基于光學(xué)調(diào)頻連續(xù)波的氣體光譜檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

婁秀濤,王玥,盧輝輝,董永康*

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

對(duì)氣體的有效探測(cè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制、生物醫(yī)療和航空航天等許多領(lǐng)域都具有重要意義[1-5]。相比于化學(xué)方法,光學(xué)方法特別是激光光譜方法具有非接觸、響應(yīng)速度快、選擇性好和測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn),是氣體檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。其中,激光吸收光譜(LAS)技術(shù)由于具有高定量和操作便捷的優(yōu)勢(shì)而成為目前最為廣泛使用的激光光譜氣體檢測(cè)技術(shù)[4,6]。LAS 技術(shù)的研究方向主要集中在技術(shù)指標(biāo)的提升與新應(yīng)用的開(kāi)發(fā),其中所提升的技術(shù)指標(biāo)主要包括靈敏度、響應(yīng)速度、選擇性、準(zhǔn)確度、覆蓋范圍、動(dòng)態(tài)范圍等。本課題組最近探索將調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)技術(shù)引入到LAS 中,發(fā)展新型的氣體光譜檢測(cè)技術(shù)來(lái)提升LAS 在測(cè)量準(zhǔn)確度、覆蓋范圍和動(dòng)態(tài)范圍等方面的技術(shù)指標(biāo)。

FMCW 技術(shù)在半個(gè)世紀(jì)前被廣泛應(yīng)用于電子雷達(dá)偵測(cè)[7],于上世紀(jì)80 年代初被引入光學(xué)領(lǐng)域[8],成功用于測(cè)距、測(cè)速和三維成像等高精度光學(xué)測(cè)量應(yīng)用中[9-11]。特別地,光學(xué)FMCW 技術(shù)在光纖傳感領(lǐng)域也被稱(chēng)為光頻域反射(OFDR)技術(shù)[12,13]。光學(xué)FMCW 的基本原理可以簡(jiǎn)單描述為:一束掃頻的窄線(xiàn)寬連續(xù)激光被分為兩路,兩路光經(jīng)歷不同的路徑再匯合后會(huì)產(chǎn)生干涉,由生成的拍頻信號(hào)頻率或相位可以得到兩路的光程差。傳統(tǒng)上,光學(xué)FMCW 利用不同路徑光程差的測(cè)量能力來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位與成像等,與脈沖式激光雷達(dá)相比具有高空間分辨的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上,當(dāng)光學(xué)FMCW 系統(tǒng)的掃頻激光經(jīng)過(guò)的路徑存在氣體時(shí),所探測(cè)到光學(xué)信號(hào)中不可避免地包含了光學(xué)路徑中的氣體吸收光譜信息。因此,光學(xué)FMCW技術(shù)除了具有空間定位能力外,還天然具備實(shí)施氣體光譜分析的潛力。

最近,本課題組在充分利用光學(xué)FMCW 精確定位能力的同時(shí),成功實(shí)現(xiàn)了光學(xué)FMCW 信號(hào)中吸收光譜信息的挖掘。本文在簡(jiǎn)單回顧相關(guān)研究背景后,重點(diǎn)介紹本課題組最近采用光學(xué)FMCW 氣體光譜檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展的多通池內(nèi)氣體吸收光譜和光程同步測(cè)量、多點(diǎn)式氣體檢測(cè)和大動(dòng)態(tài)范圍氣體檢測(cè)三個(gè)方面的研究進(jìn)展。

1 光學(xué)FMCW 氣體光譜檢測(cè)原理

光學(xué)FMCW 氣體光譜檢測(cè)系統(tǒng)采用干涉儀結(jié)構(gòu)對(duì)不同點(diǎn)位的光信號(hào)進(jìn)行定位,其裝置結(jié)構(gòu)和基本原理如圖1 所示。激光光源采用線(xiàn)性調(diào)頻的窄線(xiàn)寬高相干光,其分為兩路,一路作為參考光,另一路作為探測(cè)光進(jìn)入氣體傳感區(qū)。探測(cè)光路中后向回光與參考光發(fā)生干涉產(chǎn)生拍頻信號(hào),由光電探測(cè)器接收。探測(cè)光路中不同位置的后向回光有不同的延遲時(shí)間τ,而激光頻率以恒定調(diào)頻速率β 隨著時(shí)間線(xiàn)性變化,因而探測(cè)光路不同位置的拍頻信號(hào)頻率與延遲時(shí)間τ 成正比,由此可以根據(jù)拍頻頻率大小來(lái)對(duì)探測(cè)光路不同位置進(jìn)行定位,實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。

圖1 光學(xué)FMCW 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理Fig.1 System structure and basic principle of optical FMCW

