機動車(chē)尾氣污染是空氣質(zhì)量問題的主要影響因素之一，伴随着城市中(zhōng)汽車(chē)保有(yǒu)量暴增，汽車(chē)尾氣造成的城市氣候問題日益顯現。尾氣成分(fēn)中(zhōng)化合物(wù)種類繁多(duō)，其中(zhōng)，導緻環境污染的主要為(wèi)碳氫化合物(wù)、氮氧化合物(wù)、一氧化碳和二氧化碳等。

      汽車(chē)尾氣的檢測目前主要措施為(wèi)機動車(chē)尾氣年檢和日常路檢，但在實際檢測過程中(zhōng)，仍然存在諸多(duō)問題。首先是年檢周期長(cháng)，數據不具(jù)備實時性; 其次是道路中(zhōng)車(chē)流量因素，停車(chē)檢測會造成擁堵問題，車(chē)輛怠速或低速慢行導緻更多(duō)污染源排放，給監管部門和車(chē)主均帶來不便。氣體(tǐ)遙感檢測技(jì )術可(kě)以更好地進行汽車(chē)尾氣檢測，并可(kě)實現道路現場化、不停車(chē)流動式檢測，檢測精(jīng)度滿足行業标準。氣體(tǐ)遙感檢測技(jì )術在當今機動車(chē)尾氣排放監測領域中(zhōng)，能(néng)夠展現出非常重要的作(zuò)用(yòng)。

       從 20 世紀 60 年代起，氣體(tǐ)遙感監測技(jì )術開始蓬勃發展，國(guó)内外從理(lǐ)論研究到技(jì )術驗證，對其進行逐漸深入的研究并不斷取得進展，并将氣體(tǐ)遙測技(jì )術在機動車(chē)尾氣檢測場景中(zhōng)的實際應用(yòng)做了大量研究。本文(wén)綜述了用(yòng)于機動車(chē)尾氣遙感監測技(jì )術的不同方法，包括非分(fēn)光紅外技(jì )術、差分(fēn)光譜技(jì )術、激光吸收光譜技(jì )術在汽車(chē)尾氣遙測中(zhōng)的應用(yòng)，對其從原理(lǐ)、特點等方面進行評述，并總結了機動車(chē)尾氣遙測技(jì )術目前存在的問題及發展方向。  

1 機動車(chē)尾氣遙感檢測技(jì )術

       氣體(tǐ)遙感檢測是用(yòng)儀器對一段距離以外的氣體(tǐ)進行檢測，是一種不直接接觸氣體(tǐ)而能(néng)進行氣體(tǐ)成分(fēn)有(yǒu)效分(fēn)析檢測的手段。當機動車(chē)通過監測光路，相關氣體(tǐ)信息就會被采集，并進一步進行識别、分(fēn)析和判斷。目前機動車(chē)尾氣遙感檢測技(jì )術依據原理(lǐ)不同主要采用(yòng)非分(fēn)光紅外光譜技(jì )術 、差分(fēn)吸收光譜技(jì )術和激光吸收光譜技(jì )術等。

       上述三種技(jì )術是以吸收光譜原理(lǐ)和 Beer －Lambert 定律為(wèi)基礎，當光路從待測氣體(tǐ)介質(zhì)中(zhōng)經過，氣體(tǐ)分(fēn)子會發生能(néng)量躍遷。不同能(néng)級之間的躍遷所需能(néng)量不同，因此不同氣體(tǐ)分(fēn)子需要吸收不同波長(cháng)的紅外光躍遷，産(chǎn)生紅外吸收光譜。在中(zhōng)紅外波段，基頻吸收帶和吸收幅度較大，可(kě)以對汽車(chē)尾氣中(zhōng)的 CO2、CO、NO、HC 等氣體(tǐ)進行定性定量檢測。

1. 1 非分(fēn)光紅外機動車(chē)尾氣遙測技(jì )術

       非分(fēn)散紅外線(xiàn) ( NDIＲ) 技(jì )術利用(yòng)寬頻紅外線(xiàn)( IＲ) 發射體(tǐ)，即覆蓋既定系列拟測量的氣體(tǐ)全部關注的波長(cháng)，是氣體(tǐ)遙感檢測領域的一種常用(yòng)技(jì )術。機動車(chē)尾氣遙感檢測基于該技(jì )術的測量，特點為(wèi)采用(yòng)單光束雙波長(cháng)的檢測方法。對于一束紅外光，探測器有(yǒu)兩個獨立的探測單元，探測窗口與參考窗口。探測窗口透射頻帶的選擇是待測氣體(tǐ)吸收中(zhōng)心，參考窗口選擇其他(tā)區(qū)域并且無另外氣體(tǐ)吸收。使用(yòng)非分(fēn)散紅外技(jì )術進行尾氣檢測，精(jīng)度可(kě)以達到 ppm 級别。檢測下限可(kě)以滿足 HC、NO 等含量微小(xiǎo)成分(fēn)的檢測要求。

