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光谱监测技术简介技术对比

 

  1. 光谱监测技术简介

针对主要的光谱监测痕量气体的技术做出基本的简介。

(1) 差分吸收激光雷达(DIAL)

探测原理,如图1-1,激光器发射一束波长与待测污染气体分子中心谱线(带)相重合的测量光束λ0 ,该光束在大气介质中传输时,受到污染气体分子的强烈吸收而衰减,于是根据激光被吸收的程度确定待测污染气体的浓度。为了减小大气中其它气体分子和气溶胶造成的衰减以及仪器参数等对探测精度的影响,还需选取另一波长为λω、处于待测污染气体吸收谱线的谷值、略偏离于待测污染气体分子中心吸收谱线的激光光束作为参考光束,交替或同时沿着同一大气路径发射并传输。分析这两束光随时间变化的检测信号,就能进行吸收气体分子浓度的距离差分测量。

图2-1 DIAL系统

我国从20世纪80年代起开始研究远距离激光差分雷达系统,如安徽光机所研制的紫外激光雷达车载系统,可用于环境部门对大气进行实时检测。中国工程物理研究院研制的差分吸收激光雷达系统安装在载重汽车上,  可在静止情况下对大气进行全天候遥测,采用共孔径收发系统,探测距离大约为 3km,探测高度为0.5~0.7km,选择的Ti:Sapphire 激光器两通道的工作波长为λon=448.2nm 和λoff=446.8 nm,具有测量NO2 气体全浓度的能力。

差分吸收激光雷达具有探测灵敏度高、空间和时间分辨能力强等优点,是一种测量污染气体和危险气体的良好工具,在紫外和可见光波段对O3 、SO2 、Cl 2、NO、NO2 和Hg、在红外波段对水蒸气的测量已获得巨大成功,被广泛应用于空气质量监测、有毒危险气体遥测等方面。

(2) 差分吸收光谱技术(DOAS)

差分吸收光谱(DOAS )技术是危险有害气体光学遥测常用且很有发展潜力的技术之一,广泛应用在环境空气质量在线监测、大气污染源排放在线监测、机动车尾气在线监测、气溶胶在线检测和远程检测等方面。

20世纪70 年代末,德国海德堡大学环境物理研究所U. Platt等提出DOAS 的思想,基于分子对光辐射的特征吸收来对气体分子进行定性和定量测量,可测出光程平均浓度,其探测极限很低(<10-9),根据大气中痕量气体成分在紫外和可见光谱波段的特征吸收反演其种类和浓度,将差分吸收光谱与实验室获得的吸收分子的标准浓度的参考光谱进行拟合,推算出浓度,能同时监测多种气体成分。

图2-2 DOAS系统

我国在1998年后自主发展了DOAS 环境空气质量监测系统技术。中国科学院安徽光学精密机械研究所2002 年开发了长程差分吸收光谱环境空气质量监测系统,将微弱检测信号技术、可调谐激光二极管差分吸收光谱技术、紫外差分吸收光谱技术有机结合,可在线检测汽车尾气中HC和NO的浓度。上海精密科学仪器有限公司于2001~2002年开发一种可用于监测空气污染的DOAS 微分光学大气分析仪。长程差分吸收光谱环境空气质量监测系统目前能够对8 种有害气体(O3 , SO2 , NO2 , C6 H6 , C7 H8 , HCHO, NH3 NO)实时监测,其测量下限分别为(0.5 ~1) ×10-9,测量上限分别为(500 ~1000)×10-9。

(3) 里叶变换红外光谱技术(FTIR)

傅里叶变换红外光谱法是目前气体浓度检测的理想手段之一,具有高的信噪比和分辨率特点,系统原理如图3 所示。红外光源经准直后变成平行光出射,经过几百米的光程距离,由望远镜系统接收,再经干涉仪后会聚到红外探测器上。系统的关键部件是干涉仪,接收的光束经分束后分别射向两面反射镜,最后由探测器获得具有相位差的两束光干涉产生的干涉图,经快速傅里叶变换得到气体成分的光谱信息。根据气体对特定波长的入射光的吸收作用,由特定波长处吸收峰的大小可推算出气体的浓度。FTIR气体遥测技术具有快速、机动、可远距离遥测等特点,非常适合于大尺度区域大气痕量气体与污染气体的遥感遥测。

图 2-3 FTIR系统

目前,除军用防化装备,有关的合作厂家也生产环境保护用的产品,如美国Block Engineering 公司的 FTS100 型、FTS550型,德国 Bruker 公司的OPAG22、OPAG33,加拿大BOMEM 公司的MR200环境光谱测量仪。美国Telops 公司研制的基于迈克尔逊干涉原理的傅立叶光谱仪(如图 7 )可以探测 5 km 外的有毒气体,在1km 处有低于10×10-6的探测精度,该系统克服了抖动影响,在背景变化的情况下可以实时成像,预计在今年内实现机载有毒气体探测。

(4) 可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS) 是近20年发展起来的一种高灵敏、高分辨痕量气体吸收光谱检测技术。通过调节电流的大小控制激光波长扫描待测气体吸收峰,测出被测气体吸收峰并与吸收峰外的信号进行对比,用非线性最小二乘法对所测得谱线进行拟合,从而得出被测气体的成分和浓度。

TDLAS利用半导体激光窄线宽(<10MHz)和快速调谐特性,通过检测吸收分子的一条孤立振转吸收线实现对气体的快速检测,通过与长光程技术相结合,能够实现 10-9甚至 10-12量级的气体检测灵敏度。国外较早已开展基于TDLAS的气体检测技术研究,已实现对CO、CO2 、CH4 、NO2 、H2 O 等气体的高灵敏检测,在环境及工业过程监测等领域表现出广泛的应用前景。国内最近几年在TDLAS技术研究方面也取得了一定的进展,基于TDLAS技术的汽车尾气在线检测系统已实现产业化。郭华芳等设计的基于TDLAS的便携式CO 和CO2 遥测仪,定标后的测量精度达到10×10-9,遥感测量距离可从几米到数公里,测出一个区域的平均污染程度,无需多点采样。

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