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國產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測儀器異軍突起

最近更新時間：2013-10-14

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國產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測儀器異軍突起

  中科院安徽光機所承擔(dān)的國家“863”計劃“可調(diào)諧紅外激光差分吸收汽車尾氣道邊監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)研究”等4個課題，使我國環(huán)境監(jiān)測儀器的水平得到了較快發(fā)展。該所科研人員刻苦攻關(guān)，研制出國產(chǎn)空氣自動監(jiān)測設(shè)備，打破了多年來我國監(jiān)測儀器必須依賴國外進口局面的報道。

    “2000年開始，國家開始注重城市空氣質(zhì)量日報工作，并在城市空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方面給予了資金支持，推動了全國空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。”現(xiàn)在開展的全國城市環(huán)境空氣質(zhì)量日報和預(yù)報，在推動空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的同時，也促進了空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的國產(chǎn)化，并取得了長足的進展。

     2001年和2002年國家環(huán)?？偩殖鞘锌諝庾詣颖O(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項目全部使用國產(chǎn)設(shè)備，而一些省和城市自己配備的設(shè)備也使用了國產(chǎn)設(shè)備。2003年8月中國環(huán)境監(jiān)測總站對全國使用空氣自動監(jiān)測設(shè)備的初步調(diào)查結(jié)果表明，全國使用的國產(chǎn)空氣自動監(jiān)測設(shè)備已達到40.7%。

    城市空氣質(zhì)量監(jiān)測子站系統(tǒng)為國家節(jié)省上億元

    目前我國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測存在的問題主要包括現(xiàn)有城市空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)尚未完善；部分區(qū)域監(jiān)測點位不能滿足評價區(qū)域和國家空氣質(zhì)量的要求；環(huán)境背景點和對照點不足；現(xiàn)有城市點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)已不能代表城市發(fā)展后的環(huán)境空氣質(zhì)量；監(jiān)測項目單一，普遍關(guān)注的一氧化碳等項目我國僅有少數(shù)城市開展監(jiān)測，難以與城市進行對比。所以城市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測子站系統(tǒng)市場需求量很大。

    2000年前，我國空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)全部依賴進口，但一套進口設(shè)備需要人民幣60至70萬元，而長光程設(shè)備則要80至90萬元，昂貴的價格嚴(yán)重影響了我國大部分城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測工作的開展。安光所憑借在光、機、電、自動控制及光譜分析方面具有的優(yōu)勢，研究開發(fā)的城市空氣質(zhì)量監(jiān)測子站系統(tǒng)在質(zhì)量和功能上與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)，而價格僅為進口儀器設(shè)備的50%至60%。“這樣的價格對于我國大部分還不富裕地區(qū)廣泛開展大氣環(huán)境監(jiān)測工作，起到了極大的促進作用。”該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化為全國環(huán)保監(jiān)測部門提供了城市空氣質(zhì)量監(jiān)測子站整套產(chǎn)品，并替代了進口產(chǎn)品。

    2002年，安光所在承擔(dān)了863計劃城市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及集成設(shè)備研制課題，對城市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測子站系統(tǒng)的監(jiān)測指標(biāo)、功能進行了擴展，進一步解決了產(chǎn)業(yè)化過程中的關(guān)鍵工程技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)問題，進一步為批量打下基礎(chǔ)。2003年，該所又承擔(dān)了基于激光技術(shù)的大氣污染光學(xué)監(jiān)測技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化課題，在原有基礎(chǔ)上，對城市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測子站系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，對電路設(shè)計、軟件設(shè)計和儀器結(jié)構(gòu)進行了改進，從技術(shù)上保證了所研制儀器達到了國家有關(guān)技術(shù)規(guī)范。

    2004至2005年，該設(shè)備已完成近80多套的和安裝，*從15%提高到30%。目前該設(shè)備已在全國17個省、自治區(qū)和直轄市安裝160套，創(chuàng)產(chǎn)值7000多萬元，占全國同期城市空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品三分之一的*。同時，由于這些項目的開展，國家環(huán)境保護總局從2002年開始在國家環(huán)境空氣質(zhì)量建設(shè)招標(biāo)中已不再采用進口設(shè)備。據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站和國家環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，僅僅城市空氣質(zhì)量監(jiān)測科研成果的產(chǎn)業(yè)化，在替代進口方面已經(jīng)累計為國家節(jié)省外匯上億元人民幣。

