基于TDLAS技術(shù)開展大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的研究分析

莊 輝

（棗莊市市中生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 棗莊 277101）

1 大氣質(zhì)量監(jiān)測以及TDLAS技術(shù)簡述

1.1 大氣質(zhì)量檢監(jiān)測

大氣污染主要是由固定污染源、流動污染源在區(qū)域內(nèi)共同進行排放，并通過不同途徑進行擴散而形成，同時隨著時間的推移，大氣污染會受到氣候、季節(jié)、環(huán)境狀態(tài)以及地形等各種因素的影響，導(dǎo)致污染范圍和污染程度隨之發(fā)生改變。為能夠準確掌握大氣污染現(xiàn)狀、變化規(guī)律以及發(fā)展趨勢，需要針對大氣污染情況使用各類技術(shù)進行長期監(jiān)測，連續(xù)獲取污染數(shù)據(jù)和信息，為大氣污染相關(guān)管理部門提供污染濃度變化曲線，結(jié)合污染狀態(tài)、污染片數(shù)以及濃度變化特征，來分析影響大氣質(zhì)量和安全的各項因素，為大氣質(zhì)量評估提供基礎(chǔ)核心數(shù)據(jù)。據(jù)調(diào)查，截至2020年山東棗莊市大氣環(huán)境總體呈上升趨勢，當期PM2.5、PM10的實際濃度分別為54 μg/m3、93 μg/m3，環(huán)境狀態(tài)與2015年相比明顯改善38%-41.5%，全年優(yōu)良天數(shù)占比達到63.4%，重度污染降低到7天，棗莊市大氣環(huán)境質(zhì)量改善效果位居全省第一位。

1.2 TDLAS技術(shù)簡述

1.2.1 TDLAS技術(shù)優(yōu)勢

TDLAS技術(shù)的關(guān)鍵和重要的部件就是可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，在這一部件當中注入一定量的電流，部件波長、窄寬線會出現(xiàn)一定變化，結(jié)合這一變化特征實現(xiàn)對吸收線的監(jiān)測和分辨，這一技術(shù)也正是憑借這種優(yōu)勢被大量使用到大氣環(huán)境監(jiān)測當中。其具有的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面[1]：第一，這一技術(shù)具有靈敏度高的特點，在保證靈敏度的基礎(chǔ)上可針對時間分辨率進行準確的管控，讓精準度可以一直保持在毫秒量級當中；第二，這一技術(shù)能夠充分針對多組分進行監(jiān)測，并且分辨率以及選擇性較高，能夠充分避免監(jiān)測中受到其他氣體的干擾或者限制，相對于現(xiàn)有的其他方法，其技術(shù)優(yōu)勢和使用價值非常顯著；第三，使用該技術(shù)時可以針對測量結(jié)構(gòu)進行自動化糾正，防止監(jiān)測結(jié)果受到外部壓力、環(huán)境溫度等各種變化因素的影響；第四，技術(shù)采取的儀器并沒有配置運動元件，可靠性非常優(yōu)異，維護較為簡便；第五，測試儀器內(nèi)部會設(shè)置相應(yīng)標定腔，在監(jiān)測大氣環(huán)境中，儀器可以自動標定污染物，并不需要有關(guān)人員手動展開操作和管理。

1.2.2 TDLAS技術(shù)原理

TDLAS技術(shù)又被稱為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，屬于一種新興、高質(zhì)量的光譜吸收技術(shù)，其充分繼承了已有的吸收光譜技術(shù)的優(yōu)點，采取可調(diào)諧半導(dǎo)體當作發(fā)射光源?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光線與傳統(tǒng)光源相比光線寬較小，頻率與波長可小范圍進行，避免被監(jiān)測物體中其他氣體對監(jiān)測產(chǎn)生干擾。TDLAS技術(shù)能充分分析光被氣體選擇吸收的情況，監(jiān)測氣體的濃度，發(fā)射一束光照射并通過待監(jiān)測氣體，并用儀器另一端接收光線，發(fā)射器和接收器之間的距離對光程組合起著決定性作用，測量原理以比爾定律為主，主要就是A（λ）=σ（λ）CL.其中，A（λ）表示吸收率（λ），CL則為乘積，公式的概念為吸收率與光程濃度、長度之間的乘積成比例，比例當中的常數(shù)主要就是分子吸收數(shù)σ（λ），不同分子特征各不相同，因此可以利用這一技術(shù)來觀察吸收率，從而監(jiān)測吸收分子實際濃度[2]。

2 TDLAS技術(shù)監(jiān)測方法

從信號等因素上可以將TDLAS劃分成為三種監(jiān)測方法，分別為直接吸收法、波長調(diào)制法、頻率調(diào)制法以及其他新型方法，本文主要針對這三種方法進行分析。

