段明軒, 李仕春, 2*, 劉家輝, 王 怡, 辛文輝, 2, 華燈鑫, 2*, 高 飛, 2

1. 西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院, 陜西 西安 710048

2. 陜西省現(xiàn)代裝備綠色制造協(xié)同創(chuàng)新中心, 陜西 西安 710048

引 言

苯是大氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的重要組成部分, 是臭氧與氣溶膠顆粒物的重要前體物[1], 車輛尾氣、 焚燒、 工廠排放以及試劑的使用與蒸發(fā)是已知的主要人為來源。 苯能夠通過人體裸露在外的皮膚或者呼吸道感染進(jìn)入人體, 對人體身體狀況有很大的危害, 并且有Ⅰ類致癌作用[2]。 在大氣中, 苯的濃度通常較低, 一般約為35 μg·m-3, 但是, 在重度污染區(qū)可高達(dá)3.5 mg·m-3[3]。 因此, 為加快大氣苯污染的治理工作[4], 研究區(qū)域性苯濃度實(shí)時(shí)遙感技術(shù)顯得尤為重要。 在分析路徑積分型差分吸收(IPDA)激光雷達(dá)的探測原理的基礎(chǔ)上, 我們提出并構(gòu)建了IPDA激光雷達(dá)的反演算法及其誤差分析模型。

苯的傳統(tǒng)檢測方法主要有氣相色譜-質(zhì)譜法和電離-質(zhì)譜法, 這兩種方法均具有高靈敏度和可檢測多物種的優(yōu)勢[5], 但是, 通常適合單點(diǎn)位采樣監(jiān)測, 并不適合區(qū)域性苯濃度實(shí)時(shí)遙感監(jiān)測。 而差分吸收激光雷達(dá)因其采用遙感探測手段, 具有靈敏度高、 探測距離遠(yuǎn)和分辨率高等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于大氣痕量氣體探測領(lǐng)域, 如安徽光機(jī)所的葉凱迪等利用苯的紫外吸收波段, 開展了寬譜光源的差分吸收技術(shù)研究[6], 受限于大氣紫外波段的強(qiáng)消光特性, 通常遙感距離有限。 而中紅外光譜通常是分子最強(qiáng)的基頻指紋吸收區(qū), 而且該波段大氣的消光影響較小, 成為痕量氣體分子監(jiān)測的重要波段, 但目前大多數(shù)痕量氣體探測的差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)激光器工作波長在紫外波段[7]、 可見光[8]以及近紅外波段[9], 中紅外的差分吸收激光雷達(dá)相對較少[10], 這是由于差頻相干激光系統(tǒng)(如染料激光器)和光學(xué)參量振蕩器(optical parametric oscillator, OPO)等中紅外激光器都存在系統(tǒng)復(fù)雜、 成本高的問題[11], 而帶間級聯(lián)激光器(inter-band cascade laser, ICL)屬于半導(dǎo)體分布式激光器, 其激射波長由量子阱層厚度決定, 而不限于增益介質(zhì)能級, 故可覆蓋分子基頻指紋吸收波長范圍3～6 μm, 適用于痕量氣體監(jiān)測[12]。 盡管中紅外波段已成為目前新型痕量氣體遙感的研究熱點(diǎn)[13-14], 但是探測苯氣體的中紅外差分吸收激光雷達(dá)尚未報(bào)道。

基于差分吸收光譜分析技術(shù), 首先探討路徑積分型差分吸收(integral path differential absorption, IPDA)激光雷達(dá)的探測原理, 并構(gòu)建其反演算法及其誤差分析模型。 其次, 基于帶間級聯(lián)激光器激射波長可定制且可調(diào)諧的優(yōu)勢, 以中紅外衍射光柵為核心構(gòu)建光譜分光系統(tǒng), 設(shè)計(jì)探測苯濃度的中紅外IPDA激光雷達(dá)系統(tǒng), 并考慮主要干擾氣體, 選擇合適的工作波長。 最后, 仿真分析探測積分路徑上大氣中的平均苯濃度, 探討積分路徑、 能見度以及水汽等因素對IPDA激光雷達(dá)探測信噪比及測量相對誤差的影響規(guī)律, 并開展室內(nèi)苯氣體濃度探測實(shí)驗(yàn), 以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

