CN111398991B - 量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，包括探测系统，系统包括光源、光路及望远镜、探测器、波长锁定、同步触发控制、数据采集及浓度廓线反演部分；进行浓度廓线探测时，两个量子级联激光器通过波长锁定使其激光器输出波长分别锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λ_on和弱吸收谷λ_off，然后在同步触发控制下交替发射窄脉冲激光光束，进入探测区域，在被探测气体吸收、散射后，其后向散射光被望远镜接收，经探测器转换、数据采集后及反演后，获得VOCs的浓度廓线信息。本发明易于实施，便于维护，对不同的被探测气体更换不同的量子级联激光器即可实现探测，具有普适性强的优点。

Description

量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法

技术领域

本发明属于环境监测领域、激光雷达探测技术领域，具体涉及一种量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法。

背景技术

挥发性有机化合物(VOCs:Volatile Organic Compounds)是指沸点在50℃～260℃之间，能参加大气光化学反应的有机化合物总称，包括非甲烷烃类、含氯有机物等，种类繁多，常见的VOCs有甲醛、苯、甲苯、二甲苯、乙烯、乙醛、三氯乙烯、四氯乙烯等。

VOCs对环境及人体健康有严重的不利影响。光照条件下，VOCs和氮氧化合物发生化学反应，生成臭氧及光化学烟雾；同时，VOCs也会生成粒径较小的二次颗粒物，成为PM_2.5的重要组成部分；此外，由于VOCs多为脂溶性溶剂，一方面对农作物生长产生影响，导致产量下降，另一方面，也容易通过呼吸作用经肺、血液进入人体，导致多种疾病和恶性肿瘤。近年来，随着大气污染控制力度的加强，我国城市空气质量总体改善，PM_2.5、二氧化硫等污染物年均浓度和超标率均逐年下降，但以臭氧为代表的二次污染物却呈现加剧的趋势。由于PM_2.5、臭氧和光化学烟雾的产生都与VOCs有密切关系，专家普遍认为：我国大气污染未得到遏制的重要原因在于造成大气二次污染的VOCs排放未得到有效控制。

开展VOCs监测及排放控制，首先需要对VOCs进行探测。目前，VOCs的探测方法主要有气相色谱-质谱法(GC-MS)、电离-质谱法(PTR-MS)等。这些方法虽然有很高的探测灵敏度，但均是离线的取样式探测，只能针对小面积的局部区域进行探测。由于VOCs来源广泛、排放点多面广、成份繁多，其演化消散过程复杂，目前迫切需求的是可在现实大气环境下、较大区域内对VOCs浓度进行探测的空间立体探测技术。

近年来，基于光谱学理论的大气光学探测技术已有了飞速的发展，由于具有非接触、无需取样、高灵敏度、大范围遥感等特点，成为大气探测的最新手段。其中的气体吸收光谱学理论表明：气体分子因其结构及其能级的不同，每种气体都会对特定波段的光具有强吸收特性，根据它们的特异性吸收，就可以对被探测气体的成份进行定性和定量分析。

基于光谱学理论的大气光学探测技术主要有傅立叶变换红外光谱技术(FTIR：Fourier Transform Infrared spectroscopy)、差分光学吸收光谱技术(DOAS：Differential Optical Absorption Spectroscopy)、可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS：Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)、差分吸收激光雷技术(DIAL:Differential Absorption Laser)。其中，前三种探测方法采用透射、硬反射方式，虽然具有较高的探测精度、可同时进行多种气体探测等优点，但其所获得的浓度均是“柱浓度”，——即只能获得整个探测路径中的所探测气体平均浓度。而“柱浓度”对气体相关特性的来源及分布解析不精准，无法满足空间立体探测的现实需求。

激光雷达探测技术是一种主动探测方法，该方法通过接收其所发射的窄脉冲激光信号与气体相互作用后的回波信号，来获取大气的物理化学特性，激光雷达的优势在于其可以获得被探测气体的特性随探测高度的变化情况——廓线信息，结合扫描技术进而可以获得其空间分布，在空间立体探测领域具有极大的优势。差分吸收激光雷技术(DIAL:Differential Absorption Laser)基于激光雷达探测手段，工作时，DIAL的激光器输出两束波长很相近的激光，其中一束激光波长需选在待测气体的强吸收截面上，称之为λ_on，另一相近的激光波长选在待测气体的零吸收或者弱吸收截面上，称之为λ_off，根据两激光波长的回波的差异确定这两束激光相同路径上待测气体的浓度。DIAL具有实时在线、高精度、高时空分辨等特点，其测量光程可达几公里至几十公里，目前已实现了平流层和对流层内气溶胶、臭氧、氮氧化物、二氧化硫等气体的空间浓度测量。

