二極管激光器在尾氣遙感監測中的應用

　　1.引言

　　機動(dòng)車(chē)尾氣的遙感監測，因其能在機動(dòng)車(chē)正常行駛情況下監測機動(dòng)車(chē)的瞬時(shí)排放而收到廣泛關(guān)注和研究。自1989年，美國Denwer大學(xué)研制出第一臺遙感監測設備開(kāi)始，遙感監測技術(shù)已經(jīng)從基于非分光紅外技術(shù)(nondispersion infrared, NDIR)發(fā)展到基于可調諧二極管激光器(tunablediode laser，TDL)技術(shù)[1]，檢測污染物種類(lèi)從單一的co發(fā)展到CO、HC和Nox均能有效監測。遙感監測技術(shù)在各國均開(kāi)始有益的試驗研究和實(shí)際應用[2]。

　　本文從光學(xué)原理人手介紹了機動(dòng)車(chē)尾氣遙感監測的物理原理，并詳細闡述了可調二極管激光吸收光譜學(xué)技術(shù)，以及在調制過(guò)程中的二次諧波調制技術(shù)。將可調二極管激光光譜學(xué)技術(shù)與傳統遙感監測方法中的非分光紅外技術(shù)和紫外差分技術(shù)進(jìn)行對比，指出了其突出優(yōu)點(diǎn)。隨后介紹了基于可調二極管激光器的機動(dòng)車(chē)尾氣遙感監測系統，剖析了技術(shù)難點(diǎn)和解決方法。

　　2.遙感監測中的可調諧二極管激光光譜吸收技術(shù)

　　利用光學(xué)和光譜學(xué)技術(shù)對機動(dòng)車(chē)尾氣進(jìn)行遙感監測歷史已久。激光的高單色性、方向性、高強度的優(yōu)良特性，使得建立在二極管激光與調制技術(shù)基礎之上的可調諧二極管激光光譜吸收技術(shù)具有高選擇性、高靈敏度、實(shí)時(shí)快速等優(yōu)點(diǎn)?？烧{諧二極管激光器(TDL)的工作原理是通過(guò)測量被測氣體分子在特征波峰上的吸收而引起的電子信號的變化來(lái)分析被測物質(zhì)濃度。TDL是由鎵砷(GaAs)、鎵銻(GaSb)或銦磷(InP)等材料作為襯底，經(jīng)過(guò)外延生長(cháng)和后工藝加工等制備的具有復雜結構的激光器。在注入電流密度超過(guò)閾值電流密度工作的條件下，TDL發(fā)射出特定波長(cháng)的激光，其激射波長(cháng)由材料的結構特性所決定。隨著(zhù)注入電流密度的變化，其激射波長(cháng)會(huì )在一定的窄波段范圍內發(fā)生改變，通過(guò)這個(gè)特性可以高速改變閾值電流密度，高速測試到和被測氣體分子特征光譜波峰相一致的波長(cháng)。由于激射波長(cháng)非常精確，對于每個(gè)待測氣體成分可選擇不受干擾的吸收波段進(jìn)行分析。TDL的出現，很好的解決了以前傳統的遙感檢測中所遇到的一些問(wèn)題，例如高時(shí)間分辨率、高靈敏度、高選擇性等等一些實(shí)時(shí)監測要求等。

　　2.1 可調諧二極管激光光譜吸收技術(shù)原理

　　電磁輻射與原子和分子間的相互作用是光譜遙感探測污染物成分以及特性的基礎，根據環(huán)境中痕量氣體成分在紫外、可見(jiàn)和紅外光譜的特征吸收性質(zhì)來(lái)反演其濃度?？烧{諧二極管激光光譜吸收技術(shù)作為光學(xué)遙感方法的一種，是用幾百米到幾公里，甚至更長(cháng)的光程代替了傳統試驗室中的取樣池，采用檢測激光光束的透射譜，即使光束從待測氣體的一側入射通過(guò)污染氣體，在另一端出射用探測器接收的方法。發(fā)射器與接收器間的距離確定了光程(大氣的折射率近似為1.0)，測量原理基于Beer-Lambert定律。

