NO2差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)研究進(jìn)展

成遠(yuǎn),張振,華燈鑫,2,宮振峰,梅亮*

(1 大連理工大學(xué)光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116024;2 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)

0 引言

二氧化氮(NO2)是大氣中的一種痕量氣體,具有腐蝕性、刺激性和毒性,也是造成酸雨、酸霧和光化學(xué)煙霧的主要污染物之一。作為一種重要的大氣污染物,NO2嚴(yán)重危害人體健康以及生態(tài)系統(tǒng)[1-4]。大氣NO2污染主要來自燃煤、石油等化石燃料燃燒產(chǎn)生的氮氧化物,氮氧化物在傳輸過程中會(huì)被氧化而成為NO2。此外,隨著汽車數(shù)量的日益增加,由城市交通工具排放而導(dǎo)致的NO2污染也日益嚴(yán)重,在一般城市里NO2濃度不到190 μg/m3,但在交通擁擠地段可高達(dá)1900 μg/m3[5]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)以及汽車保有量的不斷增加,大氣NO2污染問題日趨嚴(yán)峻,加強(qiáng)NO2污染監(jiān)測成為大氣環(huán)境監(jiān)測與治理的迫切需求。

NO2是少數(shù)幾種在紫外、可見波段有明顯吸收光譜的氣體之一,其在大氣中的柱濃度分布可由被動(dòng)式星載儀器來測量,如SCIAMACHY[6]和GOME[7]等。然而,星載測量儀器用太陽光作為光源,太陽高度角的變化和云層遮擋等因素將會(huì)對測量精度造成影響,同時(shí)較低的空間分辨率也難以滿足局地NO2濃度監(jiān)測的要求。對于地基NO2濃度監(jiān)測,目前已出現(xiàn)多種先進(jìn)的高靈敏度光學(xué)方法,包括可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜技術(shù)(TDLAS)[8,9]、差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)(DOAS)[10,11]以及差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)(DIAL)[12,13]等。TDLAS 和DOAS 技術(shù)可滿足工業(yè)NO2排放源及背景NO2濃度等的實(shí)時(shí)、高精度監(jiān)測需求,但對高架源及NO2垂直空間分布等測量應(yīng)用則力不從心[14-16]。作為一種主動(dòng)式光學(xué)遙感技術(shù),DIAL 技術(shù)具備空間分辨率高、探測靈敏度高、測量范圍大等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)大氣痕量氣體水平和垂直空間分布探測、高架源排放氣體監(jiān)測等常規(guī)技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),在大氣氣體濃度遙感監(jiān)測中具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

DIAL 技術(shù)最早由美國密歇根大學(xué)Schotland 教授于1964 年首次提出并應(yīng)用于水蒸氣含量檢測[17]。隨后,Measures 等[18],Ahmed[19],Byer 等[20]將DIAL 技術(shù)推廣到O3、NO2、SO2等痕量氣體的濃度檢測中。該技術(shù)通過測量待測氣體對不同波長激光的差分吸收信號來獲取濃度信息。依據(jù)這一基本原理,DIAL 技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于大氣痕量氣體如CO2、H2O、O3及NO2等的濃度分布探測中。本文詳細(xì)介紹了DIAL 技術(shù)的探測原理,系統(tǒng)性地回顧了NO2-DIAL 技術(shù)的發(fā)展歷程,最后對NO2-DIAL 技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 DIAL 技術(shù)基本原理

DIAL 技術(shù)通過可調(diào)諧激光器向大氣中交替發(fā)射兩束波長相近的激光脈沖,一束激光的波長位于待測氣體吸收峰,對應(yīng)的氣體吸收截面較大,稱為探測波長(λon);另一束激光的波長偏離待測氣體吸收峰,對應(yīng)的吸收截面較小,稱為參考波長(λoff)。根據(jù)待測氣體對兩束激光的吸收程度不同,通過分析大氣后向散射信號的比值可反演出待測氣體濃度,其原理如圖1 所示。

圖1 (a)差分吸收激光雷達(dá)原理示意圖;(b)不同波長的大氣后向散射信號強(qiáng)度P(λoff,z)、P(λon,z)及待測氣體局部吸收譜線示意圖Fig.1 (a)Schematic diagram of the differential absorption lidar;(b)Illustrations of atmospheric backscattering intensities P(λoff,z)、P(λon,z)at different wavelengths and the absorption spectrum of the detected gas

