二极管激光器在尾气遥感监测中的应用

 1.引言

      机动车尾气的遥感监测，因其能在机动车正常行驶情况下监测机动车的瞬时排放而收到广泛关注和研究。自1989年，美国Denwer大学研制出台遥感监测设备开始，遥感监测技术已经从基于非分光红外技术（nondispersion infrared, NDIR）发展到基于可调谐二极管激光器（tunablediode laser，TDL）技术[1]，检测污染物种类从单一的co发展到CO、HC和Nox均能有效监测。遥感监测技术在各国均开始有益的试验研究和实际应用[2]。

      本文从光学原理人手介绍了机动车尾气遥感监测的物理原理，并详细阐述了可调二极管激光吸收光谱学技术，以及在调制过程中的二次谐波调制技术。将可调二极管激光光谱学技术与传统遥感监测方法中的非分光红外技术和紫外差分技术进行对比，指出了其突出优点。随后介绍了基于可调二极管激光器的机动车尾气遥感监测系统，剖析了技术难点和解决方法。

      2．遥感监测中的可调谐二极管激光光谱吸收技术

      利用光学和光谱学技术对机动车尾气进行遥感监测历史已久。激光的高单色性、方向性、高强度的优良特性，使得建立在二极管激光与调制技术基础之上的可调谐二极管激光光谱吸收技术具有高选择性、高灵敏度、实时快速等优点。可调谐二极管激光器(TDL)的工作原理是通过测量被测气体分子在特征波峰上的吸收而引起的电子信号的变化来分析被测物质浓度。TDL是由镓砷(GaAs)、镓锑(GaSb)或铟磷(InP)等材料作为衬底，经过外延生长和后工艺加工等制备的具有复杂结构的激光器。在注入电流密度超过阈值电流密度工作的条件下，TDL发射出特定波长的激光，其激射波长由材料的结构特性所决定。随着注入电流密度的变化，其激射波长会在一定的窄波段范围内发生改变，通过这个特性可以高速改变阈值电流密度，高速测试到和被测气体分子特征光谱波峰相一致的波长。由于激射波长非常，对于每个待测气体成分可选择不受干扰的吸收波段进行分析。TDL的出现，很好的解决了以前传统的遥感检测中所遇到的一些问题，例如高时间分辨率、高灵敏度、高选择性等等一些实时监测要求等。

      2．1 可调谐二极管激光光谱吸收技术原理

      电磁辐射与原子和分子间的相互作用是光谱遥感探测污染物成分以及特性的基础，根据环境中痕量气体成分在紫外、可见和红外光谱的特征吸收性质来反演其浓度。可调谐二极管激光光谱吸收技术作为光学遥感方法的一种，是用几百米到几公里，甚至更长的光程代替了传统试验室中的取样池，采用检测激光光束的透射谱，即使光束从待测气体的一侧入射通过污染气体，在另一端出射用探测器接收的方法。发射器与接收器间的距离确定了光程(大气的折射率近似为1．0)，测量原理基于Beer-Lambert定律。

      I(λ)=I0(λ)exp(—σ(λ)c L)(1—1)

      其中，I(λ)为为透射光谱强度；Io(λ)为激光的初始强度；σ(λ)则表示在波长入处的分子吸收系数，c即为吸收物质的浓度，L为总的光程。

      进一步，根据实际应用要求，将公式(1—1)改进为：

      I(λ)=Io(λ)exp(-PS(T)φ(v)c L) (1-2)

      其中，S(T)为谱线的线强度，只与温度有关，单位(cm-2Mpa)，可以运用HITRAN数据库直接进行计算得出；P为气体的总压，单位Mpa；φ(v)为线性函数，表示被测吸收谱线的性质与温度、压强和气体的种类等有关。

      综上，可调谐二极管激光吸收光谱技术是利用调谐激光波长通过被测气体的特征吸收区的直接吸收光谱技术，由测得的吸收谱线的线形、线宽和强度可以计算出分子的吸收截面，进而计算出被测气体的浓度，因此是一种不需要定标的直接测量。

