二極管激光器在尾氣遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　1.引言

　　機(jī)動(dòng)車尾氣的遙感監(jiān)測(cè)，因其能在機(jī)動(dòng)車正常行駛情況下監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車的瞬時(shí)排放而收到廣泛關(guān)注和研究。自1989年，美國(guó)Denwer大學(xué)研制出第一臺(tái)遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備開(kāi)始，遙感監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)。遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在各國(guó)均開(kāi)始有益的試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用[2]。

　　本文從光學(xué)原理人手介紹了機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)的物理原理，并詳細(xì)闡述了可調(diào)二極管激光吸收光譜學(xué)技術(shù)，以及在調(diào)制過(guò)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(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)方法中的非分光紅外技術(shù)和紫外差分技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，指出了其突出優(yōu)點(diǎn)。隨后介紹了基于可調(diào)二極管激光器的機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，剖析了技術(shù)難點(diǎn)和解決方法。

　　2.遙感監(jiān)測(cè)中的可調(diào)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(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)歷史已久。激光的高單色性、方向性、高強(qiáng)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(shí)時(shí)快速等優(yōu)點(diǎn)?？烧{(diào)諧二極管激光器(TDL)的工作原理是通過(guò)測(cè)量被測(cè)氣體分子在特征波峰上的吸收而引起的電子信號(hào)的變化來(lái)分析被測(cè)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(zhǎng)和后工藝加工等制備的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(zhǎng)的激光，其激射波長(zhǎng)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(zhǎng)會(huì)在一定的窄波段范圍內(nèi)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(cè)試到和被測(cè)氣體分子特征光譜波峰相一致的波長(zhǎng)。由于激射波長(zhǎng)非常精確，對(duì)于每個(gè)待測(cè)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(xiàn)，很好的解決了以前傳統(tǒng)的遙感檢測(cè)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(jiān)測(cè)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(cè)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(jiàn)和紅外光譜的特征吸收性質(zhì)來(lái)反演其濃度。可調(diào)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(zhǎng)的光程代替了傳統(tǒng)試驗(yàn)室中的取樣池，采用檢測(cè)激光光束的透射譜，即使光束從待測(cè)氣體的一側(cè)入射通過(guò)污染氣體，在另一端出射用探測(cè)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(cè)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(qiáng)度;Io(λ)為激光的初始強(qiáng)度;σ(λ)則表示在波長(zhǎng)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(jìn)一步，根據(jù)實(shí)際應(yīng)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)為譜線的線強(qiáng)度，只與溫度有關(guān)，單位(cm-2Mpa)，可以運(yùn)用HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)直接進(jìn)行計(jì)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(cè)吸收譜線的性質(zhì)與溫度、壓強(qiáng)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(zhǎng)通過(guò)被測(cè)氣體的特征吸收區(qū)的直接吸收光譜技術(shù)，由測(cè)得的吸收譜線的線形、線寬和強(qiáng)度可以計(jì)算出分子的吸收截面，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度，因此是一種不需要定標(biāo)的直接測(cè)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(zhǎng)必須與TDL的中心波長(zhǎng)和光探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)相適應(yīng)。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(cè)量的吸收譜線不僅必須要適合用到的TDL的中心波長(zhǎng)，而且還要跟其他氣體分子在吸收區(qū)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(cè)量精度。

　　應(yīng)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(xué)提供HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。得到在常溫(23℃)時(shí)CO和C02在l um至3um波長(zhǎng)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(dá)到或者超過(guò)閾值電流密度時(shí)，可調(diào)諧二極管激射出特定波長(zhǎng)的激光，隨著注入TDL電流密度的變化，激射波長(zhǎng)(對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)著一套特征的吸收譜線，通過(guò)調(diào)整發(fā)射波長(zhǎng)至被測(cè)氣體分子某…吸收譜線，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(duì)待測(cè)氣體濃度進(jìn)行分析極為有利。

　　為了抑制測(cè)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(cè)技術(shù)的基本過(guò)程是：調(diào)制電流加到二極管激光器的驅(qū)動(dòng)電流上，于是激光輸出波長(zhǎng)在線性掃描的同時(shí)受到正弦交流信號(hào)調(diào)制，激光在通過(guò)吸收樣品以后，吸收線強(qiáng)度受到相同頻率的調(diào)制，最后以相敏檢波方法進(jìn)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(gè)很窄范圍內(nèi)，從而大大地抑制了各種背景噪聲。具體過(guò)程分析如下。

　　當(dāng)測(cè)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(hào)，可得到其瞬時(shí)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(kāi)，

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　　理想情況下，假定入射激光強(qiáng)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(wú)關(guān)，即

　　Io (υ)≈Io(υo)≈Io (1-6)

