孫延慶TDLAS遙測研究開題報告

1、TDLAS煙囪遙測的文獻綜述和研究設想1、 用于大氣痕量氣體遙測的主要光譜學技術目前見諸報道的關于遙測的技術主要用于大氣中痕量氣體的測量。在大氣痕量氣體的遙測技術中，目前主要有紫外/可見波段的差分光學吸收光譜學（DOAS）、差分吸收激光雷達（DIAL）、紅外波段的傅里葉變換光譜（FTIR）和可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）四種光譜技術1。下面分別簡單敘述：1 .差分光學吸收光譜學（DOAS）差分光學吸收光譜技術（DOAS）是一種通過測量經過大氣分子衰減的吸收光譜，并且在計算機中進行光譜處理的一種分析技術，它對諸如探測器、光譜儀和光源類型等都沒有特定要求，對光程也沒有限定，因此既可以采用遠

2、處放置后向反射鏡的開放光路，也可以采用短距離的開放光路。為了提高檢測靈敏度，短距離測量時通常采用多次反射池結構。而在開放光程大氣測量時，由于不存在池壁吸收或損耗等問題，因此特別適用于對大氣化學循環(huán)中不穩(wěn)定、短壽命的中間體如自由基的測量，80年代德國馬普化學所大氣化學部的Cruzten教授采用機載可調諧紅外激光差分吸收光譜系統(tǒng)實時測量臭氧洞形成過程中的大氣痕量氣體，揭示了活性自由基的催化循環(huán)反應在臭氧洞形成過程中的作用，從而獲得了1995年度諾貝爾化學獎。近十多年來，DOAS技術的應用已經得到了極大的發(fā)展，包括用太陽光、天空散射光作光源的被動DOAS技術，以及測量痕量氣體三維濃度分布場的斷層掃描

3、DOAS技術，已被廣泛應用于各種測量平臺如地基、機載、星載和球載平臺進行各種大氣痕量氣體、污染氣體和大氣垂直廓線的測量2。國內對于差分光譜吸收技術（DOAS）的研究也一直在進行，包括中科院和東南大學2,3。目前，DOAS可以實現工業(yè)煙道SO2排放的實時測量，還可以對二氧化氮（NO2）、一氧化氮（NO）、臭氧（O3）、苯（C6H6）、甲苯（C7H8）、甲醛（CH2O）和氨（NH3）等污染氣體實施有效的實時監(jiān)測，DOAS系統(tǒng)還可以同時對煙道的溫度、煙氣流速、煙塵和含氧量進行監(jiān)測。差分光學吸收光譜技術（DOAS）的特點包括：（1）精度高，濃度測量下限低，可實時連續(xù)測量。（2）維護方便，運行成本低，可

4、同時測量不同氣體成分。（3）不需樣氣，可進行固定和流動測量，由自我標定系統(tǒng)。（4）監(jiān)測距離長、適用范圍廣。2 .差分吸收激光雷達（DIAL）激光雷達是傳統(tǒng)雷達技術與現代激光技術相結合的產物。激光雷達發(fā)射激光短脈沖，測量大氣后向散射與脈沖發(fā)出后時間的函數關系。該時間與光傳輸的距離成比例，因此可以推算出在光源和散射體之間的吸收與散射體密度的乘積的距離分布。DIAL技術的顯著特點是它的大范圍遙測的能力，可對工廠、工業(yè)區(qū)和城市排放的污染氣體進行遙測，機載和星載DIAL系統(tǒng)還可實現覆蓋全球的各種監(jiān)測，如環(huán)境空氣監(jiān)測、污染排放物監(jiān)測、火山噴發(fā)等天然排放物監(jiān)測，以及天然氣管道泄漏監(jiān)測等。安徽光機所的余詩華應