      2．2 谱线选择

      采用可调谐二极管激光光谱吸收技术，吸收谱线的选择非常重要。要求满足下列条件：谱线中心波长必须与TDL的中心波长和光探测器的响应波长相适应。谱线不能位于多种气体吸收的交叉谱带，否则容易产生交叉干扰。选择测量的吸收谱线不仅必须要适合用到的TDL的中心波长，而且还要跟其他气体分子在吸收区域没有交叉吸收，以排除其他分子吸收的干扰从而提高测量。

      应尽量选择吸收线型较为规则如Lorenze或者Gauss型的谱线。

      图1为利用哈佛大学提供HITRAN数据库[4]。得到在常温(23℃)时CO和C02在l um至3um波长范围内的谱线图：

      根据图1和2，选择2 000 nm作为C02的吸收谱线，选择CO为l 570 nm。 同理，取HC为1 650 nm和NO为670 nm．

      2．3 调制光谱技术

      可调谐二极管激光器具有这样的性质：注入电流密度达到或者超过阈值电流密度时，可调谐二极管激射出特定波长的激光，随着注入TDL电流密度的变化，激射波长(对应其光子能量)将在一定范围内发生变化。每一种气体分子都对应着一套特征的吸收谱线，通过调整发射波长至被测气体分子某…吸收谱线，光子能量将全部或部分被吸收，此过程不易受其他气体分子干扰，这对待测气体浓度进行分析极为有利。

      为了抑制测量中的各种背景噪声，采用激光频率调制技术。主要采用二次谐波调制技术。二次谐波检测技术的基本过程是：调制电流加到二极管激光器的驱动电流上，于是激光输出波长在线性扫描的同时受到正弦交流信号调制，激光在通过吸收样品以后，吸收线强度受到相同频率的调制，以相敏检波方法进行相干解调获得有关吸收曲线的信息。由于调制频率限制在中心频率Vo附近的一个很窄范围内，从而大大地抑制了各种背景噪声。具体过程分析如下。

      当测量温度，谱线选择等确定后，Beer-Lambert定律可以表征为激光频率的函数：

      在TDL上加入频率为f的调制信号，可得到其瞬时频率为：

      其中，υo为中心频率，δv为调制幅度。

      将式（1－4）Fourier展开，

      理想情况下，假定入射激光强度在需要调制和调整频率的单根谱线的窄频段范围内与频率无关，即

      Io (υ)≈Io(υo)≈Io （1-6）

      当Io(υ)和α（υ）确定时，每个谐波分量An可以通过锁相放大器测得：

      其中θ=2πft

      当α（υ）≤0.05时透射强度近似为

      I(υ) ≈Io(υ)[1-σ（υ）CL] （1-8）

      则，

      因此每个谐波分量直接与气体的浓度C成正比。当采用二次谐波调制时，显然为消除其它项的影响，可以取代二次谐波分量和基频分量的比值作为输出。即

      其与所测气体浓度CR成正比。整个调制过程如图所示，其中：(a)为气体直接吸收情形，(b)检测得到的基频分量，(c)为经二倍频锁相放大器后得到的二次谐波信号。调节锯齿波偏置电流的来实现锁定到吸收峰处以获得的灵敏度(2f信号在吸收中心具有值)。

      2．4 机动车尾气遥感监测设备中的其它光谱技术

      2．4．1 非分光红外光谱技术Nondispersive infrared spectroscopy

      红外光谱波长范围为7 8 0～2 5 2 6 nm，波数范围为l 2 8 2 o～3959cm-1。机动车尾气遥感监测的研制从应用非分光红外光谱技术开始，当车辆驶过检测设备时，红外光束通过尾气烟羽，由一系列分光器按照频率特性对光束进行反射，再经过光学滤波器到达接收器。但是，测试的灵敏度相对较低，这主要是因为近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低，一般近红外倍频和合频的谱带强度是其基频吸收的十万分之一，就对组分的分析而言，其含量一般应大于0．11％。二是它属于一种间接分析技术，需要选取大量代表性样品进行化学分析，实测其组分或性质。另外，由于相比于气体分子吸收带宽来说，滤波器的幅度远大于特定分子的吸收带宽，使得同一幅宽范围内混合着多种气体，导致测量结果较大的误差。