脈沖式大氣激光雷達(dá)技術(shù)探測的大氣回波信號一般可表示為

式中:P(λ,z)是距離z處接收到的大氣后向散射信號,K是系統(tǒng)常數(shù),P0(λ)是激光器輸出功率,β(λ,z)和α(λ,z)分別是距離z處大氣總的后向散射系數(shù)和消光系數(shù)。DIAL 技術(shù)交替發(fā)射兩束波長不同的激光,接收到的大氣回波信號分別記為P(λon,z)和P(λoff,z)。假設(shè)λon和λoff波長的大氣后向散射系數(shù)相同,消光系數(shù)也僅與待測氣體相關(guān),則待測氣體的濃度可表示為

式中:N(z)為待測氣體的濃度,Δσ 為差分吸收截面。如果激光器發(fā)射激光的譜線較寬,需要對以上公式進(jìn)行卷積修正[21]。從(2)式中不難看出,差分吸收截面越大,DIAL 技術(shù)的探測靈敏度越高,因此要盡量選擇差分吸收截面大的波長用于NO2濃度探測[19]。圖2 顯示了在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下NO2在紫外及可見波段的吸收截面。在433～493 nm 波段范圍內(nèi),NO2具有較大的差分吸收截面[22],最大差分吸收截面可達(dá)到4×10-19cm2·molecule-1,位于447 nm 附近,這也是NO2-DIAL 技術(shù)最常見的工作波段。此外,NO2氣體在中紅外波段具有較大的吸收截面,意大利國家委員會(huì)環(huán)境分析研究所[23]、南京信息工程大學(xué)等研究小組對中紅外波段的NO2-DIAL 技術(shù)的可行性進(jìn)行了分析與研究。南京信息工程大學(xué)研究小組利用光參量放大激光器產(chǎn)生3.4 μm 的脈沖光,并初步驗(yàn)證了中紅外NO2-DIAL 探測技術(shù)的可行性[24-27]。

然而,(2)式是假設(shè)大氣在λon和λoff波長處具有相同消光、散射系數(shù)的理想情況下成立的。在實(shí)際探測中,大氣對λon和λoff波長的大氣后向散射系數(shù)和消光系數(shù)不完全相同,尤其是在氣溶膠含量不均勻的環(huán)境中。研究表明,對于干擾氣體(如O3、CHOCHO 等)引起的差分吸收,差分吸收截面的溫度依賴性以及氣溶膠引起的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)會(huì)對NO2濃度測量造成影響[28-30]。考慮到這些誤差因素,(2)式可進(jìn)一步修正為

式中:εβ是氣溶膠后向散射系數(shù)修正項(xiàng),εa是氣溶膠消光系數(shù)修正項(xiàng),αa(λ,z)是氣溶膠消光系數(shù);εm是干擾氣體修正項(xiàng),Δσm(λ)是干擾氣體差分吸收截面,Nm(z)是干擾氣體濃度。干擾氣體中影響最大的是CHOCHO,其對NO2測量造成的影響與其相對含量相關(guān),當(dāng)CHOCHO 含量與NO2含量相比擬時(shí)需要考慮CHOCHO 的差分吸收引起的測量誤差。氣溶膠消光和后向散射造成的誤差受到不同天氣狀況的影響,因而需要在具體情況下分析。此外,在HITRAN 等數(shù)據(jù)庫中,僅能獲得少數(shù)溫度下的NO2吸收截面數(shù)據(jù),因此無法計(jì)算所有測量溫度下的NO2差分吸收截面。當(dāng)環(huán)境溫度與用來反演的NO2吸收截面的測量溫度不一致時(shí),將會(huì)引起測量誤差。研究發(fā)現(xiàn),利用220、240、294 K 的NO2吸收截面以線性擬合的方法可模擬不同溫度下的NO2吸收截面,利用模擬得到的NO2吸收截面反演NO2濃度可有效降低測量誤差[30]。在實(shí)際測量中,λon和λoff波長激光的延遲測量也可能造成測量誤差。Staehr 等[31]研究發(fā)現(xiàn)大氣的凍結(jié)時(shí)間只有1～3 ms,因此最佳的波長調(diào)制間隔應(yīng)小于1 ms,以實(shí)現(xiàn)同時(shí)或準(zhǔn)同時(shí)測量。然而,為了獲得更高的信噪比,大多數(shù)DIAL 技術(shù)采用低重復(fù)頻率(10～20 Hz)、高脈沖能量(mJ 量級)的可調(diào)諧激光光源。