5、用差分吸收激光雷達技術，通過車載測污激光雷達對電廠周邊的SO2進行了測量研究4,目前中科院安徽光機所已開發(fā)研制完成了車載測污激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)能又t大氣中SO2、NO2和O3進行三維空間掃描測量，從而獲得大氣中SO2、NO2和O3的空間分布信息5,6。DIAL得到的是三維空間分辨的大氣痕量氣體分布圖、工廠、工業(yè)區(qū)和城市污染氣體排放的總流量及其演變情況，這是其它測量技術難以做到的。這種測量對研究氣動力學、污染氣體運輸和轉化過程，預報災害性大氣污染具有極其重要的作用。DIAL技術對測定工廠污染物排放總流量也是非常有用的，用激光雷達系統(tǒng)光束對工廠順風側煙羽進行垂直掃描就能測出煙囪排放物的濃度，這一

6、方法也可以用于測量排氣管和閥門泄漏等其它應用場合。3 .傅里葉變換紅外光譜（FTIR）在中紅外波段，由于波長變長，氣體分子的吸收消光現象變得很弱，DOAS技術已經沒有優(yōu)勢，因此擬合整個光譜而不是分光選擇的光譜可以獲得更強的吸收信號。根據太陽光譜測量某一吸收體的總對流層柱體積時，廣泛使用這種逐線擬合方法，與可見波段相比，紅外測量的另一個優(yōu)點是：可見波段的吸收受太陽的夫朗禾費線干擾較大，必須測量太陽從高到底的角度的比率；在紅外波段，太陽譜線可以從光譜中區(qū)別出來，在1個大氣壓力時譜線壓力加寬大約為0.1cm-1,所以，中等光譜分辨率就可?f足大部分測量的需要。FTIR工作在紅外波段，這一波段是分子的

7、振動和轉動光譜區(qū)，譜線非常豐富密集，空氣中大多數痕量氣體和污染氣體在該譜區(qū)都有特征吸收，FTIR高的光譜分辨率，能夠分辨這些特征吸收，因此特別適宜于進行多組份同時測定。中科院利用機載遙感傅立葉變換紅外光譜技術（FTIR）能對高空大氣中的CO、N2O濃度進行測量，從而對大氣污染進行監(jiān)測7o4 .可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）可調諧半導體激光非常適于在紅外譜區(qū)特別是中紅外譜區(qū)對痕量氣體或污染氣體進行高分辨光譜測量。TDLAS一般與多次反射吸收池及調制光譜技術結合在一起，結果使某些分子的檢測限達到了幾個ppm,而對大多數痕量氣體和污染氣體，檢測限一般也可達到ppm級。目前，TDLAS一般采用

8、波長調制技術和二次諧波檢測技術進行調制和檢測，具有高分辨率、快速響應的特點。安徽光機所的何瑩利用TDLAS技術通過對開放環(huán)境大氣中的CO2進行了實時監(jiān)測網。TDLAS與FTIR的裝置在很多地方都是一樣的，區(qū)別在于FTIR測得的是整個光程上的平均值，而TDLAS得到的則是濃度9。2、 國內外大氣污染激光雷達的研究情況1 .Raman散射激光雷達最早應用于大氣污染探測的Ramark射激光雷達技術條件簡單，具有同時探測多種污染組分的能力。1976年Inab6等用Raman?敖光雷達譜儀對工廠煙囪排放所測得的Raman®如圖1(a)所示，可以看到，除了大氣的主要成分N2、。2、H2O、CO2

9、等外，尚可明顯地看出排放物中所包含的SO2、CO、NO2、CH4、C2H4、H2CO3、H2s等大氣污染物。圖1(b)所示為他們用制成的車載式Raman射激光雷達車對發(fā)電廠煙囪進行實地探測的工作照片。WAVELENGTH,k(nmJ圖1(a)工廠排放物的Raman譜(b)污染探測Raman散射激光雷達車Ramar®射激光雷達技術最大的缺點是探測靈敏度低，可探測的濃度范圍約在10-310-5,只能用于對工廠或汽車等排放源的探測，因此盡管在20世紀70年代用Ramar#射激光雷達進行大氣污染探測經歷了快速的發(fā)展，到80年代后研究方向逐漸轉向靈敏度更高的差分吸收激光雷達(可探測濃度約10-