DIAL的关键在于必须获得两束波长可调节的激光，在工作时将其波长分别调节并锁定在被探测气体的λ_on、λ_off处。目前，实现输出波长可调节的激光器主要有两种：一种是光参量振荡激光器OPO,另外—种是染料激光器Dye laser。OPO激光器利用双折射BBO晶体的非线性效应实现较大范围的波长调节，但由于OPO激光器需满足相位匹配条件，对系统准直的要求非常高,导致系统抗干扰振动能力弱。此外，OPO激光器必须使用很强的泵浦功率,泵浦功率的抖动很容易损伤BBO晶体，这使得其维持繁琐、成本高，不利于实际应用；染料激光器是利用染料的荧光效应来实现波长调节，目前已经有数百种的有机染料可供使用，可以实现波长从320nm～1200nm范围内调节，但由于染料会被泵浦光漂白，导致激光器的输出功率下降，所以染料激光器难以长时间稳定工作。

采用DIAL方法来获得VOCs的浓度廓线，需要把激光器的激光波长调节到VOCs的强吸收线位置。在VOCs吸收谱带中，吸收较强的被称为“基频吸收带”，吸收较弱的被称为“泛频吸收带”。通常情况下，VOCs的“基频吸收带”比“泛频吸收带”的吸收强度高1～4个数量级。除部分气体外，大多数VOCs的“基频吸收带”都位于红外波段，所以，红外波段是VOCs探测的最佳探测区。然而，目前，无论采用OPO还是染料激光器，均不能获得中红外波段波长可调节的激光光源，因此，中红外波段激光的获取是限制DIAL探测VOCs浓度廓线的关键。

量子级联激光器是近年来发展起来的一种新型激光器，可实现中红外波段(4.3～24um)连续或脉冲激光输出，具有窄线宽、波长可调节的特点，是VOCs探测的理想光源。如果将量子级联激光器可实现中红外探测光输出的优势与差分吸收激光雷达具有可获得气体浓度廓线的机制相结合，有望实现中红外波段VOCs浓度廓线的精细探测。为此，本专利提出双量子级联激光器差分吸收激光雷达探测方法：将两个波长可调节的脉冲式量子级联激光器分别锁定在被探测VOCs的强吸收线的吸收峰λ_on、弱吸收线λ_off，以激光雷达作为探测体制，以差分吸收作为探测手段，实现近地面VOCs空间浓度的探测。该方法易于实施，便于维护，对不同的被探测气体更换不同的量子级联激光器即可实现探测，具有普适性强的优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，实现VOCs浓度廓线的探测。

本发明所采用的技术方案，

量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，包括量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测系统，系统包括光源、光路及望远镜、探测器、波长锁定、同步触发控制、数据采集及浓度廓线反演部分；

探测方法为，进行浓度廓线探测时，两个量子级联激光器通过波长锁定使其激光器输出波长分别锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λ_on和弱吸收谷λ_off，然后在同步触发控制下交替发射窄脉冲激光光束，进入探测区域，在被探测气体吸收、散射后，其后向散射光被望远镜接收，经探测器转换、数据采集后及反演后，获得探测区域被探测VOCs的浓度廓线信息。

本发明的特点还在于，

探测光源为脉冲式量子级联激光器，其激光器输出波长可以调节，激光光束为脉冲式光束。

量子级联激光器的数量为两台，其中一台激光器的输出激光波长被精细调节并锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λ_on处；另一台激光器的输出激光波长被精细调节并锁定在被探测VOCs气体的弱吸收谷λ_off处。