激光器輸出的光波電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為

式中:E0為電場(chǎng)強(qiáng)度的初始振幅,φ(t)為光場(chǎng)相位,相位變化率為光的角頻率。設(shè)光的初始角頻率為ω0,激光的角頻率調(diào)諧速率γ=2πβ,則輸出光的瞬時(shí)角頻率為ω(t)=ω0+γt,由此可得輸出光的相位表達(dá)式

式中:φ0為光的初始相位。探測(cè)光(P)和參考光(R)干涉產(chǎn)生的拍頻信號(hào)被光電探測(cè)器接收,生成的光電流信號(hào)為

式中:σ 為光電轉(zhuǎn)換效率;r為包含探測(cè)光路中回光收集效率以及光路損耗的常數(shù);常數(shù)項(xiàng)C=σr;I為光強(qiáng),其與電場(chǎng)強(qiáng)度存在的關(guān)系。(3)式中加號(hào)前后分別對(duì)應(yīng)直流項(xiàng)和交流項(xiàng),可通過(guò)選用交流探測(cè)器只接收感興趣的交流信號(hào)。將相位表達(dá)式(2)代入(3)式,同時(shí)考慮到γτ2/2 項(xiàng)很小可以忽略,最終采集得到的交流信號(hào)可表示為

根據(jù)Beer-Lambert 定律,光經(jīng)過(guò)氣體吸收后的光強(qiáng)變化與氣體吸收系數(shù)和吸收光程有關(guān),透射光譜函數(shù)可表示為

式中:吸收系數(shù)α(ω)是光角頻率的函數(shù),吸收光程L(τ)與延遲時(shí)間有關(guān)。一般情況下,探測(cè)光路中存在多處反射回光,不同反射點(diǎn)的光時(shí)間延遲不同,經(jīng)歷的氣體吸收幅度不同,探測(cè)到的總電流信號(hào)可表示為

式中:m對(duì)應(yīng)探測(cè)光路上不同的反射點(diǎn),M為反射點(diǎn)數(shù)目。對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,將信號(hào)從頻域(光譜域)轉(zhuǎn)換成時(shí)域(空間域),即可將不同空間位置的反射點(diǎn)信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái),可表示為

式中:ω0為掃頻激光的中心角頻率,Δω 為激光掃描的角頻率范圍。為了將透射函數(shù)項(xiàng)單獨(dú)分離出來(lái),(7)式中引入了系數(shù)S。由于正負(fù)時(shí)域的系數(shù)存在關(guān)系,為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程,只需考慮正時(shí)域系數(shù),其表達(dá)式為

式中:Δν=Δω/2π 為光的掃描頻率范圍。sinc 函數(shù)決定了FMCW 系統(tǒng)時(shí)域分辨率Δτ=1/Δν,對(duì)應(yīng)的空間分辨率Δl=c/(2nΔν),其中c為真空中的光速,n為光纖的群折射率。當(dāng)τ=τm時(shí),達(dá)到峰值,對(duì)應(yīng)著不同反射點(diǎn)的位置。因此,在這里起到選擇器的作用,可以將不同位置的透射函數(shù)Tm區(qū)分開(kāi)來(lái)。通過(guò)對(duì)(7)式中的每個(gè)反射峰信號(hào)實(shí)施逆傅里葉變換,可以得到

由此可進(jìn)一步求得相應(yīng)反射點(diǎn)的透射譜

在實(shí)際應(yīng)用中,式中Cm、IR、IP一般依賴(lài)于光的角頻率ω,但該問(wèn)題可通過(guò)背景校正和基線(xiàn)擬合的方式來(lái)解決。反演獲得的透射光譜的光譜分辨率ΔνR=c/(2ndW),其中dW為空間域選取數(shù)據(jù)點(diǎn)的窗口寬度。

2 多通池內(nèi)氣體吸收光譜和吸收光程同步測(cè)量

多通池在氣體吸收光譜領(lǐng)域被廣泛使用,用于延長(zhǎng)吸收光程,從而提高測(cè)量靈敏度[4,14],其中最常用的是White 型和Herriott 型多通池[15,16]。為滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求,人們開(kāi)發(fā)出不同類(lèi)型的多通池,例如可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)光程的光學(xué)矩陣型多通池[17,18]、大光程體積比的稠密圖案型多通池[19-21]以及高度緊湊的小體積環(huán)形多通池[22-24]等。