10、610-8)。2 .差分吸收激光雷達如圖2所示，差分吸收激光雷達的基本原理是利用與待測氣體分子光譜吸收峰值波長重合的激光光束在大氣中傳輸時，與該氣體分子產生強烈共振吸收而衰減的特性，通過測量其衰減程度而得出大氣中該氣體的濃度信息。為消除大氣中的其他物質及光學儀器對該波長的吸收和儀器參數等因素對測量精度的影響，還需選取與待測氣體中心波長十分接近且剛好移出該吸收譜線的波長作為參考光束進行測量。由于兩波長相差極微，因此這一原理稱為差分吸收原理，用公式表示即為：RP(-on)/P('off.R)=Exp-2c(on)-c(-而)N(r)dr0R是激光通過的距離；N(r)是待測氣體在距離r處的濃

11、度；(入On)(入off)分別是Aon波長與九off波長的吸收截面。JQ二do2vUoveIDnto*ceR圖2差分吸收激光雷達差分吸收激光雷達技術是目前研究與應用最廣泛的一種激光雷達技術。圖3所示為瑞典隆德大學測量工廠外空氣中水銀的濃度。他們目前和浙江大學光及電磁波研究所何賽靈教授的實驗室開展了氣體探測相關方面的合作研究，圖4所示為他們從瑞典帶過來的激光雷達望遠鏡系統(tǒng)。浦50-100的QG«1D即區(qū)j1HE-a圖3瑞典隆德大學激光雷達測汞3jUra圖4浙江大學光及電子波研究中心的激光雷達望遠鏡3 .我國的激光雷達研究進展我國的激光雷達的研究的進展可以用圖5來表示:196519951

12、996199920022003圖5我國激光雷達的研究進展安徽光機所是我國最早進行激光雷達實驗的機構。他們的激光差分吸收雷達的技術發(fā)展到現在已經成熟，并搭建了我國第一臺車載的激光雷達系統(tǒng)。利用這套系統(tǒng)，他們在北京、上海、深圳等城市進行了許多實際的測量。但是，差分吸收激光雷達面臨的技術復雜等問題導致激光雷達車價格昂貴，從而嚴重地限制了其應用，目前隨著激光技術和弱光檢測技術的不斷發(fā)展，TDLAS技術的廣泛應用使得我們有了應用TDLAS技術對煙囪進行遙測的想法。3、 國內外TDLAS遙測的研究現狀由于政府、企業(yè)及社會對燃氣管道安全及環(huán)保的日益重視，燃氣管道的安全巡檢，尤其是泄漏檢測越來越顯得重要，進入

13、二十一世紀以來，國外在手持式甲烷遙測儀的研究與開發(fā)方面已經相當成熟10,11,目前產品已經應用于現場。應用甲烷在1653.7nm處的吸收線，在10m的探測距離下最小探測靈敏度達到100ppm-m,可準確查找室內裸露管道10ml/min的氣體泄露；在30m的探測距離下最小探測靈敏度為1000ppm-m,另外如果采用加上角反射鏡對激光信號進行反射接收的方法的話探測距離可以達到150m12,13114,15o圖6所示為日本研究者開發(fā)的手持式甲烷遙測儀。相關產品國內市場上也已經出現，成套的產品價格為20萬左右。這種手持式遙測儀的信號采集是通過環(huán)境散射的方式，信號采集性能為只要接收到的散射回的光強達到1