2.1 直接吸收光譜

通過不同變化輸出激光的波長，來掃描目標氣體中的吸收譜線，之后利用信號平均儀器將掃描獲取的各項數(shù)據(jù)進行整合獲取平均值，以此來得到平均的譜線，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可防止在使用固定波長時產(chǎn)生的系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差帶來的不利影響，包括RAM（Residual Amplitude Modulation）、吸收鄰近譜線等影響。事實上，直接吸收光譜技術(shù)主要就是利用光強的改變來分析被測氣體的實際濃度，若是氣體對于入射光具備的吸收能力較少，則透光性就比較強。若光強實際變化比較小，則很容易受到背景噪聲的限制與影響，導(dǎo)致測量誤差。背景噪聲出現(xiàn)原因主要有激光強度存在起伏和吸收池內(nèi)部被測分子出現(xiàn)密度起伏，這也是直接吸收光技術(shù)存在的最明顯缺點。為全面抑制測量過程中背景噪聲問題，在直接吸收光譜技術(shù)的應(yīng)用過程中逐步研發(fā)了平衡波、掃描積分等各種測量方法。

2.1.1 平衡監(jiān)測

平衡監(jiān)測主要就是利用從分束器入射的激光當中合理分出一束成為參考光束，實現(xiàn)在大信號當中針對微小變化進行分辨的目的。若將充分透過吸收池所產(chǎn)生的光強、參考光束，同時加入自動平衡電路當中，自動平衡電路實際輸出信號將會與直流部分一同被扣除，留下的就是能夠全面反映吸收的微小改變某一部分，背景噪聲也可以得到抑制。

2.1.2 掃描積分

這一技術(shù)主要就是通過多次掃描平均信號，把信號當中的噪聲全面降到最低水平。在工作初始階段，鋸齒波或者其他各種波形的電流將會被疊加到激光儀器的驅(qū)動電流當中，而掃描電流的實際相位則會被信號平均器鎖定。檢查器所輸出的信號可以被逐步加入信號平均器當中，利用多次時間積分的形式將噪聲消除。要想保證掃描積分方式具備靈敏度較高的優(yōu)勢，最關(guān)鍵的內(nèi)容就是解決電流掃描中所引發(fā)的幅度調(diào)制問題，因為在信號當中因為幅度調(diào)制所形成的波動占到了約20%。并且由于受到特征吸收掃描速率的約束以及限制，在大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測過程中掃描積分技術(shù)所達到的靈敏程度將會低于現(xiàn)階段所流行的頻率調(diào)制以及波長調(diào)制技術(shù)，并且在信噪當中掃描積分技術(shù)是否可以超過其他技術(shù)，也有待進一步驗證與分析。不過從儀器造價以及整體設(shè)計需求層面考量，因為掃描積分技術(shù)的應(yīng)用并不需要使用鎖相放大器，可以讓TDLAS的總體積有效減少，儀器實際造價取決于信號處理線當中路板的價格。

2.2 波長調(diào)制光譜

由于采取直接吸收的方法會受到激光源、探測電路、光電探測器等各種因素的不利影響，因此研究人員便針對其進行創(chuàng)新從而形成了波長調(diào)制光譜技術(shù)，增強了光譜技術(shù)監(jiān)測的靈敏度。與傳統(tǒng)的直接吸收氣體監(jiān)測技術(shù)相比，波長調(diào)制光譜技術(shù)的優(yōu)勢在于監(jiān)測時會出現(xiàn)一個諧波信號，這一信號與氣體濃度成正比。技術(shù)實施方法，則將調(diào)制電流有效注入半導(dǎo)體激光儀器當中，設(shè)置激光器溫度以及各項驅(qū)動電流，結(jié)合調(diào)制電流管控輸出的激光頻率，將激光器波長與對應(yīng)待測氣體吸收線相協(xié)調(diào)，疊加在監(jiān)測儀器驅(qū)動電流當中的鋸齒波信號會利用輸出波長來進行掃描，并通過設(shè)立的氣體吸收線，將氣體介質(zhì)當中光強信號進行記錄，通過獲取的其他吸收信號得到吸收光譜，實現(xiàn)高頻調(diào)制。通過對其他光譜信號在二倍頻上展開相敏監(jiān)測，能夠精準獲取二次諧波信號，以此來提高監(jiān)測效果。由于監(jiān)測氣體的成分會充分與激光互相影響與作用，產(chǎn)生一定調(diào)制頻率信號，有關(guān)人員使用相敏電路能夠針對這些信號進行探測，使用價值較為優(yōu)異。