    院所企業(yè)合作共建產(chǎn)業(yè)化基地

    “如何盡快地把863計劃成果產(chǎn)業(yè)化是發(fā)展高技術(shù)，實現(xiàn)以高技術(shù)產(chǎn)業(yè)為先導(dǎo)的我國新型工業(yè)化道路的戰(zhàn)略舉措，也是科技界義不容辭的重要職責(zé)。”劉文清所長說：“在產(chǎn)業(yè)化方面，研究單位并不擅長，因此從2001年開始，我們就已經(jīng)跟企業(yè)建立了定期信息交流的機制，開展了緊密合作，我們滿足企業(yè)的需求，企業(yè)幫助我們把產(chǎn)品推向市場。”

    在863計劃的支持下，該所在安徽建立了863計劃光學(xué)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化基地，其特點是由技術(shù)鏈起作用將基地內(nèi)相關(guān)企業(yè)互連起來，向社會提供環(huán)境監(jiān)測的系列產(chǎn)品，形成產(chǎn)業(yè)，同時又不影響企業(yè)各自獨立經(jīng)營。這樣既保持了技術(shù)源頭不斷創(chuàng)新，成果在基地引導(dǎo)資金催化下進行產(chǎn)品創(chuàng)新，企業(yè)則實現(xiàn)快速技術(shù)升級，快速出替代進口、有競爭力的新產(chǎn)品。

    基地建設(shè)中，以安光所為組織牽頭單位，安徽省內(nèi)兩家企業(yè)———銅陵藍盾光電子有限公司和安徽寶龍集團為合作單位，建立以光學(xué)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)為主要發(fā)展方向的安徽環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地特色經(jīng)濟區(qū)域，并逐步吸納安徽省內(nèi)其他骨干企業(yè)和科研院所的加盟。劉文清表示，此舉將以更大的規(guī)模、更快的速度為國家環(huán)境監(jiān)測能力建設(shè)提供必需的監(jiān)測手段和，突出自主創(chuàng)新，發(fā)展高靈敏在線監(jiān)測技術(shù)和方法、并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
 
    走進863：用光學(xué)手段研究環(huán)境問題  
  
    在中國科學(xué)院安徽光機所的實驗室內(nèi)，一臺造型*的儀器引起了記者的注意。該儀器狀若望遠鏡，粗大的“鏡筒”水平照向窗外，而與之連接的電腦顯示器則每隔幾分鐘便跳出一串?dāng)?shù)字來。研究人員介紹，這是所里的“差分光學(xué)吸收光譜（DOAS）在線監(jiān)測系統(tǒng)”，可實現(xiàn)對空氣環(huán)境的自動監(jiān)測。

    “環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)具有常規(guī)方法不可替代的*性。”所長劉文清如是說，“該技術(shù)監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低，便于進行長期的動態(tài)監(jiān)測，已成為環(huán)境監(jiān)測分析儀器的主流發(fā)展方向。”

    2005年3月，安光所承擔(dān)了國家863計劃“城市大氣污染時空分布光學(xué)監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)與示范”課題，完成了長光程開放光路FTIR（傅立葉變換紅外光譜）實驗系統(tǒng)集成、被動掃描DOAS實驗系統(tǒng)集成、多次反射吸收池光路的TDLAS（可調(diào)諧二極管激光光譜）系統(tǒng)以及長光程DOAS系統(tǒng)的優(yōu)化改進工作。在優(yōu)化、集成的基礎(chǔ)上，建立城市大氣污染時空分布監(jiān)測技術(shù)平臺，開展以石景山地區(qū)為示范的聯(lián)合觀測實驗，探討區(qū)域大氣污染防護和治理中需要采用的監(jiān)測技術(shù)路線，并進一步解決了產(chǎn)業(yè)化過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

    DOAS實現(xiàn)大氣環(huán)境非接觸在線自動監(jiān)測

    “DOAS是近年來發(fā)展的大氣環(huán)境污染監(jiān)測的一項，主要是以空氣中的痕量污染成分對紫外及可見光波段的特征吸收光譜特性為基礎(chǔ)，通過特征吸收光譜鑒別環(huán)境空氣中污染物氣體的類型和濃度。”劉文清告訴記者，每種氣體都具有自己*的吸收光譜，因此在一束通過環(huán)境空氣的光中，可同時得到多種氣體的特征吸收光譜，通過光譜分析儀和計算機可分離出每種氣體的特征吸收光譜，對每種氣體的特征吸收光譜用計算機進行數(shù)據(jù)處理，可快速實時得到所監(jiān)測污染物的監(jiān)測結(jié)果，從而實現(xiàn)了大氣環(huán)境污染的*非接觸在線自動監(jiān)測。

    被動DOAS技術(shù)通過測量天空散射的太陽光來解析大氣層中的痕量氣體組分。系統(tǒng)接收到的散射光信號包含了二氧化硫、二氧化氮等污染氣體分子的吸收特征，通過光譜解析獲得這些污染氣體分子的柱密度。

