二極管激光器在尾氣遙感監(jiān)測中的應用

　　1.引言

　　機動車尾氣的遙感監(jiān)測，因其能在機動車正常行駛情況下監(jiān)測機動車的瞬時排放而收到廣泛關(guān)注和研究。自1989年，美國Denwer大學研制出第一臺遙感監(jiān)測設備開始，遙感監(jiān)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(diào)諧二極管激光器(tunablediode laser，TDL)技術(shù)[1]，檢測污染物種類從單一的co發(fā)展到CO、HC和Nox均能有效監(jiān)測。遙感監(jiān)測技術(shù)在各國均開始有益的試驗研究和實際應用[2]。

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

　　2.遙感監(jiān)測中的可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)

　　利用光學和光譜學技術(shù)對機動車尾氣進行遙感監(jiān)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(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)之上的可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)具有高選擇性、高靈敏度、實時快速等優(yōu)點。可調(diào)諧二極管激光器(TDL)的工作原理是通過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)過外延生長和后工藝加工等制備的具有復雜結(jié)構(gòu)的激光器。在注入電流密度超過閾值電流密度工作的條件下，TDL發(fā)射出特定波長的激光，其激射波長由材料的結(jié)構(gòu)特性所決定。隨著注入電流密度的變化，其激射波長會在一定的窄波段范圍內(nèi)發(fā)生改變，通過這個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。由于激射波長非常精確，對于每個待測氣體成分可選擇不受干擾的吸收波段進行分析。TDL的出現(xiàn)，很好的解決了以前傳統(tǒng)的遙感檢測中所遇到的一些問題，例如高時間分辨率、高靈敏度、高選擇性等等一些實時監(jiān)測要求等。

　　2.1 可調(diào)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(chǔ)，根據(jù)環(huán)境中痕量氣體成分在紫外、可見和紅外光譜的特征吸收性質(zhì)來反演其濃度?？烧{(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)作為光學遙感方法的一種，是用幾百米到幾公里，甚至更長的光程代替了傳統(tǒng)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(cè)入射通過污染氣體，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)則表示在波長入處的分子吸收系數(shù)，c即為吸收物質(zhì)的濃度，L為總的光程。

　　進一步，根據(jù)實際應用要求，將公式(1—1)改進為：

　　I(λ)=Io(λ)exp(-PS(T)φ(v)c L) (1-2)

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

　　綜上，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)是利用調(diào)諧激光波長通過被測氣體的特征吸收區(qū)的直接吸收光譜技術(shù)，由測得的吸收譜線的線形、線寬和強度可以計算出分子的吸收截面，進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 譜線選擇

　　采用可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)，吸收譜線的選擇非常重要。要求滿足下列條件：譜線中心波長必須與TDL的中心波長和光探測器的響應波長相適應。譜線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不僅必須要適合用到的TDL的中心波長，而且還要跟其他氣體分子在吸收區(qū)域沒有交叉吸收，以排除其他分子吸收的干擾從而提高測量精度。

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

　　圖1為利用哈佛大學提供HITRAN數(shù)據(jù)庫[4]。得到在常溫(23℃)時CO和C02在l um至3um波長范圍內(nèi)的譜線圖：

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

　　2.3 調(diào)制光譜技術(shù)

　　可調(diào)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閾值電流密度時，可調(diào)諧二極管激射出特定波長的激光，隨著注入TDL電流密度的變化，激射波長(對應其光子能量)將在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化。每一種氣體分子都對應著一套特征的吸收譜線，通過調(diào)整發(fā)射波長至被測氣體分子某…吸收譜線，光子能量將全部或部分被吸收，此過程不易受其他氣體分子干擾，這對待測氣體濃度進行分析極為有利。

　　為了抑制測量中的各種背景噪聲，采用激光頻率調(diào)制技術(shù)。主要采用二次諧波調(diào)制技術(shù)。二次諧波檢測技術(shù)的基本過程是：調(diào)制電流加到二極管激光器的驅(qū)動電流上，于是激光輸出波長在線性掃描的同時受到正弦交流信號調(diào)制，激光在通過吸收樣品以后，吸收線強度受到相同頻率的調(diào)制，最后以相敏檢波方法進行相干解調(diào)獲得有關(guān)吸收曲線的信息。由于調(diào)制頻率限制在中心頻率Vo附近的一個很窄范圍內(nèi)，從而大大地抑制了各種背景噪聲。具體過程分析如下。

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

　　在TDL上加入頻率為f的調(diào)制信號，可得到其瞬時頻率為：

　　其中，υo為中心頻率，δv為調(diào)制幅度。

　　將式(1-4)Fourier展開，

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　　理想情況下，假定入射激光強度在需要調(diào)制和調(diào)整頻率的單根譜線的窄頻段范圍內(nèi)與頻率無關(guān)，即

　　Io (υ)≈Io(υo)≈Io (1-6)