　　I(λ)=I0(λ)exp(—σ(λ)c L)(1—1)

　　其中，I(λ)為為透射光譜強度;Io(λ)為激光的初始強度;σ(λ)則表示在波長(cháng)入處的分子吸收系數，c即為吸收物質(zhì)的濃度，L為總的光程。

　　進(jìn)一步，根據實(shí)際應用要求，將公式(1—1)改進(jìn)為：

　　I(λ)=Io(λ)exp(-PS(T)φ(v)c L) (1-2)

　　其中，S(T)為譜線(xiàn)的線(xiàn)強度，只與溫度有關(guān)，單位(cm-2Mpa)，可以運用HITRAN數據庫直接進(jìn)行計算得出;P為氣體的總壓，單位Mpa;φ(v)為線(xiàn)性函數，表示被測吸收譜線(xiàn)的性質(zhì)與溫度、壓強和氣體的種類(lèi)等有關(guān)。

　　綜上，可調諧二極管激光吸收光譜技術(shù)是利用調諧激光波長(cháng)通過(guò)被測氣體的特征吸收區的直接吸收光譜技術(shù)，由測得的吸收譜線(xiàn)的線(xiàn)形、線(xiàn)寬和強度可以計算出分子的吸收截面，進(jìn)而計算出被測氣體的濃度，因此是一種不需要定標的直接測量[3]。

　　2.2 譜線(xiàn)選擇

　　采用可調諧二極管激光光譜吸收技術(shù)，吸收譜線(xiàn)的選擇非常重要。要求滿(mǎn)足下列條件：譜線(xiàn)中心波長(cháng)必須與TDL的中心波長(cháng)和光探測器的響應波長(cháng)相適應。譜線(xiàn)不能位于多種氣體吸收的交叉譜帶，否則容易產(chǎn)生交叉干擾。選擇測量的吸收譜線(xiàn)不僅必須要適合用到的TDL的中心波長(cháng)，而且還要跟其他氣體分子在吸收區域沒(méi)有交叉吸收，以排除其他分子吸收的干擾從而提高測量精度。

　　應盡量選擇吸收線(xiàn)型較為規則如Lorenze或者Gauss型的譜線(xiàn)。

　　圖1為利用哈佛大學(xué)提供HITRAN數據庫[4]。得到在常溫(23℃)時(shí)CO和C02在l um至3um波長(cháng)范圍內的譜線(xiàn)圖：

　　根據圖1和2，選擇2 000 nm作為C02的吸收譜線(xiàn)，選擇CO為l 570 nm。 同理，取HC為1 650 nm和NO為670 nm.

　　2.3 調制光譜技術(shù)

　　可調諧二極管激光器具有這樣的性質(zhì)：注入電流密度達到或者超過(guò)閾值電流密度時(shí)，可調諧二極管激射出特定波長(cháng)的激光，隨著(zhù)注入TDL電流密度的變化，激射波長(cháng)(對應其光子能量)將在一定范圍內發(fā)生變化。每一種氣體分子都對應著(zhù)一套特征的吸收譜線(xiàn)，通過(guò)調整發(fā)射波長(cháng)至被測氣體分子某…吸收譜線(xiàn)，光子能量將全部或部分被吸收，此過(guò)程不易受其他氣體分子干擾，這對待測氣體濃度進(jìn)行分析極為有利。

　　為了抑制測量中的各種背景噪聲，采用激光頻率調制技術(shù)。主要采用二次諧波調制技術(shù)。二次諧波檢測技術(shù)的基本過(guò)程是：調制電流加到二極管激光器的驅動(dòng)電流上，于是激光輸出波長(cháng)在線(xiàn)性?huà)呙璧耐瑫r(shí)受到正弦交流信號調制，激光在通過(guò)吸收樣品以后，吸收線(xiàn)強度受到相同頻率的調制，最后以相敏檢波方法進(jìn)行相干解調獲得有關(guān)吸收曲線(xiàn)的信息。由于調制頻率限制在中心頻率Vo附近的一個(gè)很窄范圍內，從而大大地抑制了各種背景噪聲。具體過(guò)程分析如下。