    另外，光機所研制的長光程DOAS系統(tǒng)由發(fā)射和接收單元、測量儀器單元、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元、污染物種類和濃度反演軟件組成，采用長光程收發(fā)兼容監(jiān)測方式，發(fā)射光源和光接收器采用單站工作方式。劉文清介紹，在實際工作中，將測量系統(tǒng)及光角反射器分置于選定的兩點，這時接收器所收到的是被光徑上氣體分子吸收后的光線，隨后光線經(jīng)傳送光纜、分光鏡及光柵等轉(zhuǎn)變成0.2納米波寬的光信號，由探測器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，送入計算機進行處理，處理結(jié)果分別存人數(shù)據(jù)存儲器或由顯示器顯示。

    他表示，系統(tǒng)的研制工作主要從光學(xué)及結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集及信號處理、系統(tǒng)控制、數(shù)值模擬及污染物種類濃度反演軟件、系統(tǒng)標(biāo)定等幾個方面進行，重點解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包括發(fā)射與接收和自校準(zhǔn)兼容的望遠鏡系統(tǒng)，確保系統(tǒng)不受環(huán)境溫度、濕度的影響；快速夾縫掃描式光電倍增管探測光譜儀，確保測量不受大氣湍流的影響；多種污染物濃度反演計算分析軟件等。

    OP-FTIR提供新興污染物測量手段

    FTIR技術(shù)已經(jīng)是實驗室用于測量紅外吸收和發(fā)射光譜的主要方法，開放光路傅立葉變換紅外光譜系統(tǒng)（OP-FTIR）則提供了一種新興的污染物測量的手段。劉文清介紹說，它不僅繼承了傳統(tǒng)的傅立葉變換紅外光譜儀所固有的優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)點采樣設(shè)備來說，還具有采樣范圍廣，可在線分析等特點。

    據(jù)介紹，安光所的OP-FTIR系統(tǒng)采用選用中國航空航天工業(yè)部洛陽014所的高溫黑體輻射源作為系統(tǒng)紅外光源，具有亮度高，輸出穩(wěn)定等優(yōu)點。黑體溫度可控，工作溫度為室溫至1500攝氏度，考慮到黑體長時間工作，一般設(shè)定溫度為900攝氏度。

    同時，系統(tǒng)的核心硬件單元———光譜儀是采用ABBBomem公司的MR154型光譜儀進行系統(tǒng)集成；紅外探測器使用兩套液氮制冷的高靈敏度MCT探測器以及InSb探測器；發(fā)射望遠鏡為透射式伽利略望遠鏡，放大倍數(shù)6倍，輸出口徑60mm，物鏡和目鏡均為鍍增透膜的硒化鋅透鏡。接收望遠鏡為卡塞格林望遠鏡，接收口徑為250mm，視場角為4.9毫弧度。

    課題組還專門為OP-FTIR測量設(shè)計了光束反射裝置———面陣角反射器。劉文清說，該反射器采用三十個空心角反射器列陣,可滿足往返500米測量光程的要求，采用鍍金保護膜，使得其在650納米到遠紅外內(nèi)的反射率高達98%。

    另外，系統(tǒng)軟件是全系統(tǒng)的核心技術(shù)單元，包括Hitran數(shù)據(jù)庫，濃度反演算法、現(xiàn)場測控軟件組成。他說：“我們用目前掌握的的非線性zui小二乘擬合算法，開發(fā)了基于吸收線參數(shù)數(shù)據(jù)庫（HITRAN）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫分子吸收截面的濃度反演算法，開發(fā)Win鄄dows平臺上的測控軟件。”他告訴記者，由于開放光路實驗系統(tǒng)無法使用傳統(tǒng)方法通過人工控制標(biāo)氣濃度和純度作標(biāo)定，所以需要建立新的標(biāo)定方法。“本項目中開放光路的標(biāo)定光譜是由HITRAN計算得到，在其計算中包括了環(huán)境參數(shù)（氣壓、溫度、路徑長度等）和儀器線型函數(shù)ILS的影響，因此計算的光譜非常接近于實測光譜。”

    四套系統(tǒng)組建城市大氣污染時空分布監(jiān)測平臺

    在集成863前期研究成果中的光學(xué)監(jiān)測儀器設(shè)備，組建新型被動DOAS、長光程開放光路FTIR和多次反射池式TDLAS實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，課題組結(jié)合北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心的地面城市空氣質(zhì)量監(jiān)測子站和氣象測量設(shè)備，建立了基于光學(xué)監(jiān)測技術(shù)的城市大氣污染時空分布監(jiān)測平臺。包括大氣痕量成分時空分布監(jiān)測時空系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)、污染源排放監(jiān)測系統(tǒng)和氣象參數(shù)測量系統(tǒng)四部分。

