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   機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染是空氣質(zhì)量問(wèn)題的主要影響因素之一，伴隨著城市中汽車(chē)保有量暴增，汽車(chē)尾氣造成的城市氣候問(wèn)題日益顯現(xiàn)。尾氣成分中化合物種類(lèi)繁多，其中，導(dǎo)致環(huán)境污染的主要為碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、一氧化碳和二氧化碳等?br/>

      汽車(chē)尾氣的檢測(cè)目前主要措施為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣年檢和日常路檢，但在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，仍然存在諸多問(wèn)題。首先是年檢周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)不具備實(shí)時(shí)性; 其次是道路中車(chē)流量因素，停車(chē)檢測(cè)會(huì)造成擁堵問(wèn)題，車(chē)輛怠速或低速慢行導(dǎo)致更多污染源排放，給監(jiān)管部門(mén)和車(chē)主均帶來(lái)不便。氣體遙感檢測(cè)技術(shù)可以更好地進(jìn)行汽車(chē)尾氣檢測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)道路現(xiàn)場(chǎng)化、不停車(chē)流動(dòng)式檢測(cè)，檢測(cè)精度滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。氣體遙感檢測(cè)技術(shù)在當(dāng)今機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，能夠展現(xiàn)出非常重要的作用。

       從 20 世紀(jì) 60 年代起，氣體遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)外從理論研究到技術(shù)驗(yàn)證，對(duì)其進(jìn)行逐漸深入的研究并不斷取得進(jìn)展，并將氣體遙測(cè)技術(shù)在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用做了大量研究。本文綜述了用于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的不同方法，包括非分光紅外技術(shù)、差分光譜技術(shù)、激光吸收光譜技術(shù)在汽車(chē)尾氣遙測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)其從原理、特點(diǎn)等方面進(jìn)行評(píng)述，并總結(jié)了機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)技術(shù)目前存在的問(wèn)題及發(fā)展方向。  

1 機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)技術(shù)

       氣體遙感檢測(cè)是用儀器對(duì)一段距離以外的氣體進(jìn)行檢測(cè)，是一種不直接接觸氣體而能進(jìn)行氣體成分有效分析檢測(cè)的手段。當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)通過(guò)監(jiān)測(cè)光路，相關(guān)氣體信息就會(huì)被采集，并進(jìn)一步進(jìn)行識(shí)別、分析和判斷。目前機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)技術(shù)依據(jù)原理不同主要采用非分光紅外光譜技術(shù) 、差分吸收光譜技術(shù)和激光吸收光譜技術(shù)等。

       上述三種技術(shù)是以吸收光譜原理和 Beer －Lambert 定律為基礎(chǔ)，當(dāng)光路從待測(cè)氣體介質(zhì)中經(jīng)過(guò)，氣體分子會(huì)發(fā)生能量躍遷。不同能級(jí)之間的躍遷所需能量不同，因此不同氣體分子需要吸收不同波長(zhǎng)的紅外光躍遷，產(chǎn)生紅外吸收光譜。在中紅外波段，基頻吸收帶和吸收幅度較大，可以對(duì)汽車(chē)尾氣中的 CO2、CO、NO、HC 等氣體進(jìn)行定性定量檢測(cè)。

1. 1 非分光紅外機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)技術(shù)

       非分散紅外線(xiàn) ( NDIＲ) 技術(shù)利用寬頻紅外線(xiàn)( IＲ) 發(fā)射體，即覆蓋既定系列擬測(cè)量的氣體全部關(guān)注的波長(zhǎng)，是氣體遙感檢測(cè)領(lǐng)域的一種常用技術(shù)。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)基于該技術(shù)的測(cè)量，特點(diǎn)為采用單光束雙波長(zhǎng)的檢測(cè)方法。對(duì)于一束紅外光，探測(cè)器有兩個(gè)獨(dú)立的探測(cè)單元，探測(cè)窗口與參考窗口。探測(cè)窗口透射頻帶的選擇是待測(cè)氣體吸收中心，參考窗口選擇其他區(qū)域并且無(wú)另外氣體吸收。使用非分散紅外技術(shù)進(jìn)行尾氣檢測(cè)，精度可以達(dá)到 ppm 級(jí)別。檢測(cè)下限可以滿(mǎn)足 HC、NO 等含量微小成分的檢測(cè)要求。

