环境自动监测技术与设备的发展动态
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法国ESA公司推出的典型的SANOATM长光程测控系统的基本配置包括：长光程测量系统，标气系统，RS232变换器和RS232扩展器，子站计算机系统，中心站计算机系统。其特点是采用RS232串行接口将每台仪器的所有数据通过MODEM用电话线与中心站计算机系统相连，随机配套的通讯软件可通过仿真数据采集器和仪器操作面板实现对子站的远程控制和诊断。与干法仪器设备(CO、PM10等)组合可组成长光程与干法共存的混合系统。其特点是能在长光程主机故障时不影响其它参数的测量。该系统的测距范围250～500m。检测限分别为SO20.2ppb，NO2、O3和对-二甲苯0.6ppb，苯和亚硝酸0.9ppb，邻-二甲苯、间-二甲苯、乙苯和苯乙烯0.8ppb，甲醛1.1ppb，苯酚0.3ppb，NO1.5ppb，NH33.5ppb。
几种长光程空气质量监测系统的性能特点见表3。
表3长光程法空气质量自动监测系统的性能比较 
(1)SO2、NO2、O3、苯和甲苯三种方法的监测结果之间具有良好的相关性；
(2)DOAS的O3测量值比干法测量值偏高一个常数，但基本变化趋势是一致的，干法偏低的原因可能是O3与NO反应造成的；
(3)OPSIS与化学法测量甲醛的结果没有相关性，这可能与化学法的检测限较高有关，而OPSIS甲醛检测数据更合理。另外，OPSIS甲醛检测结果与O3和NO2的总量表现出较好的一致性，这意味着空气中发生了光化学反应。
根据干法和长光程法的各自特点，一套较完整的空气质量自动监测系统的配置应包括：
采样系统，长光程测量系统，标气校准系统，分析系统(PM10、SO2、NO2、CO、O3等)，气象参数测量系统(风速、风向、气压、室内温度、室外温度、室内湿度、室外湿度、光辐射和雨量等)，RS232变换器，控制器(8～16路开关量输出、8～16路模拟量输出)，钢瓶减
压器及控制阀组，子站和中心站计算机系统。
存在的主要问题：环境空气质量自动监测系统基本上靠引进国外技术和设备，现有系统往往良莠不齐，国内研发水平和能力有限；引进设备往往与我国的具体实际结合不够，尤其是在系统结构、数据采集、远程控制与诊断方面与实际需求相差较远。
2.4我国空气质量自动监测系统的发展现状
70年代后期，北分、沈分等厂家推出了一批库仑式湿法仪器；80年代中期，北分引进了美国MONITOR公司的88系列干法仪器的生产技术，随着该系列仪器的过时和淘汰，目前已无厂家生产。2000年，沈阳东宇公司引进美国DASIBI公司的生产技术，开始组装基于干法的空气质量自动监测系统；河北先河公司则自主研制成功基于干法的空气质量自动监测系统。中国环境监测总站对河北先河公司研制生产的XH2000型城市空气质量连续自动监测系统的性能测试结果表明：HX2000A型SO2分析仪和HX2000B型NOx分析仪的24h零漂分别为－0.7～＋0.8ppb和0.1～5.8ppb，24h标漂分别为－6.6～＋21.9ppb和－0.9～＋6.6ppb，响应时间(t95)分别为105s(平均值)和63s(平均值)，重现性分别为0.25ppb(SD)和0.58ppb(SD)，线性度分别为γ＝0.9989(但各点误差分别为－19.7、－12.7、－9.6、－5.1ppb)和γ＝0.9995(但各点误差分别为－18.0、－11.1、－5.4、－2.1、1.7、5.7ppb)。对比测试(SO264h、NOx116h)结果表明：相关关系的R2分别为0.8831和0.827。XH2000型校准仪和HX2000L型零气发生器性能较好。
XH2000H型数据采集器具有以下功能：
(1)全中文界面，菜单式结构，具有提示功能；
(2)可随时查询浓度的分钟(或任意时段)值、各仪器的状态参数、以往的数据、各仪器的校准和停电记录；
(3)允许操作人员设置密码保护；
(4)可通过电话线和MODEM将数据传输给中心站，也可用软盘复制数据，具有数据备份功能。
中心站软件具有以下功能：
(1)可通过MODEM与子站通讯，向子站发送零点校准和量程校准命令，设有密码保护；
(2)可随时查询子站SO2、NOx仪器的当前各项工况参数，调取、存储数据采集器中的监测数据，查询历史数据中5、10、30、60min以及24h、一月、一季度或一年的平均值；
(3)通用的数据处理软件系统可以直接使用该软件的监测数据，实现数据共享；
(4)具有帮助、查询功能。
XH2000型城市空气质量监测系统存在的问题为：(1)仪器方面：SO2分析仪的标漂接近EPA标准的上限，应进一步提高仪器的稳定性；分析仪自身不能记录零漂负值。(2)数据采集器方面：数据采集器系统时间与分析仪时间存在不一致现象；分析仪记录数据与数据采集器记录数据存在差异，应提高变送器的性能；数据采集器记录的校准数据中缺少仪器校准前的响应值记录；数据采集器磁盘空间较小，不能存储较长时间的数据；数据采集器应具备自动更新数据的功能，保证有最近7天的数据记录。(3)中心站软件方面：中心站软件在一些功能方面尚需进一步改进：分析仪在执行中心站发出的自动校准命令时，在零点校准完成之后直接进行校标，中间没有所需的大于5min的时间间隔，造成标气无法通入分析仪；软件没有将校零和校标的过程分开，不能单独进行零点校准；软件应在确保子站数据传输成功后，再向子站数据采集器发出删除旧数据的命令，防止因中心站和子站数据传输不成功而造成子站数据采集器中数据的意外丢失。