對(duì)于定量氣體檢測(cè)而言,必須精確測(cè)定吸收光譜和吸收光程。傳統(tǒng)上,吸收光程獨(dú)立于吸收光譜單獨(dú)預(yù)先測(cè)定,通常采用機(jī)械測(cè)量法[25]、氣體吸收光譜法[26]、相移測(cè)距法[20]、干涉計(jì)量法[27]等。機(jī)械測(cè)量法使用尺子測(cè)出多通池的基長(zhǎng),再乘以反射次數(shù)得到總的光程長(zhǎng)度,這種傳統(tǒng)方法操作簡(jiǎn)單,但精度不高。氣體吸收光譜法在已知長(zhǎng)度的參考?xì)獬睾痛郎y(cè)多通池中通入相同的已知?dú)怏w,通過(guò)對(duì)比二者的吸收光譜來(lái)獲得多通池的吸收光程,可以獲得比機(jī)械測(cè)量法更高的測(cè)量精度。2014 年,Nwaboh 等[26]采用氣體吸收光譜法測(cè)量了光程長(zhǎng)21 m 的White 型多通池,測(cè)量不確定度4 cm,相對(duì)不確定度0.2%。相移測(cè)距法是通過(guò)對(duì)激光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制,比較進(jìn)入多通池前后的調(diào)制光的相位差來(lái)獲得多通池內(nèi)的吸收光程,具有較高的測(cè)量精度。2011 年,Das 等[20]用相移法測(cè)量了稠密圖案型多通池的光程長(zhǎng)度,測(cè)量結(jié)果為50.31 m,不確定度3 cm(相對(duì)不確定度0.06%),并與主流的吸光度法做了對(duì)比。所采用的裝置如圖2 所示。干涉計(jì)量法采用邁克爾遜干涉或馬赫-增德?tīng)柛缮娼Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施光程測(cè)量,可以獲得更高的精度。2016 年,天津大學(xué)杜振輝課題組[28]采用商用OFDR 裝置測(cè)量了光程長(zhǎng)16 m 的White 型多通池的光程,測(cè)量結(jié)果的相對(duì)不確定度低至0.0085%(mm 級(jí)精度),并與主流的吸光度法做了對(duì)比,所采用的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖2 相移法測(cè)量多通池的裝置圖[20]Fig.2 Experimental setup for measuring multipass cell’s pathlength using phase-shift methods[20]

圖3 (a)用OFDR 測(cè)量多通池光程的實(shí)驗(yàn)裝置;(b)OFDR 測(cè)量信號(hào);(c)用吸光度法測(cè)量多通池光程的實(shí)驗(yàn)裝置[28]Fig.3 (a)Experiment setup for measuring the multipass cell’s optical pathlength by OFDR;(b)OFDR measurement signals;(c)Experimental setup using absorbance methods[28]

在上面所介紹的研究工作中,多通池的光程都是在使用前預(yù)先測(cè)得的。然而,在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中,多通池機(jī)械結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致吸收光程變化,采用預(yù)校準(zhǔn)的吸收光程難以保證氣體檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的準(zhǔn)確性。最近,本課題組采用光學(xué)FMCW 技術(shù)探索實(shí)現(xiàn)了多通池內(nèi)氣體吸收光譜和吸收光程的同步測(cè)量[29],實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示,它由四部分組成:可調(diào)諧激光源,測(cè)量干涉儀,輔助干涉儀和數(shù)據(jù)采集單元?？烧{(diào)諧光源(TLS)的平均輸出功率為10 mW,線(xiàn)寬約100 kHz,其以10 nm/s 的調(diào)諧速率從1518 nm 掃描至1522 nm(6571～6588 cm-1),覆蓋乙炔氣體ν1+ν2譜帶的若干吸收線(xiàn)。測(cè)量干涉儀基于馬赫-增德?tīng)柦Y(jié)構(gòu),大部分激光功率被分配到探測(cè)臂,并通過(guò)環(huán)行器導(dǎo)入充裝1×10-4體積比的乙炔樣品氣體的White 型多通池。探測(cè)臂中包含多通池內(nèi)部多反射點(diǎn)在內(nèi)的后向回光信號(hào)與參考光信號(hào)產(chǎn)生干涉,被平衡探測(cè)器(BPD)接收后由數(shù)據(jù)采集卡采集。輔助干涉儀采用邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu),其產(chǎn)生的拍頻信號(hào)為數(shù)據(jù)采集提供采樣時(shí)鐘,數(shù)據(jù)采集由等時(shí)間間隔采樣轉(zhuǎn)為等頻率間隔采樣,可有效矯正激光掃頻的非線(xiàn)性。

圖4 基于光學(xué)FMCW 同步測(cè)量多通池中氣體吸收光譜和吸收光程的實(shí)驗(yàn)裝置[29]Fig.4 Schematic diagram of the optical FMCW-based experimental configuration for simultaneous measurement of gas absorption spectra and optical pathlengths in a multipass cell[29]