　　當(dāng)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(cè)得：

　　其中θ=2πft

　　當(dāng)α(υ)≤0.05時(shí)透射強(qiáng)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(dāng)采用二次諧波調(diào)制時(shí)，顯然為消除其它項(xiàng)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(cè)氣體濃度CR成正比。整個(gè)調(diào)制過(guò)程如圖所示，其中：(a)為氣體直接吸收情形，(b)檢測(cè)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(hào)。調(diào)節(jié)鋸齒波偏置電流的來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖定到吸收峰處以獲得最大的靈敏度(2f信號(hào)在吸收中心具有最大值)。

　　2.4 機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)設(shè)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(zhǎng)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(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)的研制從應(yīng)用非分光紅外光譜技術(shù)開(kāi)始，當(dāng)車輛駛過(guò)檢測(cè)設(shè)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(duì)光束進(jìn)行反射，再經(jīng)過(guò)光學(xué)濾波器到達(dá)接收器。但是，測(cè)試的靈敏度相對(duì)較低，這主要是因?yàn)榻t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(qiáng)度是其基頻吸收的十萬(wàn)分之一，就對(duì)組分的分析而言，其含量一般應(yīng)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(cè)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(yuǎn)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(dǎo)致測(cè)量結(jié)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(yīng)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(cè)氣體在紫外和可見(jiàn)光譜波段的特征吸收性質(zhì)來(lái)反演其種類和濃度。目前在城市空氣污染監(jiān)測(cè)中，已經(jīng)運(yùn)用的非常成熟。這種技術(shù)對(duì)NO，No2，SO，和O2的測(cè)量結(jié)果得到比較滿意的效果[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(kuò)展。

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

　　采用可調(diào)諧二極管激光器進(jìn)行機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)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(tǒng)提供遠(yuǎn)高于非分光近紅外光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)靈敏度[1]，指標(biāo)可以達(dá)到ppm量級(jí)甚至ppb量級(jí)，即便低排放的車輛也可以成功測(cè)量。

　　2)測(cè)量范圍廣，測(cè)量光程更遠(yuǎn)，速度更快，在ms范圍內(nèi)能對(duì)幾種波長(zhǎng)進(jìn)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(cè)量指定氣體分子。

　　4)動(dòng)態(tài)特性比其它技術(shù)所體現(xiàn)出來(lái)靜態(tài)的監(jiān)測(cè)特性，更能反映被測(cè)氣體的真實(shí)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(cè)量，不需要進(jìn)行定標(biāo)等繁瑣程序。

　　總的來(lái)說(shuō)，可調(diào)諧二極管激光光譜學(xué)技術(shù)相比于其它監(jiān)測(cè)技術(shù)具有高靈敏度、長(zhǎng)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(diào)諧二極管激光器的機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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　　3.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

　　機(jī)動(dòng)車汽車尾氣遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：機(jī)動(dòng)車車牌照照相系統(tǒng)、速度和加速度測(cè)量系統(tǒng)、尾氣分析系統(tǒng)、本地?cái)?shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和環(huán)保中心機(jī)動(dòng)車數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)超標(biāo)機(jī)動(dòng)車采集牌照?qǐng)D像，同時(shí)存儲(chǔ)車牌照?qǐng)D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(kù)中。速度和加速度測(cè)量系統(tǒng)用于確認(rèn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，以減少因車輛沒(méi)有行駛在正常狀態(tài)下而產(chǎn)生的誤差。尾氣分析系統(tǒng)通過(guò)TDL等傳感器采集被測(cè)車輛所排放的污染物(CO、HC、NOX等)濃度，并通過(guò)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析被測(cè)車輛的尾氣排放情況。本地?cái)?shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和環(huán)保中心機(jī)動(dòng)車數(shù)據(jù)庫(kù)信息管理系統(tǒng)用于對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和超標(biāo)用戶的監(jiān)控管理。

　　3.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

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

　　1)系統(tǒng)安裝方便，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。

　　2)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人操作，遠(yuǎn)程診斷維護(hù)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到環(huán)保中心，避免了對(duì)數(shù)據(jù)的人為更改，而且系統(tǒng)是在汽車正常行駛過(guò)程完成監(jiān)測(cè)，保證了數(shù)據(jù)的高可靠性、準(zhǔn)確性、公正性。

　　3)體積小，安裝方便，能夠測(cè)量更長(zhǎng)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(zhǎng)度靈敏度可以達(dá)到1 ppbv)和準(zhǔn)確性，更快的響應(yīng)速度(小于1秒)，整體性能優(yōu)越。

　　4.小結(jié)

　　機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一種準(zhǔn)確有效的測(cè)量機(jī)動(dòng)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(shí)時(shí)快速等優(yōu)點(diǎn)。將其用于機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)，使得測(cè)量精度達(dá)到ppm量級(jí)，量程長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)快速，滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)方法。整個(gè)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人操作和遠(yuǎn)程診斷維護(hù)，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而公正。