1 IPDA激光雷達(dá)探測原理

IPDA激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)向硬目標(biāo)發(fā)射波長相差不大的兩束激光, 接收經(jīng)過大氣衰減、 硬目標(biāo)反射再衰減的回波信號, 與基于后向散射的廓線式差分吸收激光雷達(dá)不同, IPDA激光雷達(dá)不能反映目標(biāo)氣體的廓線信息, 只能探測光束路徑上目標(biāo)氣體的平均濃度, 但具有更高的信噪比和更低的探測濃度限。 IPDA激光雷達(dá)發(fā)射兩束激光, 其中一束波長在目標(biāo)氣體的強(qiáng)吸收譜區(qū), 稱為測量波長或強(qiáng)吸收譜線, 記為λon; 而另一束波長在目標(biāo)氣體的弱吸收譜區(qū), 目標(biāo)氣體幾乎不吸收, 稱為參考波長或弱吸收譜線, 記為λoff。 為消除強(qiáng)吸收譜線和弱吸收譜線附近其他干擾氣體(如遙感C6H6時(shí)的H2O、 NO2、 HCl)和削弱大氣氣溶膠的影響, 需要優(yōu)化選擇合適的強(qiáng)吸收譜線和弱吸收譜線, 兩路波長反射信號的差異主要由目標(biāo)氣體的吸收強(qiáng)弱產(chǎn)生, 通過比較兩個(gè)波長的反射信號, 可反演出目標(biāo)氣體在傳輸路徑上的平均濃度。

在IPDA激光雷達(dá)中, 探測器接收的回波信號功率可表示為

(1)

式(1)中,P0為激光器的發(fā)射功率,η為系統(tǒng)的光學(xué)效率,A為望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積,r為硬目標(biāo)反射物距離,β為理想漫反射硬目標(biāo)的反射率,α(r)為距離r處的大氣消光系數(shù),α(r)=N(r)σ+αa(r),N為被測氣體的分子數(shù)濃度,σ為被測氣體的分子吸收截面,αa(r)為除被測氣體吸收因素導(dǎo)致的消光效應(yīng)之外的所有因素產(chǎn)生的消光系數(shù)。

在5 km以下的短光程遙感系統(tǒng)中, 為提高回波信號的信噪比, 可采用反射鏡代替漫反射硬目標(biāo), 并將其調(diào)整至與激光光束垂直, 在考慮到激光發(fā)散角與望遠(yuǎn)鏡口徑等因素后, 假設(shè)激光光束能量均勻分布, 可將激光雷達(dá)方程改寫為

(2)

式(2)中,S(r)為激光束經(jīng)距離r處硬目標(biāo)物反射到接收望遠(yuǎn)鏡時(shí)的擴(kuò)散面積, 通?？杀硎緸镾(r)=4πr2tan2(φ/2),φ表示激光束的發(fā)散角,Rref為返回到望遠(yuǎn)鏡的激光束擴(kuò)散面積恰好等于望遠(yuǎn)鏡接收面積時(shí)的硬目標(biāo)距離。

將兩束激光波長代入式(2), 計(jì)算波長λon和λoff通道的比值, 由于兩工作波長存在差異, 氣溶膠的消光效應(yīng)可能存在差異, 這有可能引入系統(tǒng)誤差, 通?？赏ㄟ^數(shù)值仿真法或者對比實(shí)驗(yàn)法構(gòu)建校正模型[15], 此處著重討論中紅外IPDA激光雷達(dá)探測苯氣體的可行性, 先忽略兩束激光波長差異導(dǎo)致的氣溶膠消光差異, 進(jìn)而可求得路徑r內(nèi)苯分子的平均數(shù)濃度為

(3)