2 大氣NO2 探測DIAL 研究進(jìn)展

2.1 NO2-DIAL 技術(shù)早期探索階段

20 世紀(jì)70 年代,德國科隆大學(xué)Rothe 等[12]首次報(bào)道了可測量大氣NO2濃度的DIAL 技術(shù),并搭建了閃光燈泵浦的可調(diào)諧染料激光器作為DIAL 系統(tǒng)光源,激光脈沖能量約1 mJ,脈沖寬度300 ns,脈沖重復(fù)頻率1 Hz。該課題組在461～468 nm 波長范圍內(nèi)選擇了5 個(gè)波長進(jìn)行夜間大氣測量,通過最小二乘法對差分吸收信號進(jìn)行擬合,得到4 km 內(nèi)NO2的平均濃度為376 μg/m3,實(shí)現(xiàn)了對大氣NO2濃度的定量測量。隨后,為了進(jìn)一步研究局部排放源的污染氣體濃度空間分布,Rothe 等[32]利用該方法檢測了煙囪煙羽內(nèi)和化工廠區(qū)域內(nèi)的NO2濃度,測量結(jié)果與工廠直接檢測結(jié)果具有較好的一致性。同年,美國斯坦福研究所Grant 等[33]使用脈沖能量4～8 mJ、脈沖寬度250 ns 的可調(diào)諧染料激光器作為光源,利用441.8(λoff)～444.8 nm(λon)和446.5(λoff)～448.1 nm(λon)兩組差分吸收波長對在夜間對比檢測365 m 處的樣品室內(nèi)NO2濃度。通過和現(xiàn)場觀測值比對,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)波長對檢測結(jié)果相似,系統(tǒng)檢測不確定度為94 μg/m3/km(1 km 吸收程時(shí),探測靈敏度為94 μg/m3)。

1975 年,日本無線電研究室Inamata 等[34]開發(fā)了一種利用紅寶石激光器二次諧波泵浦雙波長染料激光器的光源,實(shí)現(xiàn)了雙波長同時(shí)輸出。同時(shí)利用高分辨光譜儀對λon和λoff波長的大氣回波信號進(jìn)行分離,實(shí)現(xiàn)了大氣回波信號的同時(shí)探測,具有消除大氣變化影響的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)在每個(gè)波長處平均20 次,NO2濃度測量的不確定度為18.8 μg/m3/km,空間分辨率為100 m。

1976 年,日本東京芝浦電氣研發(fā)中心Tsuji 等[35]研制了一款高重復(fù)頻率(75 Hz)、具有特殊激光諧振腔結(jié)構(gòu)的DIAL 系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氮分子激光器泵浦染料激光器作為光源,由旋轉(zhuǎn)棱鏡組和衍射光柵組成的特殊激光諧振腔調(diào)節(jié)發(fā)射波長,交替發(fā)出463.1 nm(λon)和465.8 nm(λoff)的探測波長。在2 km 范圍內(nèi),NO2測量精度為9.4 μg/m3。然而,由于受到激光器輸出功率、脈沖寬度、穩(wěn)定性等因素的限制,系統(tǒng)的探測靈敏度普遍不高,因此早期的研究工作主要集中在NO2-DIAL 探測方法的原理和可行性論證上。

2.2 NO2-DIAL技術(shù)快速發(fā)展階段

20 世紀(jì)80 年代以來,激光器技術(shù)日益成熟,Nd:YAG 激光器和準(zhǔn)分子激光器等被廣泛應(yīng)用于泵浦染料激光器,從而極大地提高了染料激光器的輸出能量和穩(wěn)定性等。借助這一契機(jī),NO2-DIAL 技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。

1981 年,瑞典隆德大學(xué)Sune Svanberg 教授課題組[36]研制了一種車載式DIAL 系統(tǒng),該系統(tǒng)使用Nd:YAG 激光器泵浦染料激光器作為光源,通過調(diào)節(jié)激光器光柵角度實(shí)現(xiàn)波長的快速切換。當(dāng)光柵的調(diào)諧角度位于預(yù)設(shè)位置時(shí)便會(huì)發(fā)射相應(yīng)波長的激光,輸出激光波長分別為446.1 nm(λoff)和448.5 nm(λon),單脈沖能量2 mJ,脈沖重復(fù)頻率10 Hz,進(jìn)行1050 次脈沖平均,其探測性能相比于早期工作大幅提升。隨后,該課題組對系統(tǒng)的誤差和測量精度進(jìn)行了深入分析,得到系統(tǒng)測量精度在8%以內(nèi)[37]。