      2．4．2 紫外差分光学吸收光谱技术U1travio1et Differentia1AbsorDtiOn

      差分光学吸收光谱技术主要应用在紫外波段范围，适用于该波段有吸收特征光谱的污染气体。它是根据被测气体在紫外和可见光谱波段的特征吸收性质来反演其种类和浓度。目前在城市空气污染监测中，已经运用的非常成熟。这种技术对NO，No2，SO，和O2的测量结果得到比较满意的效果[5]，目前，差分光学吸收光谱技术也开始向可见和红外波段扩展。

      2．5 可调谐二极管激光光谱学技术的优点

      采用可调谐二极管激光器进行机动车尾气遥感监测的传感器，具有以下优点：

      1)由于激光本身的优良特性，使得该技术能给系统提供远高于非分光近红外光谱技术监测方法的监测灵敏度[1]，指标可以达到ppm量级甚至ppb量级，即便低排放的车辆也可以成功测量。

      2)测量范围广，测量光程更远，速度更快，在ms范围内能对几种波长进行扫描。

      3)只要吸收光谱选择正确，可调谐二极管激光器具有很好的选择性，不受其它成分干扰，在许多其它成分气体存在的背景下，仍然可以高测量指定气体分子。

      4)动态特性比其它技术所体现出来静态的监测特性，更能反映被测气体的真实状况。

      5)可调谐二极管激光器与调制技术结合，不仅获得了高灵敏度，而且可以直接测量，不需要进行定标等繁琐程序。

      总的来说，可调谐二极管激光光谱学技术相比于其它监测技术具有高灵敏度、长光程、高选择性、实时、动态快速等优点：

      3．基于可调谐二极管激光器的机动车尾气遥感监测系统

      3．1 系统基本架构

      机动车汽车尾气遥感监测系统主要由以下几部分组成：机动车车牌照照相系统、速度和加速度测量系统、尾气分析系统、本地数据管理及数据通讯系统和环保中心机动车数据库信息管理系统，系统组成如图3～1所示。其中牌照照相系统对超标机动车采集牌照图像，同时存储车牌照图像和相关数据，并可发送到交警或环保等相关管理部门的数据库中。速度和加速度测量系统用于确认车辆发动机的工作状态，以减少因车辆没有行驶在正常状态下而产生的误差。尾气分析系统通过TDL等传感器采集被测车辆所排放的污染物(CO、HC、NOX等)浓度，并通过相应的软件系统实时分析被测车辆的尾气排放情况。本地数据管理及数据通讯系统和环保中心机动车数据库信息管理系统用于对数据的传输和超标用户的监控管理。

      3．2 系统优点

      基于可调谐二极管激光器的汽车尾气遥感监测系统，与传统监测技术相比，具有如下优点：

      1)系统安装方便，监测数据自动采集，减少人工劳动强度，提高数据的准确率。

      2)实现现场无人操作，远程诊断维护系统，监测数据自动上传到环保中心，避免了对数据的人为更改，而且系统是在汽车正常行驶过程完成监测，保证了数据的高可靠性、准确性、公正性。

      3)体积小，安装方便，能够测量更长的光程距离(可以大于1 KM)，具有更高的灵敏度(根据路径长度灵敏度可以达到1 ppbv)和准确性，更快的响应速度(小于1秒)，整体性能优越。

      4．小结

      机动车尾气遥感监测系统提供了一种准确有效的测量机动车在正常行驶状况下尾气排放的方法。建立在二极管激光与调制技术基础之上的可调谐二极管激光光谱吸收技术具有高选择性、高灵敏度、实时快速等优点。将其用于机动车尾气遥感监测，使得测量达到ppm量级，量程长，监测快速，满足实际应用中对实时性的要求，远优于传统遥感监测方法。整个系统安装简便，实现现场无人操作和远程诊断维护，测量数据准确而公正。