式(3)中, Δσ為差分吸收截面, Δσ=σ(λon)-σ(λoff),σ(λon)為苯分子在λon處的吸收截面,σ(λoff)為苯分子在λoff處的吸收截面,P0(λon)與P0(λoff)分別表示波長λon和λoff通道的初始功率;P(λon)和P(λoff)分別是望遠(yuǎn)鏡接收到的兩路差分吸收通道的回波信號。

中紅外探測器APD的輸出信噪比可表示為

(4)

式(4)中,P為探測器輸入信號功率;D*為探測器歸一化探測率(由生產(chǎn)商提供);A為探測器光敏面積; Δf為探測器工作帶寬。 當(dāng)忽略重疊因子影響時(shí), IPDA激光雷達(dá)回波信號功率隨積分路徑增加而逐漸減小, 而λon通道的信噪比隨著被測吸收氣體濃度的增加也會(huì)單調(diào)減小。 如果假設(shè)兩通道探測器的隨機(jī)噪聲互不相關(guān), 因此, 可得到IPDA激光雷達(dá)的總信噪比為

(5)

式(5)中, SNRon與SNRoff分別表示λon和λoff兩通道回波信號的信噪比。

根據(jù)式(3)推導(dǎo)結(jié)果, 假設(shè)式中各量之間無相關(guān)性, 可得苯分子數(shù)濃度測量相對誤差為

(6)

式(6)中, ΔτD表示差分光學(xué)厚度, 它與苯分子數(shù)濃度N、 硬目標(biāo)反射物距離r和差分吸收截面Δσ有關(guān), 可表示為ΔτD=NrΔσ。 差分光學(xué)厚度隨積分路徑和被測氣體濃度增加而單調(diào)增加, 考慮信噪比隨積分路徑和被測氣體濃度增加而單調(diào)減少, 因此, 系統(tǒng)的相對誤差會(huì)在合適的積分路徑和氣體濃度處具有最小值。

大氣能見度是激光束傳輸中的重要衰減因子, 也是回波功率的重要影響因素之一, 如果假設(shè)大氣水平均勻, 則大氣消光系數(shù)與水平能見度V的關(guān)系可表示為[16]

(7)

式(7)中,α為探測波長λ的大氣水平消光系數(shù),q表示波長修正因子。

2 IPDA激光雷達(dá)系統(tǒng)

針對區(qū)域性苯濃度實(shí)時(shí)遙感問題, 利用中紅外波段的帶間級聯(lián)激光器和衍射光柵, 提出并設(shè)計(jì)IPDA激光雷達(dá)系統(tǒng)(圖1), 其主要參數(shù)參見表1。 兩個(gè)連續(xù)波帶間級聯(lián)激光器發(fā)出中紅外激光束, 通過控制溫度和電流輸入將兩個(gè)激光器的波長分別穩(wěn)定在強(qiáng)吸收譜區(qū)λon處和弱吸收譜區(qū)λoff處,λon光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后由分束片BS1分光1%的功率被PD1所接收并反饋到激光器控制部分, 其余功率經(jīng)M1反射后由合束片BS3匯合后, 再經(jīng)M2反射后進(jìn)入大氣。λoff光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后由分束片BS2分光10%能量, 再被BS4分光1%功率被PD2接收并反饋, 剩余9%功率通過水汽池被PD3接收并反饋到激光器控制部分, 以確保精準(zhǔn)調(diào)諧λoff波長, 其余功率經(jīng)合束片BS3后, 再經(jīng)M2反射后進(jìn)入大氣。 激光束在傳輸過程中與大氣中的分子(含苯分子、 其他干擾氣體分子)和氣溶膠粒子等相互作用, 再經(jīng)過硬目標(biāo)反射后由光學(xué)系統(tǒng)接收, 經(jīng)衍射光柵G1光譜分光后, 分別由APD1和APD2接收進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換, 再經(jīng)數(shù)據(jù)采集后進(jìn)入計(jì)算機(jī), 由算法軟件反演得到積分路徑中苯的平均濃度。

表1 IPDA激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)