1985 年,德國物理研究所Staehr 等[31]分析了影響差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)性能的多種因素,通過使用優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)、測試程序和數(shù)據(jù)評估算法的方法,提高了系統(tǒng)最遠(yuǎn)可探測距離和檢測靈敏度。

1989 年,瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院W¨oste 課題組[38]利用準(zhǔn)分子激光器泵浦兩臺(tái)染料(香豆素)激光器從而分別實(shí)現(xiàn)λon(448.1 nm)和λoff(453.6 nm)波長的激光輸出,激光脈沖的輸出能量大約為30 mJ。該系統(tǒng)在1 km 氣體吸收程下的探測靈敏度大約為1.88 μg/m3。此外,利用NO2的450 nm 吸收帶和NO 的227 nm 吸收帶之間的倍頻關(guān)系,通過BBO 晶體實(shí)現(xiàn)了對大氣中NO 和NO2濃度的同時(shí)測量。

經(jīng)過80 年代的技術(shù)發(fā)展和研究人員的努力,基于可調(diào)諧染料激光器技術(shù)方案的NO2-DIAL 技術(shù)逐漸建立起來。然而,染料激光器中使用的香豆素染料轉(zhuǎn)換效率低(＜10%)、壽命短的問題日益突顯,頻繁的染料更換及光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)成為制約NO2-DIAL 技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。

2.3 NO2-DIAL 技術(shù)可調(diào)諧光源的探索

為了克服香豆素染料的低轉(zhuǎn)換效率和短壽命問題,1996 年,日本千葉大學(xué)Takeuchi 等[39]提出使用可調(diào)諧摻鈦藍(lán)寶石(Ti:Al2O3)激光器代替香豆素染料激光器,利用Nd:YAG 激光器二次諧波(532 nm)泵浦摻鈦藍(lán)寶石激光器發(fā)出的760～790 nm 激光與第二個(gè)Nd:YAG 激光器發(fā)出的1064 nm 激光,在KDP 晶體內(nèi)和頻生成450 nm 藍(lán)光,原理如圖3 所示。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)諧振腔鏡來實(shí)現(xiàn)波長切換,λon和λoff波長分別為447.9 nm 和447.2 nm,單脈沖能量為3 mJ。Takeuchi 等利用該系統(tǒng)測量了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NO2排放,在空間分辨率為12 m 的條件下實(shí)現(xiàn)了376 μg/m3的檢測限。雖然該系統(tǒng)采用全固態(tài)激光器避免了頻繁更換染料的問題,但是對相位匹配角的要求較高,而且需要使用兩臺(tái)Nd:YAG 激光器。

圖3 基于可調(diào)諧固態(tài)摻鈦藍(lán)寶石激光器的DIAL 系統(tǒng)波長產(chǎn)生原理Fig.3 Principle of wavelength generation in the DIAL system based on the tunable solid-state Ti:sapphire laser

2002、2004 年,日本中央電力工業(yè)研究院的Nayuki 等[40,41]利用Nd:YAG 激光器的二次諧波532 nm泵浦染料(羅丹明)激光器產(chǎn)生780 nm 激光輸出,并與Nd:YAG 激光器的1064 nm 基頻光在KDP 晶體中和頻產(chǎn)生450 nm 藍(lán)光。激光器工作波長為448.2 nm(λon)和446.8 nm(λoff),單脈沖能量達(dá)到22 mJ。該系統(tǒng)在1 km 處測得的NO2濃度在18.8～94 μg/m3,夜間測量誤差±13.2 μg/m3,空間分辨率75 m。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)染料激光器系統(tǒng)中使用的香豆素染料相比,羅丹明染料激光器具有更長的壽命,總的輸出能量提高了兩倍,能量衰減速率下降了56 倍,輸出穩(wěn)定性和總轉(zhuǎn)化效率顯著提高。

2002 年,Gimmestad 等[42]為了使激光波長低于400 nm 從而符合人眼安全標(biāo)準(zhǔn),利用Nd:YAG 激光器的三次諧波(355 nm)泵浦兩臺(tái)光參量放大(OPO)激光器產(chǎn)生520 nm 和518 nm 激光脈沖,并與1064 nm 激光混頻,從而交替產(chǎn)生348.4 nm(λon)和349.7 nm(λoff)的波長。該系統(tǒng)在300 s 的積分時(shí)間、2.5 km 的測量范圍內(nèi),測量精度為9.4 μg/m3,距離分辨率為250 m。