    為了檢驗光學(xué)監(jiān)測技術(shù)對城市大氣污染時空分布的監(jiān)測能力，課題組選擇在北京城市區(qū)域開展城市大氣污染的光學(xué)監(jiān)測技術(shù)示范實驗研究。

    劉文清說，我們選擇北京石景山工業(yè)區(qū)的下風(fēng)向豐臺為主要觀測點，分別在2005年8月和2006年2月開展兩次綜合外場示范實驗，對主要大氣痕量成分（污染成分、溫室氣體）、顆粒物的濃度水平、變化趨勢進行時空測量，以及對污染源排放進行光學(xué)遙測評估。實驗著重研究各種光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)對大氣環(huán)境污染物的探測能力，驗證各類監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性、可靠性和實用性，解決產(chǎn)業(yè)化過程關(guān)鍵技術(shù)；同時研究光學(xué)監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)點式方法之間、光學(xué)技術(shù)自身之間的對比相關(guān)性，進一步檢驗光學(xué)監(jiān)測技術(shù)在實際應(yīng)用中的測量準(zhǔn)確性以及掌握光學(xué)監(jiān)測技術(shù)在實際應(yīng)用過程中的必要質(zhì)量保證手段；獲取北京城市大氣污染的高分辨率時空分布數(shù)據(jù)。

    另外，課題組還在車公莊（北京環(huán)境監(jiān)測中心）、通縣開展了外場觀測，獲得了多種氣體污染物和顆粒物的時空分布數(shù)據(jù)。

    他表示，通過夏、冬兩次示范實驗，檢驗和對比了光學(xué)儀器之間，以及與其它測量方法間的對比結(jié)果，表明光學(xué)測量方法和儀器對大氣污染物時空分布測量的可行性和可靠性，特別是為區(qū)域污染監(jiān)測提供了高分辨率的時空分布數(shù)據(jù)，具有傳統(tǒng)點式儀器不可取代的優(yōu)勢。同時分析了北京城市大氣主要痕量污染氣體的含量及其變化特征。

    他告訴記者，在下一階段研究中，除地基監(jiān)測系統(tǒng)外，課題組將根據(jù)我國環(huán)境污染新出現(xiàn)的城市群、區(qū)域（流域）符合污染及農(nóng)村面源污染問題，進一步發(fā)展移動、車載、機載和星載等多種平臺上的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)和系統(tǒng)，建立典型區(qū)域環(huán)境監(jiān)測立體平臺。

    ■數(shù)字863

    城市大氣污染時空分布光學(xué)監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)與示范課題研究期間，直接銷售新型DOAS系統(tǒng)兩套，收入60萬元，給軍方裝配粒譜分析儀兩套，收入60萬元。與此同時，通過對合作企業(yè)銅陵藍盾光電子公司的DOAS城市空氣質(zhì)量監(jiān)測子站的技術(shù)改造和產(chǎn)品升級，2005年企業(yè)共銷售子站系統(tǒng)60多套，實現(xiàn)銷售收入2700多萬。市場占有量從15%提高到30%。

    共發(fā)表（包括錄用）論文15篇，提交論文12篇，發(fā)明授權(quán)3項、受理3項，受理實用新型2項，受理軟件知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)4項，申請1項。

    到2005年底，全國17個省份、60個城市已經(jīng)安裝了城市空氣質(zhì)量監(jiān)測子站系統(tǒng)180套，擔(dān)負(fù)著向這些地方報告城市空氣質(zhì)量，并向國家網(wǎng)傳遞監(jiān)測信息的任務(wù)。該產(chǎn)品在國內(nèi)同類產(chǎn)品*占1/3，累計產(chǎn)品銷售上億元；污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)已安裝260多套，創(chuàng)產(chǎn)值1.3億元；機動車尾氣道邊監(jiān)測系統(tǒng)在全國銷售10余套，創(chuàng)產(chǎn)值1600多萬元。

    被列入我國城市空氣質(zhì)量日報監(jiān)測對象的SO2、NOx和PM10組成的空氣子站，點式儀器一套進口設(shè)備需要人民幣60至70萬元，而長光程設(shè)備則要80至90萬元。安徽光機所研究開發(fā)的城市空氣質(zhì)量監(jiān)測子站系統(tǒng)在質(zhì)量和功能上與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)，而價格僅為進口儀器設(shè)備的50%至60%。

    DOAS技術(shù)主要是利用空氣和污染源中的痕量污染成分對紫外及可見光波段的吸收特征來進行定性定量分析的。它可以同時監(jiān)測多種痕量氣體濃度（如O3，NO2，SO2，CH2O，NH3，HNO2等），測量范圍可以從100米到數(shù)公里。

國產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測儀器異軍突起

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