圖1 苯濃度探測的IPDA激光雷達(dá)原理圖

該激光雷達(dá)系統(tǒng)采用帶間級聯(lián)激光器作為激勵(lì)光源, 其具有體積小、 可調(diào)諧、 閾值電流低等優(yōu)點(diǎn), 其發(fā)射波長范圍為3～6 μm, 系統(tǒng)中采用了波長分別為3 090.89 cm-1(3 235.31 nm)和3 137.74 cm-1(3 187.01 nm)的帶間級聯(lián)激光器。 圖2給出了生產(chǎn)商提供的實(shí)驗(yàn)室定制中心波長為3 090 cm-1的帶間級聯(lián)激光器的調(diào)諧性能, 通過控制其工作電流[圖2(a)]和溫度[圖2(b)]對激光器精細(xì)調(diào)諧, 以實(shí)現(xiàn)與IPDA激光雷達(dá)設(shè)計(jì)波長匹配。

圖2 帶間級聯(lián)激光器的特性

中紅外吸收光譜通常對應(yīng)于物質(zhì)分子的振轉(zhuǎn)能級躍遷, 覆蓋了有機(jī)物分子基團(tuán)的雙鍵、 三鍵振動(dòng)區(qū)以及部分含氫化學(xué)鍵振動(dòng)區(qū), 因此中紅外光譜區(qū)適合用于大氣中痕量氣體測量和分析。 中紅外基頻指紋強(qiáng)吸收光譜大多位于1 600～3 300 cm-1, 如芳烴的苯環(huán)C—H和環(huán)形C—C伸縮振動(dòng)以及C—H彎曲振動(dòng), 其中C—H伸縮振動(dòng)在3 000～3 100 cm-1。 中紅外基頻指紋的吸收譜具有吸收強(qiáng)、 譜線寬且密集的特點(diǎn), 故往往變化比較平緩。 此外, 中紅外波段也是大氣傳輸窗口, 是激光大氣傳輸、 衛(wèi)星遙感的最優(yōu)波段, 故可滿足苯的探測要求。

在使用IPDA激光雷達(dá)技術(shù)探測苯濃度時(shí), 為減小干擾氣體對其探測結(jié)果的影響, 在選擇IPDA激光雷達(dá)兩束工作波長時(shí), 要盡量滿足λon位于苯吸收譜線的強(qiáng)吸收區(qū)且位于各干擾氣體的弱吸收區(qū),λoff位于苯吸收譜線的弱吸收區(qū)且位于各干擾氣體與λon處吸收截面相近的弱吸收區(qū)。 根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫, 可得到苯氣體以及其他主要干擾氣體在波長3 100 cm-1附近的吸收譜線。 圖3(a)給出了苯和影響最大的3種氣體(H2O、 CH4、 HCl)的吸收譜結(jié)構(gòu), 從圖中可看到苯在3 100 cm-1左右的吸收譜線變化比較平緩, 這為減小各干擾氣體對苯濃度探測的影響提供了有利條件。 從圖3(a)可看到, CH4的吸收截面量級與苯差距不大, 但變化規(guī)律且均勻分布著很多吸收谷; HCl的吸收截面略低于苯, 也有均勻的吸收谷可選, 因此, 選擇苯氣體的強(qiáng)吸收譜線和弱吸收譜線時(shí), 可選擇CH4和HCl的吸收谷作為IPDA激光雷達(dá)的工作區(qū), 同時(shí)考慮水汽吸收譜線分布, 可選擇強(qiáng)吸收譜線為3 042或3 100 cm-1, 弱吸收線為3 130和3 148 cm-1。