圖5 展示了將頻率(光譜)域中記錄的拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域(空間域)信號(hào)的傅里葉變換結(jié)果,及輸出面反射峰的逆傅里葉變換結(jié)果。從圖5(a)中可以看出,探測(cè)臂的各個(gè)反射峰位均可明確識(shí)別,較強(qiáng)的反射峰主要來(lái)自環(huán)形器(Cir)、光纖連接器(Con)、多通池輸入端1 mm 厚密封窗的外表面和內(nèi)表面(I1 和I2)、輸出端密封窗口的內(nèi)表面(O);另外還能夠清楚看到具有幾乎均勻間隔的次峰,其源自多通池中3個(gè)凹面鏡的27 次反射。根據(jù)主峰I2 和O 可得到多通池的透射吸收光程為11.2486 m,根據(jù)各個(gè)反射峰的半寬度可評(píng)估出光程測(cè)量分辨率0.29 mm,與理論計(jì)算值一致。以反射O 點(diǎn)為中心選擇800 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)0.23 m 的空間范圍)作逆傅里葉變換,得到兩倍多通池吸收光程的乙炔氣體透射信號(hào)[圖5(b)],光譜分辨率為5 pm(4 nm/800)或0.02 cm-1。

從圖5 可以看出,光譜域信號(hào)存在與光頻相關(guān)的光學(xué)背景。這個(gè)背景可以通過(guò)建立基于多項(xiàng)式的基線(xiàn)模型來(lái)擬合修正,基線(xiàn)歸一化后的氣體透射光譜如圖6 所示。為了比較,圖6 同時(shí)給出了基于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真結(jié)果。對(duì)比顯示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果之間的殘差水平很低,驗(yàn)證了光學(xué)FMCW 方法在精確測(cè)量氣體吸收光譜方面的有效性。根據(jù)殘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差,最小可探測(cè)吸收為0.01,對(duì)應(yīng)的乙炔氣體檢測(cè)下限為5×10-6體積比。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的1×10-4 體積比的乙炔氣體透射光譜和HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真譜[29]Fig.6 Experimental transmission spectrum of 1×10-4 acetylene and the simulated spectrum based on the HITRAN database[29]

3 多點(diǎn)氣體光譜檢測(cè)

多點(diǎn)氣體檢測(cè)在天然氣管道泄漏檢測(cè)[30]、填埋場(chǎng)氣體排放監(jiān)測(cè)[31]、地下綜合管廊氣體監(jiān)測(cè)[32]等多種應(yīng)用中具有重要意義。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中,需要在大范圍實(shí)現(xiàn)氣體的定量檢測(cè)和精確定位。目前,現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)大多使用低成本的化學(xué)傳感器[33,34]。盡管LAS 傳感器具有高特異性、高速響應(yīng)和本質(zhì)安全的優(yōu)點(diǎn),但單個(gè)LAS 傳感器的成本相對(duì)較高,因而在多點(diǎn)氣體檢測(cè)應(yīng)用中競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

若要提高LAS 系統(tǒng)在多點(diǎn)氣體檢測(cè)應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力,則必須實(shí)施復(fù)用技術(shù)以共享激光源和探測(cè)器等高成本的光學(xué)器件。目前被提出用于LAS 氣體檢測(cè)的典型復(fù)用方案主要包括四種:空分復(fù)用[31,35]、時(shí)分復(fù)用[36,37]、波分復(fù)用[38,39]和頻分復(fù)用[40,41]。在空分復(fù)用系統(tǒng)中,激光波長(zhǎng)與在單點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)中一樣通過(guò)掃描以獲得氣體吸收光譜,而激光被分配引導(dǎo)至多個(gè)獨(dú)立的氣體傳感路徑中,并通過(guò)多個(gè)分離的探測(cè)器來(lái)區(qū)分定位不同的傳感器。2008 年,Culshaw 和Kersey 報(bào)道了在總面積為15 km2的垃圾填埋場(chǎng)上安裝LAS 甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案[31],系統(tǒng)包含60 個(gè)空分復(fù)用檢測(cè)點(diǎn),氣體濃度檢測(cè)范圍從0.01%至100%,監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的布局如圖7 所示。

圖7 安裝了含60 個(gè)空分復(fù)用檢測(cè)點(diǎn)的LAS 甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的垃圾填埋場(chǎng)布局圖[31]Fig.7 Partial map of a trial landfill site with installed multiplexed 60-point LAS methane concentration monitoring system[31]