激光器输出激光波长的精细调节是通过改变量子级联激光器的温度以及激光器的注入电流而实现的。

为使用量子级联激光器输出光波锁定在被探测气体的强吸收峰λ_on和弱吸收谷λ_off处，选择被探测VOCs组分一致，但浓度较高的气体作为参考池，在发射探测光脉冲前，量子级联激光器首先发射一个较宽的匹配光脉冲，并在此期间改变量子级联激光器的注入电流，使其波长扫描过参考气体的吸收谱线，从而获得被探测气体的强吸收峰λ_on、弱吸收谷λ_off处的量子级联激光器的工作电流，将量子级联激光器的注入电流设定在该值，再发射探测窄脉冲，从而使量子级联激光器的输出波长锁定在被探测气体的强吸收峰λ_on、弱吸收谷λ_off处，实现波长的动态匹配及锁定。

被探测VOCs气体浓度廓线的获得是通过差分吸收激光雷达方程反演获得的。

本发明的有益效果是：本发明量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，该方法易于实施，便于维护，成本较低，对不同的被探测气体更换不同波长范围的量子级联激光器即可实现探测，具有普适性强的优点。

附图说明

图1是本发明量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法中探测系统整体结构图；

图2是本发明量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法中量子级联激光器工作波段及一款脉冲式量子级联激光器的波长调谐特性示意图；

图3是本发明量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法中波长动态匹配时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，包括量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测系统，系统包括光源、光路及望远镜、探测器、波长锁定、同步触发控制、数据采集及浓度廓线反演部分；

探测方法为，进行VOCs浓度廓线探测前，首先选择被探测VOCs气体的吸收谱线λ_on和λ_off的位置，选则的原则是：被探测气体在λ_on和λ_off处有较明显的强吸收峰和弱吸收谷；在此位置处干扰气体对VOCs浓度探测的影响小，λ_on和λ_off的波长相近。

量子级联激光器可实现中红外波段的窄脉冲、窄线宽激光输出，量子级联激光器的另外一个显著特点就是其波长的可调节性：通过改变量子级联激光器的本体温度、激光器的注入电流，可实现波长的精细调节，如图2所示，根据被探测气体的λ_on、λ_off的波长，选择合适的量子级联激光器，保证λ_on和λ_off在分别在两个量子级联激光器的波长调节范围内。

根据量子级联激光器的温度/电流——输出波长之间的关系，设定两个量子级联激光器的工作温度和注入电流，将量子级联激光器λ_on的波长和量子级联激光器λ_off的波长调节到被探测气体波长的λ_on和λ_off位置处，如图1所示。

由于环境温度的改变、量子级联激光器工作时的自加热效应，λ_on激光器和λ_off激光器的输出波长会发生漂移。为此，用分束镜BS₁、BS₂将激光器出射激光的小部分，入射到与被探测VOCs组分一致，但浓度较高的参考池1、参考池2，经透射吸收后被APD₂、APD₃转换成电信号，由控制模块通过扫描判定的方法实现量子级联激光器输出光波动态匹配、锁定在被探测气体的强吸收峰和弱吸收谷。

以强吸收峰λ_on波长动态匹配为例，扫描判定法的操作如图3所示。量子级联激光器在发射探测光脉冲前，首先发射一个较宽的匹配光脉冲，并在此期间改变量子级联激光器的注入电流，使其波长扫描过参考气体的吸收谱线。在扫描过程中，具有“窄带宽”特性的量子级联激光器必定扫过参考气体的强吸收峰，反映为被APD₂探测到的信号会出现一个波谷，这个波谷对应的波长即为参考气体的强吸收峰。此时，控制器记录该电流值，并将该电流作为探测脉冲输出时量子级联激光器的工作电流，使得λ_on波长锁定在被探测VOCs的强吸收峰。该方法最大优点在于充分利用了量子级联激光器的可调节特性，保证激光器在探测脉冲出射时，波长保持稳定且无任何调制；其次，即使激光器的波长受到外界因素的干扰，出现一定的扰动，只要量子级联激光器的波长扫描范围能够覆盖VOCs的吸收线尖峰，那么通过反馈控制即可实现波长自动匹配。

同步触发控制下交替发射窄脉冲，使λ_on和λ_off激光光束交替通过光路系统，进入探测区域，同时，同步触发控制也控制两个探测器与之同步，交替获得λ_on和λ_off的回波信号。由于λ_on和λ_off之间的间隔时间很短，可以认为这段时间内被探测区域的大气状态一致。