圖3 苯和主要干擾氣體的吸收譜

另外, 雖然H2O吸收截面比苯小三個(gè)量級左右, 但大氣中H2O的含量遠(yuǎn)大于苯氣體濃度且變化范圍較大, 不能只考慮吸收截面進(jìn)行分析, 而應(yīng)該采用包含濃度信息的吸光度進(jìn)行分析, 當(dāng)水汽和苯的濃度分別為34.87 mg·m-3和3.47 g·m-3(標(biāo)準(zhǔn)大氣中水汽含量)時(shí), 其吸光度如圖3(b)所示, 可看出二者的吸光度大略相當(dāng), 因此, 為減小水汽吸收對苯濃度探測的影響, 需要精細(xì)調(diào)諧其中的某工作波長, 使兩波長的水汽吸收度互相抵消, 考慮強(qiáng)吸收線λon波長是系統(tǒng)信噪比的主要制約因素, 因此, 我們選擇調(diào)諧弱吸收譜線λoff使之抵消強(qiáng)吸收譜線的水汽吸收效應(yīng)(圖1中的水汽池和PD3用于實(shí)現(xiàn)弱吸收譜線λoff的反饋調(diào)諧), 由于IPDA激光雷達(dá)的兩工作波長應(yīng)該盡量靠近, 以減少大氣氣溶膠粒子的消光差異帶來的影響, 最終選擇λon=3 090.89 cm-1和λoff=3 137.74 cm-1。

3 系統(tǒng)探測性能分析

基于標(biāo)準(zhǔn)大氣模型, 構(gòu)建不同大氣水平能見度時(shí)的底層大氣光學(xué)參量, 基于IPDA激光雷達(dá)探測痕量氣體原理, 仿真分析積分路徑、 能見度和水汽濃度對所設(shè)計(jì)中紅外IPDA激光雷達(dá)的系統(tǒng)信噪比[式(5)]和苯濃度反演相對誤差[式(6)]影響, 以評估IPDA激光雷達(dá)探測大氣苯濃度的性能, 在具體仿真分析中, 取大氣水平能見度為5 km, 積分路徑長度2r為1.6 km, 水汽的體積濃度為0.4%作為常規(guī)工作參數(shù)。

3.1 路徑長度對探測性能的影響

路徑長度不僅影響返回信號功率, 進(jìn)而影響信噪比, 而且還直接影響著目標(biāo)氣體吸收效應(yīng)的差分光學(xué)厚度, 從而從兩方面綜合影響著探測濃度的相對誤差, 為獲得最佳路徑長度, 假設(shè)硬目標(biāo)物距離r分別取0.5、 0.8和1 km, 即積分路徑長度2r分別為1、 1.6和2 km時(shí), 分析了不同路徑長度對系統(tǒng)信噪比及相對誤差的影響(圖4), 從圖中可以看到, 路徑長度越短, 系統(tǒng)信噪比越大, 相對誤差越小。 圖4(a)中, 在苯濃度小于4 mg·m-3, 路徑長度分別1、 1.6和2 km時(shí), 對應(yīng)信噪比分別為31、 26和23 dB左右, 且隨著苯濃度增加, 信噪比降低速度很慢, 原因在于此時(shí)總信噪比受差分光學(xué)厚度影響較小; 但是, 苯濃度大于4 mg·m-3后, 三種情況信噪比迅速降低, 原因在于此時(shí)總信噪比主要受差分光學(xué)厚度的影響。 由圖4(b)可看出, 當(dāng)積分路徑長度為1 km, 苯濃度在0.08～40 mg·m-3時(shí), 相對誤差優(yōu)于10%, 當(dāng)苯濃度為12 mg·m-3時(shí), 為最佳探測狀態(tài), 相對誤差優(yōu)于0.2%; 當(dāng)路徑長度為1.6 km, 苯濃度在2～40 mg·m-3之間時(shí), 相對誤差優(yōu)于10%, 在苯濃度為8 mg·m-3時(shí), 為最佳探測狀態(tài), 相對誤差優(yōu)于0.6%; 而當(dāng)路徑長度為2 km時(shí), 在苯濃度為2.4～24 mg·m-3之間情況下, 相對誤差優(yōu)于10%, 最佳探測情況在苯濃度為5 mg·m-3時(shí)出現(xiàn), 相對誤差優(yōu)于1%。 從分析結(jié)果來看, 路徑長度的不同對系統(tǒng)探測性能的影響較大, 在實(shí)際探測中, 要結(jié)合實(shí)際情況取較為合適的路徑長度, 以達(dá)到更佳的探測效果。

