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二極管激光器在尾氣遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

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作者: 時(shí)間:2007-12-11 來(lái)源: 收藏

  1.引言

  機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的監(jiān)測(cè),因其能在機(jī)動(dòng)車(chē)正常行駛情況下監(jiān)測(cè)機(jī)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(guó)Denwer大學(xué)研制出第一臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備開(kāi)始,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(tunablediode laser,TDL)技術(shù)[1],檢測(cè)污染物種類(lèi)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(chē)尾氣遙感監(jiān)測(cè)的物理原理,并詳細(xì)闡述了可調(diào)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)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)二極管的機(jī)動(dòng)車(chē)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(chē)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)。可調(diào)諧二極管(TDL)的工作原理是通過(guò)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??烧{(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),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(lèi)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[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:

  

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  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(chē)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(chē)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(chē)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,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(lèi)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)汽車(chē)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(chē)車(chē)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(chē)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(chē)采集牌照?qǐng)D像,同時(shí)存儲(chǔ)車(chē)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(mén)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(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)通過(guò)TDL等傳感器采集被測(cè)車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(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(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(chē)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。

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