　　當測量溫度，譜線(xiàn)選擇等確定后，Beer-Lambert定律可以表征為激光頻率的函數：

　　在TDL上加入頻率為f的調制信號，可得到其瞬時(shí)頻率為：

　　其中，υo為中心頻率，δv為調制幅度。

　　將式(1-4)Fourier展開(kāi)，

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　　理想情況下，假定入射激光強度在需要調制和調整頻率的單根譜線(xiàn)的窄頻段范圍內與頻率無(wú)關(guān)，即

　　Io (υ)≈Io(υo)≈Io (1-6)

　　當Io(υ)和α(υ)確定時(shí)，每個(gè)諧波分量An可以通過(guò)鎖相放大器測得：

　　其中θ=2πft

　　當α(υ)≤0.05時(shí)透射強度近似為

　　I(υ) ≈Io(υ)[1-σ(υ)CL] (1-8)

　　則，

　　因此每個(gè)諧波分量直接與氣體的濃度C成正比。當采用二次諧波調制時(shí)，顯然為消除其它項的影響，可以取代二次諧波分量和基頻分量的比值作為輸出。即

　　其與所測氣體濃度CR成正比。整個(gè)調制過(guò)程如圖所示，其中：(a)為氣體直接吸收情形，(b)檢測得到的基頻分量，(c)為經(jīng)二倍頻鎖相放大器后得到的二次諧波信號。調節鋸齒波偏置電流的來(lái)實(shí)現鎖定到吸收峰處以獲得最大的靈敏度(2f信號在吸收中心具有最大值)。

　　2.4 機動(dòng)車(chē)尾氣遙感監測設備中的其它光譜技術(shù)

　　2.4.1 非分光紅外光譜技術(shù)Nondispersive infrared spectroscopy

　　紅外光譜波長(cháng)范圍為7 8 0～2 5 2 6 nm，波數范圍為l 2 8 2 o～3959cm-1。機動(dòng)車(chē)尾氣遙感監測的研制從應用非分光紅外光譜技術(shù)開(kāi)始，當車(chē)輛駛過(guò)檢測設備時(shí)，紅外光束通過(guò)尾氣煙羽，由一系列分光器按照頻率特性對光束進(jìn)行反射，再經(jīng)過(guò)光學(xué)濾波器到達接收器。但是，測試的靈敏度相對較低，這主要是因為近紅外光譜作為分子振動(dòng)的非諧振吸收躍遷幾率較低，一般近紅外倍頻和合頻的譜帶強度是其基頻吸收的十萬(wàn)分之一，就對組分的分析而言，其含量一般應大于0.11%。二是它屬于一種間接分析技術(shù)，需要選取大量代表性樣品進(jìn)行化學(xué)分析，實(shí)測其組分或性質(zhì)。另外，由于相比于氣體分子吸收帶寬來(lái)說(shuō)，濾波器的幅度遠大于特定分子的吸收帶寬，使得同一幅寬范圍內混合著(zhù)多種氣體，導致測量結果較大的誤差。

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　　2.4.2 紫外差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)U1travio1et Differentia1AbsorDtiOn

　　差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)主要應用在紫外波段范圍，適用于該波段有吸收特征光譜的污染氣體。它是根據被測氣體在紫外和可見(jiàn)光譜波段的特征吸收性質(zhì)來(lái)反演其種類(lèi)和濃度。目前在城市空氣污染監測中，已經(jīng)運用的非常成熟。這種技術(shù)對NO，No2，SO，和O2的測量結果得到比較滿(mǎn)意的效果[5]，目前，差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)也開(kāi)始向可見(jiàn)和紅外波段擴展。

　　2.5 可調諧二極管激光光譜學(xué)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

　　采用可調諧二極管激光器進(jìn)行機動(dòng)車(chē)尾氣遙感監測的傳感器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1)由于激光本身的優(yōu)良特性，使得該技術(shù)能給系統提供遠高于非分光近紅外光譜技術(shù)監測方法的監測靈敏度[1]，指標可以達到ppm量級甚至ppb量級，即便低排放的車(chē)輛也可以成功測量。

