

針對化工園區污染物排放種類多、污染物特徵因子複雜等特點，FTIR技術可以集成如圖1所示的立體化、多平台監測體系。固定污染源排放監測系統可以針對化工園區重點排放區域、關鍵排放點進行重點監測，圖1中固定污染源系統分別對G1處煙氣排放口和G2處重點儲存區進行重點監測；無組織排放監測系統可以對整個化工園區的無組織排放污染物進行實時日常和預警性監測，圖1中的A1-A2、B1-B2和C1-C2為三套開放光路FTIR在線監測系統的光路示意圖，三套在線監測系統通過網路化構建可以監測整個化工園區的無組織排放情況；另外，化工園區的總體通量排放情況也是環保部門監管的重點，可以作為一個排放區域對外污染貢獻的重要考核指標，圖1中車載式掩日法排放通量測量系統可以繞整個化工園區走航監測，結合氣象數據計算出整個化工園區的排放通量情況。

傅立葉變換紅外光譜技術結合其多種形式的非接觸測量方式，可以實現對氣體的主被動測量，非常適合用於化工業園區的排放現場監測。FTIR技術用於氣體精確定量分析存在兩個主要問題，一是氣體分子吸收截面受氣壓、溫度影響明顯，二是FTIR系統的解析度一般遠小於氣體分子譜線的展寬，儀器線型受到干涉圖採樣，切趾和輻射入射立體角等因素影響。這些影響因素使得表觀譜線產生難以忽略的偏移和展寬。目前開發的基於數字合成校準的紅外光譜氣體定量分析方法較好的解決了這些問題，通過結合自主研發的紅外光譜分析儀器，目前已經實現了無人值守、連續自動、在線和數據結果遠程無線定向傳輸等功能，為我國當前在污染監測等方面的迫切需要提供了核心技術支持。