　　當Io(υ)和α(υ)確定時，每個諧波分量An可以通過鎖相放大器測得：

　　其中θ=2πft

　　當α(υ)≤0.05時透射強度近似為

　　I(υ) ≈Io(υ)[1-σ(υ)CL] (1-8)

　　則，

　　因此每個諧波分量直接與氣體的濃度C成正比。當采用二次諧波調(diào)制時，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。整個調(diào)制過程如圖所示，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(diào)節(jié)鋸齒波偏置電流的來實現(xiàn)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 機動車尾氣遙感監(jiān)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

　　紅外光譜波長范圍為7 8 0～2 5 2 6 nm，波數(shù)范圍為l 2 8 2 o～3959cm-1。機動車尾氣遙感監(jiān)測的研制從應用非分光紅外光譜技術(shù)開始，當車輛駛過檢測設備時，紅外光束通過尾氣煙羽，由一系列分光器按照頻率特性對光束進行反射，再經(jīng)過光學濾波器到達接收器。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行化學分析，實測其組分或性質(zhì)。另外，由于相比于氣體分子吸收帶寬來說，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(nèi)混合著多種氣體，導致測量結(jié)果較大的誤差。

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

　　差分光學吸收光譜技術(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(jù)被測氣體在紫外和可見光譜波段的特征吸收性質(zhì)來反演其種類和濃度。目前在城市空氣污染監(jiān)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(jié)果得到比較滿意的效果[5]，目前，差分光學吸收光譜技術(shù)也開始向可見和紅外波段擴展。

　　2.5 可調(diào)諧二極管激光光譜學技術(shù)的優(yōu)點

　　采用可調(diào)諧二極管激光器進行機動車尾氣遙感監(jiān)測的傳感器，具有以下優(yōu)點：

　　1)由于激光本身的優(yōu)良特性，使得該技術(shù)能給系統(tǒng)提供遠高于非分光近紅外光譜技術(shù)監(jiān)測方法的監(jiān)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(nèi)能對幾種波長進行掃描。

　　3)只要吸收光譜選擇正確，可調(diào)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)動態(tài)特性比其它技術(shù)所體現(xiàn)出來靜態(tài)的監(jiān)測特性，更能反映被測氣體的真實狀況。

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

　　總的來說，可調(diào)諧二極管激光光譜學技術(shù)相比于其它監(jiān)測技術(shù)具有高靈敏度、長光程、高選擇性、實時、動態(tài)快速等優(yōu)點：

　　3.基于可調(diào)諧二極管激光器的機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)

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　　3.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

　　機動車汽車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：機動車車牌照照相系統(tǒng)、速度和加速度測量系統(tǒng)、尾氣分析系統(tǒng)、本地數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和環(huán)保中心機動車數(shù)據(jù)庫信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖3～1所示。其中牌照照相系統(tǒng)對超標機動車采集牌照圖像，同時存儲車牌照圖像和相關(guān)數(shù)據(jù)，并可發(fā)送到交警或環(huán)保等相關(guān)管理部門的數(shù)據(jù)庫中。速度和加速度測量系統(tǒng)用于確認車輛發(fā)動機的工作狀態(tài)，以減少因車輛沒有行駛在正常狀態(tài)下而產(chǎn)生的誤差。尾氣分析系統(tǒng)通過TDL等傳感器采集被測車輛所排放的污染物(CO、HC、NOX等)濃度，并通過相應的軟件系統(tǒng)實時分析被測車輛的尾氣排放情況。本地數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和環(huán)保中心機動車數(shù)據(jù)庫信息管理系統(tǒng)用于對數(shù)據(jù)的傳輸和超標用戶的監(jiān)控管理。

　　3.2 系統(tǒng)優(yōu)點

　　基于可調(diào)諧二極管激光器的汽車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

　　1)系統(tǒng)安裝方便，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集，減少人工勞動強度，提高數(shù)據(jù)的準確率。

　　2)實現(xiàn)現(xiàn)場無人操作，遠程診斷維護系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳到環(huán)保中心，避免了對數(shù)據(jù)的人為更改，而且系統(tǒng)是在汽車正常行駛過程完成監(jiān)測，保證了數(shù)據(jù)的高可靠性、準確性、公正性。

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

　　路徑長度靈敏度可以達到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(jié)

　　機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種準確有效的測量機動車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(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)之上的可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)具有高選擇性、高靈敏度、實時快速等優(yōu)點。將其用于機動車尾氣遙感監(jiān)測，使得測量精度達到ppm量級，量程長，監(jiān)測快速，滿足實際應用中對實時性的要求，遠優(yōu)于傳統(tǒng)遙感監(jiān)測方法。整個系統(tǒng)安裝簡便，實現(xiàn)現(xiàn)場無人操作和遠程診斷維護，測量數(shù)據(jù)準確而公正。