圖4 不同路徑長度時(shí)探測性能隨苯濃度變化情況

3.2 能見度對探測性能的影響

在仿真外場實(shí)驗(yàn)時(shí), 路徑上的苯濃度一般比較低, 路徑長度比較長, 而在實(shí)驗(yàn)室測試時(shí), 路徑長度比較短, 苯濃度可以控制的比較高, 為了讓仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)量級相近, 因此將濃度與硬目標(biāo)距離的乘積作為一個(gè)仿真參量, 并稱其為濃度路徑積(concentration-path length product, CL), 此處, 路徑長度固定, CL隨著苯濃度變化而變化。 大氣能見度是影響開放光程下IPDA激光雷達(dá)反射信號功率的重要因素之一, 根據(jù)式(7)的大氣水平能見度與不同波長消光系數(shù)的關(guān)系模型, 假設(shè)通常重度污染情況下的大氣水平能見度為3、 5和10 km時(shí), 系統(tǒng)的信噪比和相對誤差如圖5所示。 從圖可看出, 能見度越大, 大氣越潔凈, 系統(tǒng)信噪比越大, 相對誤差越小。 由圖5(a)可看出, 當(dāng)CL小于2.8 mg·m-3·km時(shí), 系統(tǒng)信噪比相對穩(wěn)定, 且約為26 dB; 當(dāng)CL大于2.8 mg·m-3·km時(shí), 信噪比迅速下降, 此時(shí)系統(tǒng)信噪比主要受限于大氣光學(xué)厚度的影響, 尤其是強(qiáng)吸收譜λon通道, 可通過減少積分路徑長度改善信噪比。 從圖5(b)可以看出, 不同能見度情況對系統(tǒng)相對誤差影響較小, 依據(jù)CL差異, 相對誤差變化較大, 當(dāng)CL在0.2～28 mg·m-3·km之間, 能見度大于3 km時(shí), 苯濃度探測的相對誤差優(yōu)于10%, 且在CL約為5 mg·m-3·km時(shí)獲得最佳探測狀態(tài), 相對誤差優(yōu)于1%。

圖5 不同能見度時(shí)探測性能隨CL變化情況

3.3 水汽濃度對探測性能的影響

水汽的吸收譜線在中紅外是非常豐富的, 大氣中水汽含量較大且濃度起伏劇烈, 在選擇IPDA激光雷達(dá)的測量波長和參考波長時(shí), 通過選擇相近的水汽吸收截面, 降低了水汽對探測結(jié)果的影響, 通過仿真比較不同水汽濃度對探測結(jié)果帶來的影響, 其引起的相對誤差可表示為

(8)

式(8)中,αw(λon)與αw(λoff)分別為水汽在兩個(gè)工作波長處的吸收系數(shù),αw(λ)=Nwσ(λ), 其中,Nw是水汽濃度,σ(λ)是水分子在波長λ處的吸收截面積, 如表2所示。

表2 苯和水汽的吸收截面

從圖6可看處, 當(dāng)水汽濃度分別為1.607、 3.214和4.821 g·m-3時(shí), 因其對激光能量的吸收效應(yīng)固定, 當(dāng)苯的CL逐漸增大時(shí), 由水汽引起的探測誤差逐漸變小。 當(dāng)水汽濃度小于4.821 g·m-3時(shí), 對苯濃度探測結(jié)果帶來的誤差非常小, 因此說明選取的系統(tǒng)工作波長可以有效減小由水汽的差分吸收效應(yīng)對探測結(jié)果帶來的影響。