λ_on与λ_off的激光光束在进入探测区域之前，要经过准直、扩束，以提高光束质量。由于λ_on与λ_off均为不可见波段的中红外光，为便于系统调试，λ_off光与λ_on光由合束镜BS₃汇合后，需要与某一可见光波段的准直激光由BS₄汇合进入到发射及探测系统中，以实现准直及视场角的调节，在实际的探测中，则需要将准直激光关断。

λ_on光与λ_off光合束后，通过反射镜M₁后,入射到探测领域,其后向散射光由L₃与L₄组成的望远镜系统所接收，望远镜系统可以进行垂直方向、水平方向的扫描，以对不同空间处的VOCs浓度进行探测。

望远镜系统接收到的回波信号，经过探测器APD₁进行光电转换及信号调理后，进入到DQA采集系统进行采集，所得的数据经过反演后，得到所探测区域的VOCs浓度廓线。

根据激光雷达原理及Beer-Larmbert定理,一束波长为λ，发射激光峰值功率为p_t、脉冲宽度为τ的光脉冲在大气中传输时，在距离R处的后向散射信号P(λ,R)为：

式中，c为光速，A为望远镜有效接收面积，η为接收系统效率，β(λ,R)为后向散射系数，α(λ,r)是由大气散射导致的消光系数，由吸收导致的消光系数可表示为气体浓度N(r)与吸收截面σ(λ)的乘积，吸收截面σ(λ)是表征气体对波长为λ的光的吸收程度。

假设λ_on光与λ_off光的光功率相等，并且共用同一光学系统时，两个不同波长的后向散射光信号的比值为:

由于λ_on和λ_off十分接近，在快速切换两个波长的时候，大气可以看作是静态的，其后向散射系数β(λ,R)和散射导致的消光系数α(λ,r)在λ_on和λ_off处是相等的，上式可以简化为：

将上式两边取对数运算，并进行变换，气体的浓度可以表示为:

上式表明：通过测量不同高度处λ_on和λ_off光波的后向散射光强度，已知被探测气体在这两个波段上的吸收截面，就可以获得被测气体的浓度廓线，公式(4)也就是差分吸收激光雷达浓度廓线反演公式。

Claims (5)

1.量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于，包括量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测系统，所述系统包括光源、光路及望远镜、探测器、波长锁定、同步触发控制、数据采集及浓度廓线反演部分；

所述探测方法为，进行浓度廓线探测时，两个量子级联激光器通过波长调谐，使其激光器输出波长分别锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λ_on和弱吸收谷λ_off，然后在同步触发控制下，交替发射窄脉冲激光光束进入探测区域，在被探测气体吸收、散射后，其后向散射光被望远镜接收，经探测器转换、数据采集后及反演后，获得探测区域被探测VOCs的浓度廓线信息；

为使用量子级联激光器输出光波锁定在被探测气体的强吸收峰λ_on和弱吸收谷λ_off处，选择被探测VOCs组分一致，但浓度较高的气体作为参考池，在发射探测光脉冲前，量子级联激光器首先发射一个较宽的匹配光脉冲，并在此期间改变量子级联激光器的注入电流，使其波长扫描过参考气体的吸收谱线，从而获得被探测气体的强吸收峰λ_on、弱吸收谷λ_off处的量子级联激光器的工作电流；将量子级联激光器的注入电流设定在该值，再发射探测窄脉冲，从而使量子级联激光器的输出波长锁定在被探测气体的强吸收峰λ_on、弱吸收谷λ_off处，实现波长的锁定。

2.根据权利要求1所述的量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于，所述探测光源为脉冲式量子级联激光器，激光器输出波长可以调节，激光光束为脉冲式光束。

3.根据权利要求1所述的量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于，所述量子级联激光器的数量为两台，其中一台激光器的输出激光波长被精细调节并锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λ_on处；另一台激光器的输出激光波长被精细调节并锁定在被探测VOCs气体的弱吸收谷λ_off处。

4.根据权利要求3所述的量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于，激光器输出激光波长的精细调节是通过改变量子级联激光器的温度以及激光器的注入电流而实现的。

5.根据权利要求1所述的量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于通过接收被探测区域VOCs的吸收及后向散射后的信号，基于差分吸收激光雷达方法，反演获得被探测VOCs的浓度廓线。