2003 年,中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所Hu 等[43]提出使用Nd:YAG 三次諧波泵浦D2和CH4拉曼池,利用拉曼頻移的方法產(chǎn)生395.6 nm(λon)和396.82 nm(λoff)激光,激光光源的工作原理如圖4 所示。該系統(tǒng)的測量距離為0.4～1.2 km,空間分辨率120 m,夜間測量誤差小于18.8 μg/m3。另外,該課題組[44-47]研制完成了車載測污激光雷達(dá)(AML-1),實(shí)現(xiàn)了氣溶膠、SO2、NO2和O3的探測。該系統(tǒng)使用閃光燈泵浦鈦藍(lán)寶石激光器作為光源,通過SHG/THG 技術(shù)調(diào)節(jié)輸出波長。系統(tǒng)用于NO2檢測的激光波長為398.3 nm(λon)和397.0 nm(λoff),脈沖能量2 mJ,脈沖寬度30 ns;該系統(tǒng)可進(jìn)行晝夜觀測,測量范圍可達(dá)4 km,最高探測靈敏度達(dá)到41 μg/m3,檢測時(shí)間5 min?；谠摷夹g(shù)方案,Du 等[48]研制了AML-2 車載測污激光雷達(dá),光源采用激光抽運(yùn)拉曼頻移激光器,用于合肥、北京等地NO2濃度分布探測。

圖4 基于拉曼位移波長的差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)波長產(chǎn)生原理Fig.4 Principle of wavelength generation in the DIAL system based on Raman shift wavelength

國內(nèi)外學(xué)者探索了不同技術(shù)方案的可調(diào)諧脈沖光源并應(yīng)用于NO2-DIAL 探測技術(shù)研究,同時(shí)取得了優(yōu)異的探測性能。然而,這些激光光源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往過于復(fù)雜,長時(shí)間工作的穩(wěn)定性還有待近一步論證,因此距實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。

2.4 脈沖式NO2-DIAL 技術(shù)的初步應(yīng)用

隨著染料激光器輸出功率、線寬等性能指標(biāo)的逐漸改善,更換染料的流程日益簡化,相對而言較為簡單、成熟的Nd:YAG 激光器泵浦的染料(香豆素)激光器又逐漸被NO2-DIAL 技術(shù)領(lǐng)域的國內(nèi)外專家所青睞。大約2005 年以來,基于該技術(shù)方案的NO2-DIAL 系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)和大氣污染探測等方面,并與SO2、O3等DIAL 系統(tǒng)集成,從而實(shí)現(xiàn)多種污染氣體的一體化探測。

韓國原子能研究所(KAERI)一直致力于移動(dòng)掃描式DIAL 系統(tǒng)的開發(fā)。2006 年,Choi 等[49]提出使用Nd:YAG 激光器泵浦雙波長染料激光器同時(shí)測量SO2,NO2和O3的大氣含量。該系統(tǒng)用于探測NO2濃度時(shí)使用的波長分別為448.1 nm(λon)和446.8 nm(λoff),脈沖重復(fù)頻率30 Hz,測量距離1 km,檢出限18.8 μg/m3,時(shí)間分辨率2 min。

2009 年,荷蘭公共健康與環(huán)境國家研究所的Volten 教授等[50]研制了一臺(tái)車載掃描式NO2-DIAL 系統(tǒng),用于星載OMI 和SCIAMACHY 測量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,測量范圍0.3～2.5 km,通過斜程掃描測量的方式實(shí)現(xiàn)了大氣背景NO2垂直分布廓線探測,其探測精度可達(dá)到0.94 μg/m3/km。

2016 年,Hu 等[5,51]利用兩臺(tái)Nd:YAG 激光器(1064 nm)依次經(jīng)過二倍頻和三倍頻晶體,產(chǎn)生532 nm和355 nm 的激光分別泵浦四臺(tái)染料激光器,由此實(shí)現(xiàn)NO2和SO2濃度的同時(shí)探測。激光器工作原理如圖5 所示,其中NO2差分吸收波長為448.1 nm(λon)和446.8 nm(λoff),單脈沖能量約10 mJ。通過采用大口徑望遠(yuǎn)鏡(350 mm)及長積分時(shí)間(30 min),在空間分辨率為15 m 的測量條件下,NO2夜間測量精度可達(dá)到9.4 μg/m3量級,有效距離達(dá)3 km[52]。