在時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中,使用波長(zhǎng)掃描的脈沖激光源,并根據(jù)透射或反射光脈沖的不同時(shí)間延遲區(qū)分和定位不同的氣體傳感器,該系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的要求很高(例如,亞米的空間分辨率需要小于10 ns 的激光脈沖寬度和GHz 級(jí)的采樣率)。2019 年,Floridia 等[37]采用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)對(duì)天然氣傳輸路徑中氣體壓縮站的兩個(gè)點(diǎn)位的氣體泄漏實(shí)施了四個(gè)月的監(jiān)測(cè)測(cè)試,監(jiān)測(cè)到兩個(gè)點(diǎn)位的氣體濃度變化范圍分別為1.5%～15%和5%～30%,并研究了風(fēng)速對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,系統(tǒng)裝置如圖8 所示。

圖8 采用時(shí)分復(fù)用方案監(jiān)測(cè)多點(diǎn)甲烷泄漏的系統(tǒng)裝置[37]Fig.8 System for monitoring multiple-point methane fugitive emissions using time division multiplexing scheme[37]

波分復(fù)用技術(shù)通常與光纖布拉格光柵結(jié)合使用,不同傳感點(diǎn)的波長(zhǎng)與目標(biāo)氣體的不同吸收線(xiàn)匹配,每個(gè)傳感點(diǎn)的氣體濃度根據(jù)光譜儀獲得的低分辨吸收光譜確定[38,39],該系統(tǒng)可復(fù)用傳感器的數(shù)量受到氣體可用吸收線(xiàn)的限制。在頻分復(fù)用系統(tǒng)中,對(duì)激光強(qiáng)度實(shí)施周期調(diào)制,同時(shí)對(duì)強(qiáng)度調(diào)制頻率進(jìn)行掃描[40],通過(guò)每個(gè)氣體傳感點(diǎn)的特定拍頻頻率對(duì)其進(jìn)行定位,而氣體吸收信號(hào)通過(guò)進(jìn)一步掃描激光波長(zhǎng)獲得。

綜合分析現(xiàn)有的多點(diǎn)氣體光譜檢測(cè)的主流復(fù)用技術(shù),它們都采用至少兩種獨(dú)立的技術(shù)和相應(yīng)的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感點(diǎn)的定位和光譜分析。最近,提出并驗(yàn)證了一種基于光學(xué)FMCW 的多點(diǎn)氣體光譜檢測(cè)方法[42],實(shí)驗(yàn)裝置如圖9 所示,它由四部分組成:可調(diào)諧激光源、包含多點(diǎn)氣體傳感器的測(cè)量干涉儀、輔助干涉儀和數(shù)據(jù)采集單元。在演示實(shí)驗(yàn)中,選擇乙炔作為樣品氣體,傳感點(diǎn)采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)布局。利用FMCW 技術(shù)測(cè)量了三個(gè)傳感點(diǎn),吸收光程分別為29.41、28.96、29.25 cm。第一和第三個(gè)傳感點(diǎn)氣池分別填充0.187%和0.925%體積比的乙炔氣體,第二個(gè)傳感點(diǎn)氣池充入氮?dú)狻２捎玫目烧{(diào)諧光源的輸出功率為5 mW,線(xiàn)寬約100 kHz,其以40 nm/s 的調(diào)諧速率在1519.78～1520.38 nm(6577.30～6579.90 cm-1)重復(fù)掃描,掃過(guò)乙炔ν1+ν2譜帶中最強(qiáng)的R(9)線(xiàn)。光拍頻信號(hào)被交流耦合平衡檢測(cè)器接收后由數(shù)據(jù)采集卡采集。

圖10(a)、(b)分別展示了從光電探測(cè)器輸出的原始拍頻信號(hào)及其傅里葉變換結(jié)果,在傅里葉變換后的空間域結(jié)果中明確地標(biāo)識(shí)出三個(gè)氣體傳感點(diǎn)的反射峰,此外還可看到由光纖連接器處的菲涅耳反射等產(chǎn)生的多個(gè)弱反射峰。由激光掃頻范圍評(píng)估系統(tǒng)的空間分辨率為1.3 mm。通過(guò)仿真研究得知,當(dāng)空間域選取數(shù)據(jù)的矩形窗口寬度大于10 cm 時(shí),光譜誤差可以忽略。因此,每個(gè)傳感點(diǎn)反射峰由寬度為20 cm 的矩形窗口提取數(shù)據(jù),再實(shí)施逆傅里葉變換,獲得各個(gè)傳感點(diǎn)的氣體透射信號(hào),結(jié)果如圖10(c)所示。透射信號(hào)兩端的幅度振蕩是由頻譜泄漏引起的,可通過(guò)低通濾波有效抑制。