      NDIＲ 技(jì )術自 20 世紀 60 年代發展成熟以來，首先在工(gōng)業煙氣檢測領域應用(yòng)廣泛。使用(yòng) NDIＲ 技(jì )術進行機動車(chē)尾氣檢測，可(kě)以獲得較好的選擇性，在檢測汽車(chē)尾氣時，各氣體(tǐ)成分(fēn)之間是相互獨立、互不幹擾的，如果其中(zhōng)的一種甚至多(duō)種氣體(tǐ)的濃度發生變化時，不會對其他(tā)氣體(tǐ)的檢測造成影響; 可(kě)測量氣體(tǐ)種類較多(duō)，除了無紅外活性的分(fēn)子氣體(tǐ)外，大多(duō)數氣體(tǐ)都能(néng)夠根據紅外吸收光譜原理(lǐ)進行檢測，對于汽車(chē)尾氣成分(fēn)都可(kě)以進行很(hěn)好的測量; 同時設備不易受到有(yǒu)害氣體(tǐ)影響，使用(yòng)壽命比較長(cháng); 由于長(cháng)期穩定性較好的緣故，對于設備的維護成本也比較低。但其檢測下限相對較高，測量精(jīng)度相比于其他(tā)光譜檢測技(jì )術并不突出，通常用(yòng)來檢測單組份氣體(tǐ)。

1. 2 差分(fēn)吸收光譜機動車(chē)尾氣遙測技(jì )術

       差分(fēn)吸收光譜技(jì )術 ( DOAS) 最早是 20 世紀80 年代由 Noxon 和 Platt 等人提出，其是依據尾氣中(zhōng)的待測氣體(tǐ)分(fēn)子對光輻射的吸收特性來定性定量檢測尾氣成分(fēn)的一種遙感檢測技(jì )術，近年來逐漸在機動車(chē)尾氣檢測中(zhōng)得到應用(yòng)。為(wèi)解決初始光強度極難測量的問題，引入了差分(fēn)吸收技(jì )術。将波長(cháng)變化當作(zuò)刻度，使吸收截面分(fēn)成快、慢變化兩部分(fēn)。其中(zhōng)慢變化由散射引起，通過濾波消除; 使用(yòng)快變化部分(fēn)進行多(duō)項式拟合從而實現對機動車(chē)尾氣成分(fēn)進行檢測。

      差分(fēn)吸收光譜作(zuò)為(wèi)氣體(tǐ)遙感檢測典型方法，應用(yòng)于機動車(chē)尾氣尾氣檢測近年來在國(guó)内逐漸引起重視。

       DOAS 技(jì )術在機動車(chē)尾氣遙測應用(yòng)中(zhōng)體(tǐ)現出了許多(duō)優勢，比如可(kě)以實現多(duō)組分(fēn)氣體(tǐ)同時測量，這大大降低了設備的複雜程度; 且設備維護成本低; 具(jù)有(yǒu)較好的測量精(jīng)度，同時也有(yǒu)不錯的靈敏度，滿足實際道路現場化測量需求; 作(zuò)為(wèi)一種遙感檢測技(jì )術，在實際測量環境中(zhōng)，可(kě)以實現非接觸性測量。但所檢測的氣體(tǐ)分(fēn)子必須具(jù)有(yǒu)差分(fēn)吸收特性; 監測裝(zhuāng)置抗幹擾性不是很(hěn)強。

      目前，對于 DOAS 技(jì )術在機動車(chē)尾氣檢測之中(zhōng)應用(yòng)的研究仍有(yǒu)很(hěn)大空間。其一是對理(lǐ)論層面的研究，更加優化的算法可(kě)以更好的提升測量精(jīng)确性、減少誤差。此外，是對 DOAS 技(jì )術相關的光學(xué)、電(diàn)子學(xué)器件的研發，獲得更好性能(néng)的光電(diàn)器件，更加合理(lǐ)的搭建、使用(yòng)檢測裝(zhuāng)置，提高尾氣檢測精(jīng)度。