圖5 基于雙Nd:YAG 泵浦染料激光器的DIAL 系統(tǒng)的激光產(chǎn)生原理Fig.5 Principle of wavelength generation in the DIAL system based on the dye lasers pumped by dual Nd:YAG

2017 年,Liu 等[53]提出了一種三波長NO2-DIAL 技術(shù),三個(gè)波長為448.10、447.20、446.60 nm,分別對應(yīng)于NO2的強(qiáng)吸收、中等吸收以及弱吸收,相比于雙波長探測技術(shù),三波長DIAL 技術(shù)有利于減小氣溶膠的影響。

目前,基于Nd:YAG 激光器泵浦香豆素染料激光器逐漸成為NO2-DIAL 技術(shù)的主流光源方案。然而,香豆素染料壽命短的問題仍然沒有解決,由于355 nm 激光對香豆素染料的漂白作用,激光輸出能量迅速降低,極大地降低了系統(tǒng)的探測性能(靈敏度、測量距離等)。因此,在實(shí)驗(yàn)過程中需要頻繁更換染料(24 h),并由專業(yè)人員維護(hù),難以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定測量。此外,高能量的脈沖光源遠(yuǎn)距離探測優(yōu)異,但是近距離的強(qiáng)回波造成探測器飽和以及幾何重疊因子等問題,使得難以探測近距離NO2濃度,現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中,大多只能測量300 m 及以上距離的NO2濃度。

2.5 基于成像原理的連續(xù)波NO2-DIAL 技術(shù)

2017 年,大連理工大學(xué)課題組[54]提出了一種以高功率二極管激光器作為可調(diào)諧光源的連續(xù)波差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)方案(CW-DIAL)。不同于傳統(tǒng)脈沖式大氣激光雷達(dá)技術(shù)的時(shí)間分辨探測原理,該技術(shù)以沙氏成像原理為基礎(chǔ),以強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)光作為系統(tǒng)發(fā)射光源,利用傾斜放置的CCD/CMOS 圖像傳感器探測大氣后向散射光。如圖6(a)所示,根據(jù)沙氏成像原理,如果圖像傳感器所在像面、發(fā)射激光光束所在物面、以及接收望遠(yuǎn)鏡光軸所在平面三者相交,可利用大口徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對發(fā)射激光光束的長距離清晰成像,不同像素對應(yīng)不同測量距離,從而以角度分辨的方式獲得距離分辨的大氣后向散射信號。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示,通過控制二極管激光器的工作電流實(shí)現(xiàn)λon和λoff波長的快速調(diào)諧,并利用高分辨率光譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)射波長。為了實(shí)時(shí)扣除背景信號,激光器的工作時(shí)序一般為:激光器關(guān)閉、λon波長激光、λoff波長激光。大氣后向散射信號由口徑為20 cm 的牛頓望遠(yuǎn)鏡和45°傾斜放置的圖像傳感器接收。圖像傳感器上不同的像素對應(yīng)著不同位置處的大氣后向散射信號,通過像素-距離轉(zhuǎn)換,最終可獲得λon和λoff波長的大氣回波信號。根據(jù)幾何光學(xué)基本原理和大氣激光雷達(dá)測量原理,所得到的大氣回波信號不隨距離的平方衰減,可表示為

圖6 (a)沙氏成像原理示意圖;(b)NO2-DIAL系統(tǒng)原理示意圖Fig.6 (a)Schematic diagram of Scheimpflug imaging;(b)Schematic diagram of NO2-DIAL system

由于多模二極管激光器的光譜較寬,一般需要對大氣激光雷達(dá)方程進(jìn)行卷積修正。在弱吸收條件下,修正后的濃度與(2)式類似,不過此時(shí)的差分吸收截面需要考慮激光器發(fā)射光譜的影響,因此也稱為有效差分吸收截面,具體表達(dá)式為

