遥感FTIR在大气环境监测中的新

【摘 要】众所周知,遥感FTIR技术是现如今对大气环境所采用的主要监测方法,由于其具有高度的分辨率以及灵敏度,可以在不知道被测对象的前提下进行多组分的同时测定,因此受到环境监测部门的高度关注,并主要用于对一些有毒且较易挥发的特殊气体做定性以及定量的监测.本篇文章通过对遥感FTIR监测技术概念以及优势的简述,帮助人们系统的了解了该技术的应用过程,有利于准确掌握化学计量学和被动式遥感FTIR在大气环境监测领域的最新发展并灵活应用.

【关 键 词】遥感FTIR；大气环境监测；新发展

随着我们国家经济社会的不断发展,大气环境的污染程度变得越来越严重,尤其是一些具有挥发性物质的污染,不仅严重影响了我们赖以生存的大气环境,还极大程度的危害着我们的身体健康,因此,无论是我们个人还是我们的国家都需要对其引起高度重视,采取一切措施对其实施科学的监测和治理.在对大气环境实施监测过程中,作为主要且科学有效的监测技术,遥感FTIR具有高度的分辨率以及灵敏度,可以在不知道被测对象的前提下进行多组分的同时测定,受到环境监测部门的广泛应用.

一、遥感FTIR的概念描述

通常情况下,环境监测部门采用的是定点取样法对大气的环境状况进行监测,然而,在定点取样法进行观测过程中,得到的观测数据只能单纯地反映较小范围内的大气环境污染的程度,无法实现观测样本点范围外的观测,所以此方法不能适用于大型监测区域的污染监测工作.而遥感FTIR技术作为近几年发展较快、运用较广的综合型探测技术,其使用过程不同于传统的定点取样法,一般不受区域限制,主要的优点如下：

（一）可以实现远距离的监测,遥感FTIR技术可以对远距离的大气污染物实施24小时不间断地监测（二）遥感FTIR技术可以对多组分的混合物进行分析,并且迅速的做出判定（三）遥感FTIR技术应用于大气监测时,可以略过取样等耗时、繁琐的手续（四）遥感FTIR技术对监测的区域面积没有特殊限制,且能够实现地面、高空的三维空间的大气环境监测.

现如今,随着我们国家对于遥感FTIR技术在大气环境监测中的应用的深入研究,遥感FTIR中有关于化学计量学以及被动式的遥感监测技术都取得了新的发展.

二、化学计量学在遥感FTIR光谱图的解析中的新研究成果

近几年,计量学的一些方法技巧逐步渗透于化学的各个方面,使得化学计量学逐渐趋于成熟,并在遥感FTIR光谱图的解析中得到越来越多的应用.常见的化学计量学模型有：人工神经网络、经典最小二乘法、偏最小二乘法、卡尔曼滤波法以及遗传算法等,下面我们利用这些化学计量学中的数学模型对遥感FTIR光谱图进行定性、定量地解析.

在实际操作中,我们分别利用经典最小二乘法、偏最小二乘法、卡尔曼滤波法以及人工神经网络对光谱图中出现的严重混合大气污染物实行定量地解析.通过分析的结果我们可以发现,这些方法都可以实现对混合型大气污染物的定量检测.同时,在大气污染物的定性鉴别中,我们首先通过偏最小二乘法对一些未知的干扰物进行鉴定,然后再通过人工神经网络对多组分的环境情况进行定量地解析.为了简化神经网络结构、缩短监测时间、减小监测误差,我们用偏最小二乘法对人工神经网络输入的信号实行变量提取,从而高效、准确地解析了遥感FTIR光谱图.与此同时,对于遗传算法这一化学计量模型来说,其不仅具有较高的求解能力以及优良的非线性特征,还是光谱图库中较好的计算机检索工具.

（二）遥感FTIR光谱图的特征信号的提取以及其噪声的处理

噪声的科学、有效的处理对遥感FTIR光谱图的解析具有重要意义,一般情况下,我们可以利用WA进行一定程度的遥感FTIR光谱图信号特征的提取,并且利用WA对信号实施分解时,可以在一定程度上滤除掉光谱图中的噪音干扰,从而突出有用信号的存在位置.通过最新研究发现,对于开路遥感FTIR光谱图的噪音来说,我们可以采用新型数据预处理法实现对噪音的彻底清除,该方法称之为正交信号校正,对其与二阶求导的预处理进行比较,可以得到下图,该图分别利用上述两个方法对以下七种气体的光谱图中的噪音干扰进行处理,得到处理前后的分析模型的误差结果如下：

通过上图的比较结果我们可以看出,利用正交信号校正法对光谱图处理以后分析模型误差为16.58%,比二阶求导处理后的平均误差37.94%要小得多,因此,正交信号校正在对光谱图中噪音的消除功能上具有显著的效果.

三、被动式遥感FTIR在大气环境的监测过程中的应用新成果

近几年,随着遥感FTIR技术的广泛应用,国内外的许多专家对被动式遥感FTIR技术在大气环境中的监测过程进行了大量的科学研究,并且通过研究发现,该技术能够较为准确的感测出热气体放射源所发出的红外辐射中的物理以及化学特性,从而探索出监测大气污染物的新发展方向.

被动式遥感FTIR监测技术的工作原理需要借助于大气污染物的不同温度,其特点是能够在背景信息缺乏的状态下,对任意方向实施数据的收集,避免了样品预处理工序,并且该监测技术可以实现对多种大气污染物的同时监测,不受时间和距离限制.要想熟练掌握被动式遥感FTIR技术并且将该技术有效应用于大气环境的监测过程中,这就要求我们不仅需要了解其工作原理、工作特点,还需要了解监测过程中仪器响应函数的规律.一般情况下,仪器的响应函数又被称为仪器的频率函数,对于不同的实验条件来说,其仪器的响应函数也是不同的,它通常与校正时的黑体温度的高低以及仪器接收信号的大小有关.

随着遥感FTIR法在大气环境监测中的不断发展,利用遥感FTIR法监测大气污染物的优势也逐渐被人们所知,在对大气中各种特殊污染气体实施遥感监测时,遥感FTIR法具有重要的使用价值,它可对各种红外源实行远距离的非接触型遥测；能够较为精确地提供在燃烧火焰里的激发态分子的转动或振动的详细信息；不需要对样品进行预处理并且可对多种燃烧产物实行同时检测；监测速度快、精度高；它还可以对光谱辐射的能量分布实行绝对监测.同时,由于反射望远镜的使用,可以在一定程度上实现远距离遥感监测燃煤的发电厂等一些大型污染性企业所排放的污染性气体.所有这些技术的发展以及普及,对实现大气环境的科学、有效监测提供了重要的知识帮助,有助于大气环境的保护.

四、结语

随着我们国家科学的高速发展以及人们对于遥感FTIR的不断认识,遥感FTIR法在大气环境的监测领域中得到越来越广泛的使用,我们知道,遥感FTIR法可以实现对大气污染物的实时、连续不间断以及多组分的监测,然而,由于我们国家对其研究和探讨起步较晚,对其在大气环境监测的应用技术掌握不熟练,因此,利用遥感FTIR法对大气环境进行监测的技术手段仍然需要进一步发展.随着时代以及科技的不断进步,我们坚信在不久的将来,遥感FTIR监测技术一定会得到更好的加强与推广.

[2]高岩.红外光谱直接透射测试技术的原理与应用[J].宝石和宝石学杂志,2002,（04）