調(diào)制光譜的優(yōu)點是其能夠增強氣體濃度的監(jiān)測頻率和效率，只有落到中心監(jiān)測頻率的周圍或者附近，探測才可能會受到噪聲的影響，因此調(diào)制光譜技術(shù)的靈敏度更加優(yōu)異，能夠充分利用這一技術(shù)來監(jiān)測痕量氣體，把握氣體的變化規(guī)律。缺點是這一技術(shù)在使用時可能會受到激光器高頻量噪聲的影響和限制。

2.3 頻率調(diào)制光譜

頻率調(diào)制技術(shù)在1980年被正式提出，之后大量學(xué)者針對這一技術(shù)展開了研究和分析。采取頻率調(diào)制的一個關(guān)鍵因素，就是在合適的條件下使用大于吸收光譜線寬的頻率，其探測頻率相對較高，一般為數(shù)GHz，激光器產(chǎn)生的過量噪聲問題可以被忽視。因此，頻率調(diào)制技術(shù)能夠獲取更高的探測極限，更加深入地探測大氣環(huán)境，由于頻率非常高，系統(tǒng)相對復(fù)雜，這也使得這一技術(shù)對于探測能力有著較高要求。這一監(jiān)測技術(shù)憑借十分優(yōu)異監(jiān)測能力，被廣泛應(yīng)用在大氣環(huán)境監(jiān)測中，特別是在監(jiān)測大氣壓下其他組分時，需要利用這一技術(shù)來判斷大氣環(huán)境狀況。一般情況下，頻率調(diào)制光譜可以分為單頻調(diào)制和雙頻調(diào)制，其中單頻調(diào)制主要是利用單一的高頻調(diào)制技術(shù)實施調(diào)制。而在雙頻調(diào)制中則應(yīng)用兩個高頻頻率實施調(diào)制。不過需要了解的是，目前并沒有證據(jù)可以證明，TDLAS高頻調(diào)制儀器具備的帶寬靈敏度超過2×10-6，雖然現(xiàn)存的靈敏度遠遠超出波長調(diào)制光譜系統(tǒng)具備的靈敏度，靈敏度高出約5倍，但高頻調(diào)制系統(tǒng)對于光程要求更高，與波長調(diào)制光譜相比較低。所以對最低監(jiān)測濃度數(shù)值有著一定的約束。另外，部分研究表明，針對痕量大氣監(jiān)測應(yīng)用過程中可以接受的窄帶寬（0.1 Hz），高頻調(diào)制系統(tǒng)才會在波長調(diào)制光譜中具備優(yōu)勢。高頻調(diào)制方案，特別是單頻調(diào)制，其與波長調(diào)制相比成本更高，對于激光器實際性能有著較高要求，并且會涉及射頻提取等各種問題。

3 大氣環(huán)境監(jiān)測中TDLAS技術(shù)使用要點

3.1 監(jiān)測過程

在監(jiān)測大氣環(huán)境時，首先需要精準明確監(jiān)測氣體吸收譜線的位置頻率，其次選取激光二極管，明確發(fā)射范圍，設(shè)置一個最合適的溫度以此來了解激光頻率，之后在儀器當中注入低頻率的鋸齒電流，讓激光頻率充分、穩(wěn)定地掃描整條吸收譜線，結(jié)合譜線獲取“吸收光譜”信息數(shù)據(jù)。吸收光譜技術(shù)具有的單線特征，能夠避免待監(jiān)測氣體受到背景當中各種組分氣體的影響，增強監(jiān)測的精準性。

實際應(yīng)用TDLAS技術(shù)時，要保證光譜線頻率吸收位置的合理性?？上壤迷囼灅訖C來監(jiān)測不同體積的待監(jiān)測氣體，收集和整合探測器光功率、吸收光波峰信號二次諧波強度比值以及氣體體積和組分數(shù)據(jù)，形成一個數(shù)據(jù)表，并利用設(shè)備將這一表格中數(shù)據(jù)進行線性擬合等有效處理，以此來獲取探測器光功率、二次諧波吸收峰信號強度兩者之間的比值，以及分數(shù)、體積之間的關(guān)系式，結(jié)合試驗機計算出探測器具有的管理以及信號強度比值之后，將其導(dǎo)入到相關(guān)關(guān)系式當中，以此來獲取被監(jiān)測氣體的信息。

3.2 吸收光譜結(jié)構(gòu)