圖6 水汽差分吸收效應(yīng)引起的誤差

當(dāng)水汽濃度分別為1.607、 3.214和4.821 g·m-3時(shí), 其對探測系統(tǒng)信噪比與相對誤差的影響(圖7)。 從圖7中可以看到, 水汽濃度越小, 信噪比越大, 相對誤差越小。 從圖7(a)可以看到, 當(dāng)水汽濃度分別為1.607、 3.214和4.821 g·m-3時(shí), 隨著水汽濃度的增加, 信噪比下降不到1 dB。 從圖7(b)可以看到, 在CL小于0.1 mg·m-3·km時(shí), 相對誤差較大, 當(dāng)CL在0.2～28 mg·m-3·km時(shí), 系統(tǒng)相對誤差小于10%。 最佳探測狀態(tài)在CL為5 mg·m-3·km時(shí)獲得, 此時(shí)相對誤差為0.5%左右, 且因水汽濃度變化而引起的相對誤差變化約為0.1%。 因此, 可以得到水汽濃度變化對系統(tǒng)探測性能有一定的影響, 但是選擇較佳的探測狀態(tài)時(shí), 可忽略水汽濃度變化對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

圖7 不同水汽濃度時(shí)探測性能隨CL變化情況

3.4 模擬探測

為有效治理大氣中的二次污染, 目前我國規(guī)定在生產(chǎn)環(huán)境空氣中苯的短時(shí)間接觸容許濃度為10 mg·m-3, 因此可假設(shè)在探測路徑上均勻分布10 mg·m-3的苯氣體, 將相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)代入到信噪比與誤差模型中, 得到了信噪比與誤差隨CL變化關(guān)系(圖8), 此時(shí)CL隨路徑長度變化而變化。 如圖8所示, 隨著CL的增加信噪比逐漸降低, 在6.4 mg·m-3·km處時(shí), 探測的相對誤差約為0.5%, 測量的絕對誤差為0.05 mg·m-3。

圖8 苯濃度10 mg·m-3時(shí)探測性能隨CL變化情況

4 苯氣體的實(shí)驗(yàn)室測試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)中紅外差分吸收激光雷達(dá)的探測性能, 利用自制氣體池, 開展了實(shí)驗(yàn)室測試實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。 自制的氣體池采用透射式結(jié)構(gòu), 可以實(shí)現(xiàn)光譜吸收法對苯濃度的檢測, 基于HITRAN的吸收截面計(jì)算初始苯氣體濃度, 利用氣泵抽取苯氣體并接入干燥空氣, 計(jì)算獲取其相對濃度變化量, 作為實(shí)際值, 然后, 通過差分吸收雷達(dá)技術(shù)反演得到測量值, 通過不同方法獲得數(shù)值之間的相關(guān)性分析, 驗(yàn)證中紅外波段差分吸收激光雷達(dá)探測的可行性。

圖9 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示, 在氣體池探測苯濃度實(shí)驗(yàn)中, 苯濃度測量值與實(shí)際值之間線性關(guān)系的R2約為98.7%, 可為中紅外差分吸收激光雷達(dá)的外場實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。

圖10 氣體池苯濃度探測數(shù)據(jù)對比

5 結(jié) 論

針對區(qū)域性苯濃度實(shí)時(shí)遙感問題, 基于苯在中紅外波段緩變的吸收譜特征, 綜合考慮H2O、 NO2、 HCl等主要干擾氣體的吸收譜, 提出了基于帶間級聯(lián)激光器的中紅外IPDA激光雷達(dá)探測系統(tǒng)。 優(yōu)化選擇IPDA激光雷達(dá)系統(tǒng)的測量波長和參考波長分別為3 090.89和3 137.74 cm-1, 通過構(gòu)建的信噪比與誤差模型, 仿真分析可得在大氣水平能見度為5 km, 積分路徑長度為1.6 km, 水汽的體積濃度低于0.4%的情況下, 苯的CL在0.1～24 mg·m-3·km范圍內(nèi)時(shí), 系統(tǒng)探測的相對誤差優(yōu)于10%, 而苯的CL為5 mg·m-3·km時(shí), 探測相對誤差優(yōu)于1%。 基于自制氣體池開展了實(shí)驗(yàn)室苯濃度測試實(shí)驗(yàn), 其測量值與實(shí)際濃度的線性關(guān)系系數(shù)R2約為98.7%。 實(shí)驗(yàn)室測試實(shí)驗(yàn)可為IPDA激光雷達(dá)實(shí)時(shí)遙感區(qū)域性苯濃度提供依據(jù)。