14、0uW即可探測得到，目前國內相關研究機構還沒有能夠掌握這種通過接收散射回來的信號進行遙測的技術，安徽光機所雖然已經進行過很多NH3、CO2、H2S、CO等氣體的遙測實驗并獲得了一定成果，但其信號采集都是通過在目標氣體后面加角反射鏡的方式實現的，相關技術水平與國外研究機構有一定差距16,17,18。另外，在實驗室研究方面，國外對co19,20、CO220、。321、NOx22,23等氣體的遙測也一直在研究之中。目前，運用TDLAS技術遙測煙囪中氣體排放的報道還未見到，因此我們將激光雷達技術與TDLAS技術相結合來進行煙囪遙測的想法是很有意義的圖6手持式CH4遙測儀4、 利用TDLAS技術實現煙囪

15、排放氣體遙測的研究設想假設火電廠的煙囪高度為150m,在地面上進行遙測仰角選為40度左右，那由于大氣對激光的放射及吸收，要使得反射回來的激光能夠被探測到，我們所用的激光源的功率要足夠大。另外，對TDLAS系統(tǒng)測量距離的限制主要是由激光發(fā)散造成的，激光在傳輸過程中的衰減可以忽略，在激光準直效果相同的情況下，可以利用放大器放大光電探測器接受到的吸收信號和EDFA提升激光能量的方法提高測量距離。因此，在只用光學收發(fā)系統(tǒng)無法探測得信號的條件下，遙測系統(tǒng)可以首先對可調諧半導體激光進行放大，放大后的激光再通過一個光學收發(fā)系統(tǒng)進行探測。整個系統(tǒng)組成如圖8所示：下面介紹各組成部分：1. EDFA摻餌光纖放大器

16、EDFA(Erbium-dopedOpticalFiberAmplifer)即摻餌光纖放大器，是一種對信號光放大的一種有源光器件，具組成如圖9所示。圖9中，(a)所示為EDFA的結構示意圖，為了減小反射光重新回到主振蕩半導體激光器或光纖放大器帶來的光譜線純度下降，EDFA的兩端使用光纖隔離器，隔離度30dB。另外為了提高功率輸出，EDFA采用正/反雙向泵浦；(b)所示為EDFA的受激輻射能級圖，上能級壽命約為10ms；(c)所示為其增益譜為C波段1530nm-1560nm,二I耦合器1=1-1=信號輸入/光能離器圉泵LD】於:吟器二幗能級】50。155。1600(c)圖9(a)EDFA的結構(

17、b)受激輻射能級圖(c)增益譜EDFA的主要應用包括：(1) 前端光發(fā)射機輸出端，提高發(fā)送功率，延長傳輸距離；(2) 用在光纖傳輸鏈路中，補償光能量的損失，可增加傳輸距離；(3) 用在光接收機前對信號進行預放，從而大大提高光接收機的接收靈敏度。2. EDFA泵浦TDLAS系統(tǒng)雖然大功率的半導體激光器也能輸出1W以上的平均功率，但是由于半導體激光器的電子上能級壽命短而不能形成高密度粒子反轉，所以工作在調諧狀態(tài)下半導體激光器的功率一般只有10mW,而目前光纖激光器的產品，若不引入種子，其光譜線寬較寬，因此我們計劃采用可調諧半導體激光器+摻餌光纖放大器(餌離子上能級壽命較長)作為激光源，而不直接使用

18、大功率半導體激光器或光纖激光器。國內外已有應用EDFA到TDLAS測量的例子。安徽光機所的洪光烈采用EDFA進行激光源放大的方法對探測低空大氣CO2濃度分布的近紅外激光雷達進行了研究24,美國的M.BFrish通過EDFA泵浦激光源到3W,其TDLAS探測系統(tǒng)能探測2000m外10000ppm-m的氣體濃度25。3. 收發(fā)望遠鏡系統(tǒng)光纖的輸出末端是光纖準直器，準直后的激光經發(fā)射望遠鏡后變成平行光束，發(fā)散角小，光束能量比較；接收望遠鏡與發(fā)射望遠鏡同軸公用，其口徑是10cm,利用角反射鏡對激光進行反射接收，可以做到發(fā)射和回波激光束盡可能的重合，通過菲涅爾透鏡和光束集中器將信號光集中到探測器接收。圖