      NDIＲ 技術(shù)自 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展成熟以來(lái)，首先在工業(yè)煙氣檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。使用 NDIＲ 技術(shù)進(jìn)行機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)，可以獲得較好的選擇性，在檢測(cè)汽車(chē)尾氣時(shí)，各氣體成分之間是相互獨(dú)立、互不干擾的，如果其中的一種甚至多種氣體的濃度發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)對(duì)其他氣體的檢測(cè)造成影響; 可測(cè)量氣體種類(lèi)較多，除了無(wú)紅外活性的分子氣體外，大多數(shù)氣體都能夠根據(jù)紅外吸收光譜原理進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于汽車(chē)尾氣成分都可以進(jìn)行很好的測(cè)量; 同時(shí)設(shè)備不易受到有害氣體影響，使用壽命比較長(zhǎng); 由于長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好的緣故，對(duì)于設(shè)備的維護(hù)成本也比較低。但其檢測(cè)下限相對(duì)較高，測(cè)量精度相比于其他光譜檢測(cè)技術(shù)并不突出，通常用來(lái)檢測(cè)單組份氣體。

1. 2 差分吸收光譜機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)技術(shù)

       差分吸收光譜技術(shù) ( DOAS) 最早是 20 世紀(jì)80 年代由 Noxon 和 Platt 等人提出，其是依據(jù)尾氣中的待測(cè)氣體分子對(duì)光輻射的吸收特性來(lái)定性定量檢測(cè)尾氣成分的一種遙感檢測(cè)技術(shù)，近年來(lái)逐漸在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)中得到應(yīng)用。為解決初始光強(qiáng)度極難測(cè)量的問(wèn)題，引入了差分吸收技術(shù)。將波長(zhǎng)變化當(dāng)作刻度，使吸收截面分成快、慢變化兩部分。其中慢變化由散射引起，通過(guò)濾波消除; 使用快變化部分進(jìn)行多項(xiàng)式擬合從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣成分進(jìn)行檢測(cè)。

      差分吸收光譜作為氣體遙感檢測(cè)典型方法，應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣尾氣檢測(cè)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)逐漸引起重視。

       DOAS 技術(shù)在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)應(yīng)用中體現(xiàn)出了許多優(yōu)勢(shì)，比如可以實(shí)現(xiàn)多組分氣體同時(shí)測(cè)量，這大大降低了設(shè)備的復(fù)雜程度; 且設(shè)備維護(hù)成本低; 具有較好的測(cè)量精度，同時(shí)也有不錯(cuò)的靈敏度，滿(mǎn)足實(shí)際道路現(xiàn)場(chǎng)化測(cè)量需求; 作為一種遙感檢測(cè)技術(shù)，在實(shí)際測(cè)量環(huán)境中，可以實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量。但所檢測(cè)的氣體分子必須具有差分吸收特性; 監(jiān)測(cè)裝置抗干擾性不是很強(qiáng)。

      目前，對(duì)于 DOAS 技術(shù)在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)之中應(yīng)用的研究仍有很大空間。其一是對(duì)理論層面的研究，更加優(yōu)化的算法可以更好的提升測(cè)量精確性、減少誤差。此外，是對(duì) DOAS 技術(shù)相關(guān)的光學(xué)、電子學(xué)器件的研發(fā)，獲得更好性能的光電器件，更加合理的搭建、使用檢測(cè)裝置，提高尾氣檢測(cè)精度。

1. 3 激光吸收光譜機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)技術(shù)