圖10 多點(diǎn)氣體透射信號(hào)反演的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。(a)原始拍頻信號(hào);(b)原始信號(hào)的傅里葉變換信號(hào);(c)反演得到的三個(gè)氣體傳感點(diǎn)的透射信號(hào)[42]Fig.10 Data processing procedure of the retrieval of multi-point transmission signals.(a)Acquired raw signals;(b)DFT of the original beat signals;(c)Retrieved transmission signals of the three gas sensors[42]

對(duì)圖10 中的透射信號(hào)進(jìn)行基線(xiàn)擬合和歸一化即可得到相應(yīng)的透射光譜,結(jié)果如圖11 所示。所獲得的光譜分辨率為0.51 GHz 或0.017 cm-1,約為乙炔氣體吸收線(xiàn)寬的十分之一,因此足以進(jìn)行高特異性氣體分析。圖11 中同時(shí)給出了基于HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果高度一致,驗(yàn)證了所提方法進(jìn)行多點(diǎn)氣體光譜分析的有效性。根據(jù)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差,估計(jì)三種氣體傳感器的平均噪聲等效吸收為0.004,對(duì)應(yīng)的乙炔氣體檢測(cè)靈敏度為5.5×10-5體積比。三個(gè)傳感點(diǎn)的光譜殘差具有相似的結(jié)構(gòu),這表明測(cè)量靈敏度主要受光學(xué)干涉噪聲的限制。

圖11 三個(gè)乙炔氣體檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)和仿真透射光譜比較[42]Fig.11 Comparison of the measured and simulated transmission spectra of three acetylene gas sensors[42]

4 大動(dòng)態(tài)范圍氣體光譜檢測(cè)

在大海拔跨度大氣成分分析和燃燒效率精準(zhǔn)監(jiān)控等氣體濃度變化范圍大的應(yīng)用場(chǎng)景中,氣體檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)重要指標(biāo)[43-45]。然而,對(duì)于痕量氣體檢測(cè),LAS 需要解決弱吸收問(wèn)題,而對(duì)于高濃度氣體的檢測(cè),必須避免過(guò)度吸收,這使得LAS 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍通常被限制在4 個(gè)數(shù)量級(jí)左右[46,47]。一般而言,LAS 的動(dòng)態(tài)范圍小于其它零背景激光光譜技術(shù),如光聲光譜[48,49]、光熱光譜[50,51]和拉曼光譜技術(shù)[52,53]等。最近,香港理工大學(xué)靳偉課題組采用基于反諧振空芯光纖模式相位差的光熱光譜技術(shù)檢測(cè)乙炔氣體,獲得了2×107的創(chuàng)紀(jì)錄大動(dòng)態(tài)范圍[51],實(shí)驗(yàn)裝置如圖12 所示。

圖12 基于反諧振空芯光纖模式相位差的光熱光譜氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置[51]Fig.12 Experimental setup of mode-phase-difference photothermal spectroscopy for gas detection with an anti-resonant hollow-core optical fiber[51]

在LAS 技術(shù)中,多通池和高反射腔可有效增加吸收光程,被廣泛用于痕量氣體分析,已可達(dá)到體積比為ppt(10-12)甚至ppq(10-15)水平的靈敏度[54]。然而,單純通過(guò)增加吸收光程來(lái)擴(kuò)大LAS 技術(shù)的動(dòng)態(tài)范圍是完全無(wú)效的,因?yàn)樗诮档蜋z測(cè)下限的同時(shí)也會(huì)相應(yīng)地降低檢測(cè)上限。根據(jù)比爾-朗伯定律的基本原理,擴(kuò)展LAS 動(dòng)態(tài)范圍的直接方法只有兩種:選擇不同強(qiáng)度的氣體吸收線(xiàn)和改變吸收光程。2010年,Zondlo 等[45]基于前一種方案使用兩條吸收線(xiàn)開(kāi)展不同海拔的大氣水分子濃度檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了高達(dá)6 個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。這種變吸收線(xiàn)法不僅要求氣體具有合適的吸收線(xiàn),而且要求激光源具備寬調(diào)諧性,因而缺乏普遍適用性。因此,基于吸收光程變化的后一種方案受到更多關(guān)注。2015 年,Pog′any 等[55]在一套LAS 系統(tǒng)中將單通池與多通池結(jié)合使用,將氣體檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍從小于3 個(gè)數(shù)量級(jí)擴(kuò)展到大于4 個(gè)數(shù)量級(jí)。2020 年,清華大學(xué)彭志敏課題組采用多通池和高反腔結(jié)合的方式調(diào)節(jié)吸收光程,獲得了大于5 個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍[56],實(shí)驗(yàn)裝置如圖13 所示。然而,不同技術(shù)或不同裝置的結(jié)合不可避免地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