19、10所示為廠家提供的收發(fā)望遠鏡系統(tǒng)示意圖圖10光學收發(fā)望遠鏡系統(tǒng)示意圖五、煙囪遙測氣體的選擇電廠排放的煙氣中主要含有。2、CO2以及少量的CO、NOx、SO2,由于空氣中含有大量的O2和CO2,因此無法對它們進行遙測。垃圾焚燒發(fā)電廠排放的尾氣中含有較多的HCl、HF、H2S,我們也可以對它們進行遙測。表1所示為可以進行煙囪遙測的氣體及其需要的探測極限25o表1可以進行煙囪遙測的氣體探測極限CO40ppmCO20.14%NOx30ppmHCl0.2ppmHF0.2ppmH2S20ppm六、需要購置的實驗儀器產品名稱型號產品單價（元）數量金額DFB激光器NLK1L5EAAA¥149002

20、¥115200及其控制設備(CO2,1580nm)(H2S,1576nm)LDC-3724C¥36700LDM-4984¥4600CC-505S¥700CC-305S¥700DFB激光器及其控制設備(HF,1310nm)NLK1B5EAAA¥149001¥57600LDC-3724C¥36700LDM-4984¥4600CC-505S¥700CC-305S¥700光學望遠鏡收發(fā)系統(tǒng)刈¥600001¥60000EDFAEDFA-EM-B-LW-27-1-2¥

21、600001¥60000合計¥292800參考文獻1劉文清.大氣痕量氣體測量的光譜學和化學技術，量子電子學報，2004.2齊鋒.對差分光學吸收光譜法的監(jiān)測數據進行實時預測研究，物理學報，2003.3劉文清.空氣質量監(jiān)測的高靈敏差分吸收光譜學技術，光學技術，2005.4余詩華.車載測污激光雷達電廠周邊SO2測量研究，量子電子學報，2006.5張寅超.北京市大氣SO2、NO2和O3的激光雷達監(jiān)測實驗，量子電子學報，2006.6汪少林.車載激光雷達對北京地區(qū)邊界層污染監(jiān)測研究，環(huán)境科學，2008.7高閩光.機載FTIR被動遙測大氣痕量氣體，光譜學與光譜分析，2007.8何瑩.基于

22、激光吸收光譜開放式大氣CO2的在線監(jiān)測，光譜學與光譜分析，2009.9 RuifengKan.Ahighsensitivityspectrometerwithtunablediodelaserforambientmethanemonitoring,ChineseOpticsLetters,2006.10 RichardT.Wainner.Handheld,battery-powerednear-IRTDLsensorforstand-offdetectionofgasandvaporplumes,OpticalSocietyOfAmerica,2003.11 M.BFrish.Standoff

23、SensingofNaturalGasLeaks:EvolutionoftheRemoteMethaneLeakDetector(RMLD),OpticalSocietyOfAmerica,2004.12 T.Iseki.AportableremotemethanedetectorusinganInGaAsPDFBlaser,EnvironmentalGeology,2004.13 T.Iseki.Aportableremotemethanesensorusingatunablediodelaser,Meas.Sci.Technol.11,2000.14 BenvanWell.Anopen-p

24、ath,hand-heldlasersystemforthedetectionofmethanegas,J.Opt.A:PureAppl.Opt.7,2005.15 MichaelB.Frish.Handheldlaser-basedsensorforremotedetectionoftoxicandhazardousgases,ProceedingsofSPIEVol.4199,2001.16 HuiXia.Anapproachofopen-pathgassensorbasedontunablediodelaserabsorptionspectroscopy,ChineseOpticsLetters,2008.17 RuifengKan.Largescalegasleakagemonitoringwithtunablediodelaserabsorptionspectroscopy,ChineseOpticsL