      激光吸收光譜 ( LAS) 技術(shù)最早由 Hinkley 與Ｒeid 在 20 世紀(jì) 70 年代提出，是一種新型的氣體檢測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)光譜技術(shù)相比，激光線(xiàn)寬度極窄，發(fā)射激光的激光功率密度高。通過(guò)對(duì)激光器件的溫度和注入電流進(jìn)行控制，調(diào)整所需要的出射激光波長(zhǎng)，掃描待測(cè)氣體，得到氣體吸收光譜。通過(guò)吸收光譜對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行分析。利用 LAS 技術(shù)進(jìn)行尾氣檢測(cè)可由直接吸收法或波長(zhǎng)調(diào)制法實(shí)現(xiàn)。 

在激光吸收光譜技術(shù)中，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù) ( TDLAS，Tunable Diode Laser Ab-sorption Spectroscopy) 在氣體遙測(cè)方面的研究已較為成熟，其應(yīng)用也比較廣泛。此外，量子級(jí)聯(lián)激光吸收光譜技術(shù) ( QCLAS，Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy) 也成為了近年來(lái)的熱點(diǎn)，逐漸被研究和應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)等各類(lèi)氣體遙測(cè)當(dāng)中。

        激光吸收光譜技術(shù)因其高檢測(cè)靈敏度和靈活性的優(yōu)勢(shì)，已大量運(yùn)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)等方面。激光吸收光譜技術(shù)可檢測(cè)極低濃度的氣體，檢測(cè)限可以達(dá)到低 ppm 水平，某些氣體分子甚至可達(dá)到 ppb 量級(jí)?；谠摷夹g(shù)的氣體測(cè)量系統(tǒng)能夠進(jìn)行非接觸測(cè)量，實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)待測(cè)氣體。目前該技術(shù)使用的激光器在調(diào)諧范圍上仍有較大的發(fā)展空間。因此，如何使用 LAS 技術(shù)檢測(cè)更多種類(lèi)的氣體分子需要進(jìn)一步研究。LAS技術(shù)也將向著環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、持久的系統(tǒng)穩(wěn)定性、更成熟更高效率的優(yōu)化測(cè)量算法以及小型化智能化等等方向不斷發(fā)展進(jìn)步。

2 結(jié)語(yǔ)

       機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)技術(shù)蓬勃發(fā)展，進(jìn)步焦點(diǎn)主要集中在光源選擇和光譜分析技術(shù)上。本文綜述了機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了不同機(jī)動(dòng)車(chē)氣體遙感檢測(cè)技術(shù)的原理與特點(diǎn)。未來(lái)氣體遙感檢測(cè)技術(shù)在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用中仍然面臨著一些問(wèn)題及挑戰(zhàn)，如在使用過(guò)程中如何降低諸如天氣、風(fēng)速、地形等自然因素的影響，在檢測(cè)過(guò)程中車(chē)流量過(guò)密影響檢測(cè)結(jié)果或者氣體組分過(guò)于復(fù)雜等因素。以光譜檢測(cè)技術(shù)為核心的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展在以下幾個(gè)方面值得期待: ( 1) 環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，整體光學(xué)結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，即可以進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)不斷的在線(xiàn)檢測(cè); ( 2) 算法更加高效成熟，更優(yōu)化的算法可以帶來(lái)更加精確的檢測(cè)效果; ( 3) 儀器更加小型智能、檢測(cè)限更低以及測(cè)量參數(shù)逐漸增多以滿(mǎn)足更復(fù)雜的檢測(cè)需求等。

總之，精度高、重復(fù)性良好、穩(wěn)定可靠、計(jì)算速度快是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向。相信將來(lái)會(huì)有越來(lái)越多功能更加完善的尾氣遙測(cè)設(shè)備得到應(yīng)用，為大氣環(huán)境污染治理做出突出貢獻(xiàn)。

文章來(lái)源： 豫環(huán)協(xié)機(jī)動(dòng)車(chē)污防委