圖13 多通池與高反射腔聯(lián)用的激光吸收光譜系統(tǒng)[56]Fig.13 LAS system using a multipass cell with combination of a high-reflection optical cavity[56]

另一種調(diào)節(jié)吸收光程的方法是使用光程可變的多通池。多通池光程調(diào)節(jié)一般是通過(guò)改變反射鏡的間距和(或)相對(duì)角度實(shí)現(xiàn)[19,25],但光程調(diào)節(jié)過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí),不適合實(shí)際的在線(xiàn)氣體監(jiān)測(cè)應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái),人們一直在尋找在不改變多通池物理參數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)光程簡(jiǎn)易調(diào)節(jié)的有效方法。2013 年,Tuzson等[23]提出了一種環(huán)形多通池設(shè)計(jì),通過(guò)改變進(jìn)入多通池的激光束入射角實(shí)現(xiàn)了2.2 m 和4.1 m 的不同光程。2018 年,吉林大學(xué)鄭傳濤課題組提出了一種雙點(diǎn)環(huán)Herriott 型多通池設(shè)計(jì),它有兩個(gè)獨(dú)立的入射孔,可分別獲得20 m 和6 m 不同光程[57],該氣池被用于實(shí)現(xiàn)雙量程乙炔氣體檢測(cè),實(shí)驗(yàn)裝置如圖14 所示。這種方法需要對(duì)激光入射方式進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和仔細(xì)調(diào)整,而實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展卻并不顯著。

圖14 基于雙點(diǎn)環(huán)Herriott 型多通池的雙量程乙炔檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置[57]Fig.14 Experimental setup for double-range C2H2 detection using a dual spot-ring Herriott cell[57]

最近,本課題組在光學(xué)FMCW 技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種新的實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍氣體檢測(cè)的方法,稱(chēng)為光程復(fù)用吸收光譜技術(shù)(OPMAS)[58],其基本原理如圖15 所示。OPMAS 系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組件是內(nèi)部有多個(gè)弱反射的氣池,對(duì)應(yīng)于不同的光程。OPMAS 系統(tǒng)同時(shí)工作在透射和反射兩種模式,前者用于痕量氣體分析,后者用于高濃度氣體傳感。在透射模式下,與傳統(tǒng)的LAS 幾乎相同,氣體樣品的透射光譜直接由測(cè)得的通過(guò)氣室的掃頻激光光強(qiáng)獲得;反射模式的配置基于FMCW 干涉儀,其中氣室放置在測(cè)量臂中。由于延遲時(shí)間的不同,來(lái)自不同反射點(diǎn)的掃頻光將產(chǎn)生具有不同頻率的拍頻信號(hào),因此可以通過(guò)傅里葉變換在距離域區(qū)分開(kāi)。距離域中的每個(gè)反射峰都包含了該位置對(duì)應(yīng)的吸收光譜信息,可以用逆傅里葉變換反演獲得。透射模式相比于反射模式具有較長(zhǎng)的光程和較低的干涉噪聲,更適合痕量氣體分析;而反射模式可以獲取不同的短光程吸收光譜,避免過(guò)吸收,更適合高濃度氣體傳感。因此,通過(guò)這種光程復(fù)用的模式可以大范圍調(diào)節(jié)吸收光程,從而顯著地?cái)U(kuò)展氣體檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。

圖15 OPMAS 技術(shù)基本原理示意圖[58]Fig.15 Basic principle diagram of OPMAS[58]

在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中,采用基長(zhǎng)為18 cm 的多通池,其內(nèi)部反射232 次,單向透過(guò)光程約為42 m。多通池內(nèi)充入常壓乙炔作為樣品氣體,選用乙炔ν1+ν2譜帶中最強(qiáng)的R(9)線(xiàn)進(jìn)行光譜分析。為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證OPMAS 的大動(dòng)態(tài)范圍特性,測(cè)量了跨4 個(gè)數(shù)量級(jí)以上的5 種不同濃度乙炔氣體,包括9.8%、0.925%、0.112%、9.5×10-5和9.3×10-6體積比。前四種濃度是在反射模式下測(cè)量的(對(duì)應(yīng)多通池內(nèi)的反射峰序號(hào)分別為1,1,12,54),而最低的9.3×10-6體積比是在透射模式下測(cè)量的。圖16 展示了OPMAS 系統(tǒng)在反射模式下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的乙炔在不同濃度、不同吸收光程下的透射光譜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與HITRAN 仿真結(jié)果高度一致,驗(yàn)證了OPMAS 技術(shù)進(jìn)行光譜分析的有效性(圖中ppm 表示10-6體積比)。