式中:gλon(λ)、gλoff(λ)分別表示中心波長為λon、λoff時(shí)二極管激光器的歸一化譜線線型。

近年來,大連理工大學(xué)研究小組研發(fā)了一套適用于戶外工作的NO2-DIAL 系統(tǒng)[55]。由于采用二極管激光器作為光源,該系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),其以450 nm 多模二極管激光器作為光源,其中λon、λoff波長分別為448.6 nm、452.1 nm。通過CCD 相機(jī)可分別探測λon和λoff波長的大氣回波信號。經(jīng)過一定時(shí)間的信號平均后,在夜間測量時(shí)激光雷達(dá)信號的噪聲主要由光子響應(yīng)不均勻性噪聲決定,該噪聲的大小也決定了NO2測量的統(tǒng)計(jì)誤差。根據(jù)DIAL 的基本理論,可利用最小二乘法擬合某一段距離內(nèi)的差分吸收信號(對數(shù)),并從擬合曲線的斜率獲取NO2的濃度,同時(shí)可從擬合結(jié)果的不確定度中得到NO2測量結(jié)果的不確定度,即為NO2的探測靈敏度。測量結(jié)果表明系統(tǒng)的測量范圍可達(dá)到2～3 km,在夜間測量條件下15 min 信號平均后探測靈敏度約1.88 μg/m3/km。

2.6 NO2-DIAL 發(fā)展歷程總結(jié)

經(jīng)過多年發(fā)展,NO2-DIAL 技術(shù)已逐漸成熟并用于大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,其主要發(fā)展歷程如表1 所示。

表1 NO2-DIAL 代表性研究進(jìn)展Table 1 Representative research progress of NO2-DIAL

3 NO2-DIAL 技術(shù)總結(jié)與展望

NO2-DIAL 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大氣NO2濃度分布的有效探測,在大氣NO2污染監(jiān)測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前,NO2-DIAL 技術(shù)主要分為兩種不同的技術(shù)路線,以飛行時(shí)間原理為基礎(chǔ)的脈沖式DIAL 技術(shù)和以成像原理為基礎(chǔ)的連續(xù)波DIAL 技術(shù)。在工作波長方面,主要包括450 nm 的藍(lán)光波段和3.4 μm 的中紅外波段。在脈沖式NO2-DIAL 技術(shù)中,窄線寬、高脈沖能量、穩(wěn)定可靠的可調(diào)諧激光光源始終是核心問題,也是國內(nèi)外學(xué)者長期以來研究的重要方向。目前,基于Nd:YAG 激光器泵浦染料(香豆素)激光器的方案成為可見光波段脈沖式NO2-DIAL 技術(shù)的主流方案?；谠摲桨傅腘O2-DIAL 技術(shù)測量范圍一般在2～3 km,探測靈敏度在夜間可達(dá)到1.88 μg/m3/km 量級甚至更高。相比而言,日間探測因受太陽背景信號影響,信噪比偏低,鮮有探測靈敏度的相關(guān)報(bào)道。另一方面,香豆素染料轉(zhuǎn)化效率低、壽命短、需要頻繁更換的問題并沒有從根本上得到解決,導(dǎo)致基于染料(香豆素)激光器的技術(shù)方案在實(shí)際應(yīng)用中面臨重大挑戰(zhàn)?；?.4 μm 光參量振蕩激光器的中紅外NO2-DIAL 技術(shù)方案可突破染料激光器的不足,但3.4 μm 的大氣后向散射效率相對于450 nm 波段要低2、3 個(gè)數(shù)量級,激光器輸出功率有限,其探測性能還需進(jìn)一步深入研究。因此,研制結(jié)構(gòu)相對簡單,并可長時(shí)間連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的高性能可調(diào)諧激光光源依然是脈沖式NO2-DIAL 技術(shù)未來研究的重要方向。

以高功率二極管激光器作為可調(diào)諧光源的連續(xù)波DIAL 技術(shù)的出現(xiàn)為NO2-DIAL 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的思路。由于采用高功率(1.6～3.5 W)多模二極管激光器作為光源,連續(xù)波NO2-DIAL 技術(shù)破解了脈沖式NO2-DIAL 技術(shù)在光源研制方面的重大難題,極大地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本,提高了穩(wěn)定性。連續(xù)波NO2-DIAL 技術(shù)在夜間測量時(shí)探測靈敏度可達(dá)到1.88 μg/m3/km 量級,展現(xiàn)了在實(shí)際應(yīng)用方面的重要潛力。然而,采用高功率二極管激光器雖然具有眾多優(yōu)點(diǎn),但在大氣回波信號高信噪比探測、寬譜差分吸收分析等方面也帶來了一定的挑戰(zhàn),這將是該技術(shù)方案下一步研究的重點(diǎn)。