1. 3 激光吸收光譜機動車(chē)尾氣遙測技(jì )術

      激光吸收光譜 ( LAS) 技(jì )術最早由 Hinkley 與Ｒeid 在 20 世紀 70 年代提出，是一種新(xīn)型的氣體(tǐ)檢測技(jì )術。與傳統光譜技(jì )術相比，激光線(xiàn)寬度極窄，發射激光的激光功率密度高。通過對激光器件的溫度和注入電(diàn)流進行控制，調整所需要的出射激光波長(cháng)，掃描待測氣體(tǐ)，得到氣體(tǐ)吸收光譜。通過吸收光譜對待測氣體(tǐ)進行分(fēn)析。利用(yòng) LAS 技(jì )術進行尾氣檢測可(kě)由直接吸收法或波長(cháng)調制法實現。 

在激光吸收光譜技(jì )術中(zhōng)，可(kě)調諧二極管激光吸收光譜技(jì )術 ( TDLAS，Tunable Diode Laser Ab-sorption Spectroscopy) 在氣體(tǐ)遙測方面的研究已較為(wèi)成熟，其應用(yòng)也比較廣泛。此外，量子級聯激光吸收光譜技(jì )術 ( QCLAS，Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy) 也成為(wèi)了近年來的熱點，逐漸被研究和應用(yòng)于機動車(chē)尾氣檢測等各類氣體(tǐ)遙測當中(zhōng)。

        激光吸收光譜技(jì )術因其高檢測靈敏度和靈活性的優勢，已大量運用(yòng)在環境監測和機動車(chē)尾氣檢測等方面。激光吸收光譜技(jì )術可(kě)檢測極低濃度的氣體(tǐ)，檢測限可(kě)以達到低 ppm 水平，某些氣體(tǐ)分(fēn)子甚至可(kě)達到 ppb 量級。基于該技(jì )術的氣體(tǐ)測量系統能(néng)夠進行非接觸測量，實時在線(xiàn)監測待測氣體(tǐ)。目前該技(jì )術使用(yòng)的激光器在調諧範圍上仍有(yǒu)較大的發展空間。因此，如何使用(yòng) LAS 技(jì )術檢測更多(duō)種類的氣體(tǐ)分(fēn)子需要進一步研究。LAS技(jì )術也将向着環境适應性更強、持久的系統穩定性、更成熟更高效率的優化測量算法以及小(xiǎo)型化智能(néng)化等等方向不斷發展進步。

2 結語

       機動車(chē)尾氣遙測技(jì )術蓬勃發展，進步焦點主要集中(zhōng)在光源選擇和光譜分(fēn)析技(jì )術上。本文(wén)綜述了機動車(chē)尾氣遙感檢測技(jì )術的研究發展現狀，并介紹了不同機動車(chē)氣體(tǐ)遙感檢測技(jì )術的原理(lǐ)與特點。未來氣體(tǐ)遙感檢測技(jì )術在機動車(chē)尾氣檢測領域的應用(yòng)中(zhōng)仍然面臨着一些問題及挑戰，如在使用(yòng)過程中(zhōng)如何降低諸如天氣、風速、地形等自然因素的影響，在檢測過程中(zhōng)車(chē)流量過密影響檢測結果或者氣體(tǐ)組分(fēn)過于複雜等因素。以光譜檢測技(jì )術為(wèi)核心的機動車(chē)尾氣遙感檢測技(jì )術未來的發展在以下幾個方面值得期待: ( 1) 環境适應性更強，整體(tǐ)光學(xué)結構和電(diàn)子系統能(néng)長(cháng)期穩定工(gōng)作(zuò)，即可(kě)以進行長(cháng)期持續不斷的在線(xiàn)檢測; ( 2) 算法更加高效成熟，更優化的算法可(kě)以帶來更加精(jīng)确的檢測效果; ( 3) 儀器更加小(xiǎo)型智能(néng)、檢測限更低以及測量參數逐漸增多(duō)以滿足更複雜的檢測需求等。

總之，精(jīng)度高、重複性良好、穩定可(kě)靠、計算速度快是機動車(chē)尾氣遙測技(jì )術未來發展方向。相信将來會有(yǒu)越來越多(duō)功能(néng)更加完善的尾氣遙測設備得到應用(yòng)，為(wèi)大氣環境污染治理(lǐ)做出突出貢獻。

文(wén)章來源： 豫環協機動車(chē)污防委