2.5环境空气质量监测系统的发展趋势
近年来，国外还在致力于发展基于激光光源的监测灵敏度更高的长光程吸收光谱仪，但目前尚处于试验阶段。在大气污染探测激光雷达方面，近年来倾向于发展探测灵敏度很高的差分吸收激光雷达，用于城市大气环境和城市污染源的高时空分辨率探测。德国、美国、意大利和瑞典等国已分别研制成功车载式差分吸收激光雷达样机，并正在进行实用性试验。考虑到差分吸收激光雷达的技术复杂、造价昂贵、可靠性差，对操作和维护人员的技术素质要求太高，估计近期内推广使用有困难。因此世界各国也在发展拉曼激光雷达技术。拉曼激光雷达虽然探测灵敏度较差，但其结构简单、造价较低、性能可靠，使用维护方便，使之很适合用于对城市大气污染源的流动监测，正好弥补了常规光学监测手段对污染源监测能力的不足。
LIDAR(Light Detection And Ranging的缩写)把短激光(全固态闪光灯泵激的钛Sapphire激光器，波长范围750～870nm，建立在光学非线性晶体上的二倍频和三倍频设备把红外线激光辐射改变成紫外线辐射，波长范围250～400nm)脉冲发射到大气层，沿着它的轨迹，光被小粒子散射开(米式散射)，并且也被空气分子散射开(瑞利散射)。反向散射到LIDAR系统的少许光被望远镜和敏感的检测器接收，接收机信号被得到，作为一个时间函数。由于光的等速性，时间与散射器的距离有关，因此空间信息沿着电子束轨迹被检测。
可以从接收到的信号推导出的信息取决于发射光的波长，也取决于探测方法。
为了确定污染物的空间分布，要用激光雷达(LIDAR)差分吸收(DIAL，Differential Absorption Lidar technique的缩写)技术。DIAL方法利用的是待测气体的吸收和大气(包括气体分子和气溶胶)弹性后向散射的原理，一般在所选择波长(λON)处的气体吸收截面较大，并且大气气体的弹性后向散射截面很大，回波强度较大易于接收测量。这两个因素结合在一起，形成差分吸收方法测量的高灵敏度，再加上激光雷达的很高的距离分辨率和大范围实时测量的特点，使DIAL激光雷达成为测量气体分子浓度空间分布的一种有力工具。其基本过程为：扫描平镜能进行俯仰和方位转动，以实现三维空间立体扫描。通过自动控制指令控制扫描平镜的俯仰和方位转动，使发射光束射向被测大气，被测大气的后向散射光信号由扫描平镜反射到接收望远镜，通过小孔光阑、衰减片、窄带滤光片达到光电倍增管，前置放大器和高速A/D转换器对光电倍增管输出的微弱信号进行处理，获取测量数据并转送到计算机，数据处理软件对测量数据进行处理，获取被测污染物的浓度，并实时显示污染物的空间分布。
激光雷达技术在环境监测中的应用在国际上受到了相当的重视。美国、德国、英国、加拿大、日本等发达国家都建有用于大气污染测量的激光雷达系统，并在环境监测中发挥着重要的作用。日本通产省已着手研制能观测三维大气中物质密度和组分的环境监测用激光雷达，以测量都市上空的NOx、SOx、O3、甲烷等气体的三维立体分布。加拿大的Optech公司(1974年开始研制)和德国的Elight、OHB等公司已向环境监测与研究部门提供测污激光雷达样机。例如，德国Eligh公司的510M型车载激光雷达，能够监测5种污染气体(SO2、NO2、O3、甲苯、苯)和气溶胶，但价格昂贵(120万美元)，国内暂时还不可能装备。
国外激光雷达工作的发展动态如下：
(1)大气污染和环境监测工作中，地基固定式和车载激光雷达有布点成网趋势；机载激光雷达在发达国家开始部署；一系列空间激光雷达计划已开始执行。
(2)测量对象以SO2、NOx、O3、气溶胶、有机气体为主。探测方法以高灵敏度的差分吸收(DIAL)和Mie后向散射方法为主。
(3)激光雷达使用的激光器，一直以灯泵YAG、准分子、染料激光器为主。现在的发展趋势是使用半导体激光器泵浦的全固化激光器，使用掺钛宝石(Ti：Al2O3)、LiSAF(Cr：LiSrAlF6)和LiCAF等新型可调谐固体激光器，利用KTP、BBO等非线性晶体使激光波长向紫外波段扩展。使用可调谐、全固化激光器有利于形成多功能、紧凑型激光雷达，也是机载和空间激光雷达光源的最佳候选者。另外，它们运行更可靠，操作维护更简便。
(4)国外的激光雷达研究一直由国家推动，主要由研究机构和大学研制和发展的，用于各种目的的研究计划。随着激光技术和激光雷达技术的发展，一些经营某些激光雷达的高技术公司开始出现，激光雷达越来越多地应用于大气污染监测和全球环境监测领域的常规测量或专项试验，发挥越来越大的和不可替代的作用。
例如，1994年，ElightLaserSystemGmbH公司开发制造的LIDAR510M是远程传感器，用来执行二维或三维空气污染监测，可以获得有关大气变化过程的更广泛的信息。LIDAR510M可以测量SO2、NO2、O3、苯、甲苯和气溶胶。标准条件下，该系统的平均测量范围为2km。LIDAR510M的技术性能见表4。
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