圖16 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和HITRAN 仿真獲得的乙炔在不同濃度、不同吸收光程下的透射光譜[58]Fig.16 Measured and simulated transmission spectra of acetylene at different concentrations with different absorption pathlengths[58]

根據(jù)系統(tǒng)透射模式下的噪聲等效吸收(0.0003)和反射模式下可獲得的最短吸收光程(往返0.359 m)評(píng)估得到系統(tǒng)的最低和最高探測(cè)限分別為5.6×10-8和10.53%體積比,相應(yīng)的線(xiàn)性響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)1.9×106。圖17 展示了OPMAS 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸收系數(shù)與氣體濃度的線(xiàn)性關(guān)系(圖中ppm 表示10-6體積比)。OPMAS 方法所實(shí)現(xiàn)的6 個(gè)數(shù)量級(jí)的大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍比其他傳統(tǒng)的基于吸收的激光光譜技術(shù)大2～3 個(gè)數(shù)量級(jí),甚至超過(guò)了除光熱光譜技術(shù)以外的大多數(shù)零背景非吸收原理的光譜技術(shù)。相較于光熱光譜需要復(fù)雜的泵浦探測(cè)裝置和長(zhǎng)而細(xì)的空芯光子晶體光纖氣池,OPMAS 方法更簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度更快。在本工作中,所采用的激光光源線(xiàn)寬約為100 kHz,相干長(zhǎng)度約為600 m,所能測(cè)量的多通池最大光程為300 m 左右,因而測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍還有提升的空間。若要利用反射次數(shù)更多、光程更長(zhǎng)的多通池進(jìn)一步擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍,則需要采用線(xiàn)寬更窄、相干長(zhǎng)度更長(zhǎng)的激光光源。

圖17 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸收系數(shù)與氣體濃度的線(xiàn)性關(guān)系[58]Fig.17 Plots of absorption coefficient value versus gas concentration[58]

5 總結(jié)與展望

重點(diǎn)介紹了本課題組最近提出的基于光學(xué)FMCW 的氣體光譜檢測(cè)技術(shù)原理及相關(guān)研究進(jìn)展。該技術(shù)利用了FMCW 本身具備的定位能力,同時(shí)利用其光源本身的頻率調(diào)諧特性,充分挖掘其光譜獲取能力,由此實(shí)現(xiàn)了氣體吸收光譜和光程同步測(cè)量、多點(diǎn)氣體檢測(cè)和大動(dòng)態(tài)范圍氣體檢測(cè)。光學(xué)FMCW 系統(tǒng)使用的是可調(diào)諧激光光源,因而它與傳統(tǒng)LAS 方法是完全兼容的。目前光學(xué)FMCW 氣體光譜檢測(cè)技術(shù)尚處于研究的起步階段,有許多科學(xué)技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。例如,目前系統(tǒng)的最低可探測(cè)吸收為5×10-3的水平,主要受限于系統(tǒng)干涉噪聲,可通過(guò)優(yōu)化光路結(jié)構(gòu)和引入干涉抑制的技術(shù)手段來(lái)提升測(cè)量靈敏度。在多點(diǎn)氣體傳感應(yīng)用中,目前的氣池布局采用的是總線(xiàn)式結(jié)構(gòu),若采用空芯光纖作為氣池,則可以采用級(jí)聯(lián)布局的準(zhǔn)分布式結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提升傳感光路的集成度和布設(shè)便捷度。在大動(dòng)態(tài)范圍氣體檢測(cè)中,多通池內(nèi)部的反射次數(shù)決定了光程擴(kuò)展能力,可以合理推測(cè)；如果使用反射次數(shù)更高的多通池,可以獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展,但動(dòng)態(tài)范圍的具體擴(kuò)展極限需研究確定。在大動(dòng)態(tài)范圍氣體檢測(cè)中另一個(gè)值得思考的方面是將OPMAS 技術(shù)與使用不同強(qiáng)度的躍遷譜線(xiàn)相結(jié)合,采用寬掃描范圍的激光器,覆蓋線(xiàn)強(qiáng)相差超過(guò)2 個(gè)數(shù)量級(jí)的吸收譜線(xiàn),有望獲得前所未有的108量級(jí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。此外,目前本課題組已開(kāi)展的工作都是單一氣體檢測(cè),事實(shí)上若采用寬范圍可調(diào)諧激光器,光學(xué)FMCW 技術(shù)則具備多組分氣體同時(shí)檢測(cè)的能力,可用于同時(shí)監(jiān)測(cè)一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氨氣等多種重要的工業(yè)排放氣體。