　　2)測量范圍廣，測量光程更遠，速度更快，在ms范圍內能對幾種波長(cháng)進(jìn)行掃描。

　　3)只要吸收光譜選擇正確，可調諧二極管激光器具有很好的選擇性，不受其它成分干擾，在許多其它成分氣體存在的背景下，仍然可以高精度測量指定氣體分子。

　　4)動(dòng)態(tài)特性比其它技術(shù)所體現出來(lái)靜態(tài)的監測特性，更能反映被測氣體的真實(shí)狀況。

　　5)可調諧二極管激光器與調制技術(shù)結合，不僅獲得了高靈敏度，而且可以直接測量，不需要進(jìn)行定標等繁瑣程序。

　　總的來(lái)說(shuō)，可調諧二極管激光光譜學(xué)技術(shù)相比于其它監測技術(shù)具有高靈敏度、長(cháng)光程、高選擇性、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)快速等優(yōu)點(diǎn)：

　　3.基于可調諧二極管激光器的機動(dòng)車(chē)尾氣遙感監測系統

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　　3.1 系統基本架構

　　機動(dòng)車(chē)汽車(chē)尾氣遙感監測系統主要由以下幾部分組成：機動(dòng)車(chē)車(chē)牌照照相系統、速度和加速度測量系統、尾氣分析系統、本地數據管理及數據通訊系統和環(huán)保中心機動(dòng)車(chē)數據庫信息管理系統，系統組成如圖3～1所示。其中牌照照相系統對超標機動(dòng)車(chē)采集牌照圖像，同時(shí)存儲車(chē)牌照圖像和相關(guān)數據，并可發(fā)送到交警或環(huán)保等相關(guān)管理部門(mén)的數據庫中。速度和加速度測量系統用于確認車(chē)輛發(fā)動(dòng)機的工作狀態(tài)，以減少因車(chē)輛沒(méi)有行駛在正常狀態(tài)下而產(chǎn)生的誤差。尾氣分析系統通過(guò)TDL等傳感器采集被測車(chē)輛所排放的污染物(CO、HC、NOX等)濃度，并通過(guò)相應的軟件系統實(shí)時(shí)分析被測車(chē)輛的尾氣排放情況。本地數據管理及數據通訊系統和環(huán)保中心機動(dòng)車(chē)數據庫信息管理系統用于對數據的傳輸和超標用戶(hù)的監控管理。

　　3.2 系統優(yōu)點(diǎn)

　　基于可調諧二極管激光器的汽車(chē)尾氣遙感監測系統，與傳統監測技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　1)系統安裝方便，監測數據自動(dòng)采集，減少人工勞動(dòng)強度，提高數據的準確率。

　　2)實(shí)現現場(chǎng)無(wú)人操作，遠程診斷維護系統，監測數據自動(dòng)上傳到環(huán)保中心，避免了對數據的人為更改，而且系統是在汽車(chē)正常行駛過(guò)程完成監測，保證了數據的高可靠性、準確性、公正性。

　　3)體積小，安裝方便，能夠測量更長(cháng)的光程距離(可以大于1 KM)，具有更高的靈敏度(根據

　　路徑長(cháng)度靈敏度可以達到1 ppbv)和準確性，更快的響應速度(小于1秒)，整體性能優(yōu)越。

　　4.小結

　　機動(dòng)車(chē)尾氣遙感監測系統提供了一種準確有效的測量機動(dòng)車(chē)在正常行駛狀況下尾氣排放的方法。建立在二極管激光與調制技術(shù)基礎之上的可調諧二極管激光光譜吸收技術(shù)具有高選擇性、高靈敏度、實(shí)時(shí)快速等優(yōu)點(diǎn)。將其用于機動(dòng)車(chē)尾氣遙感監測，使得測量精度達到ppm量級，量程長(cháng)，監測快速，滿(mǎn)足實(shí)際應用中對實(shí)時(shí)性的要求，遠優(yōu)于傳統遙感監測方法。整個(gè)系統安裝簡(jiǎn)便，實(shí)現現場(chǎng)無(wú)人操作和遠程診斷維護，測量數據準確而公正。