依據(jù)TDLAS技術(shù)的使用和工作原理，激光會將光路當中的光源劃分為三路，第一路會利用光纖直接進入到大氣監(jiān)測儀器內(nèi)部，通過觀察激光的強度來判斷激光監(jiān)測儀器光源的工作狀態(tài)和情況；第二路光源會充分經(jīng)過中央控制單元內(nèi)部的參比池（儀器名字），明確監(jiān)測系統(tǒng)的工作零點以及自標定；第3路會充分經(jīng)過光纜被傳輸?shù)桨l(fā)射單元的標直器當中，通過氣體管道內(nèi)部正在被監(jiān)測的氣體，被儀器內(nèi)部接收單元當中的紅外線監(jiān)測儀器接收，通過電光轉(zhuǎn)換的模塊將其轉(zhuǎn)換成為激光信號，之后再被傳送回中央系統(tǒng)當中，經(jīng)過后續(xù)各項處理和操作獲取氣體的濃度。

3.3 選擇譜線

TDLSA技術(shù)使用過程中，會采取可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的技術(shù)，這也使得譜線的選擇非常關(guān)鍵。需要在選擇譜線時結(jié)合以下原則開展。第一，針對測量要求選擇相對應(yīng)吸收譜線，既要保證譜線波長和TDL內(nèi)部中心波長相一致，又要保證與大氣探測儀器的響應(yīng)波長能夠互相適應(yīng)，譜線不可處于吸收多種氣體的交叉譜帶，否則極易造成譜線吸收價值受到交叉干擾，造成測量精準度嚴重降低；第二，選擇吸收譜線進行測量，不僅要確保譜線能夠與TDL波長要求相符合，還需要保證譜線不會與區(qū)域內(nèi)其他分子相互干擾出現(xiàn)交叉吸收的情況，只有這樣才可讓測量精準度不斷提升，滿足區(qū)域內(nèi)高質(zhì)量、高能力的大氣環(huán)境監(jiān)測要求。

3.4 改正調(diào)制方案

在波長調(diào)制光譜的TDLSA系統(tǒng)當中，針對二極管激光合理引入一個低頻波長調(diào)制，其調(diào)制幅度等于標準干涉條紋周期整數(shù)倍，可以讓干涉條紋逐步降低到零，實際層面與標準光程調(diào)制實際效益存在相似特征，因為除了吸收譜之外，還有因波長調(diào)制而引發(fā)的位移，當這一技術(shù)針對周期小于吸收線寬的各種條紋具有消除效果時，其實際調(diào)制幅度會使吸收線出現(xiàn)變形情況，降低峰高。因此，只有在頻率調(diào)制系統(tǒng)中運用此類技術(shù)，才可全面將更長周期條紋去除。在二次諧波監(jiān)測的波長調(diào)制系統(tǒng)當中可以發(fā)現(xiàn)，將正弦波調(diào)制全面改成三角波調(diào)制，可以讓吸收信號更加優(yōu)異。

3.5 監(jiān)測信號后期處理

后期處理主要包括針對解調(diào)器或者鎖相放大器當中輸出的信號實施模擬處理，或者對信號平均期所收集到的信號實施數(shù)字化處理。兩者都應(yīng)用了光學(xué)條紋具備的周期性優(yōu)勢。其中置于鎖相放大器中的各種簡單的低通濾波器可以有效讓精密間隔條紋降低，也可組織開展更加復(fù)雜的模擬濾波，其中實施數(shù)字式濾波效果將會更加優(yōu)異。在某些特定情況下，針對平均譜實施改進與變換，將變換之前的頻率分量，可以獲取十分優(yōu)異的質(zhì)量效果。此外，對于一個比較穩(wěn)定的系統(tǒng)，在零氣通入之后所監(jiān)測的背景譜具備與樣品譜相同的標準具條紋，將樣品譜徹底扣除這一背景譜會消除條紋。不過具體監(jiān)測中系統(tǒng)可能會受到熱偏移限制，在樣品譜、背景譜采集中，條紋可能會出現(xiàn)偏移問題，使得條紋難以被完全消除。因此，需要盡量將測量樣本譜和背景譜交替，才可獲取十分優(yōu)異的消除效果。在TDLAS系統(tǒng)的具體應(yīng)用當中，最常使用的就是背景扣除與其他各種形式的后期處理方式（例如數(shù)字信號處理）的有機組合。

4 結(jié)語

綜上所述，TDLSA在線監(jiān)測大氣濃度的儀器有著較為突出的使用價值，并不需要預(yù)先進行采樣，利用直接在線測量方式可以快速進行響應(yīng)，測量有著較高精準度，運轉(zhuǎn)成本以及測量價值等較為優(yōu)異，而且其可以高效測量大氣當中低濃度氣體和有毒氣體成分，如HF、甲醛等都可使用TDLSA可調(diào)諧二極管吸收光譜法進行監(jiān)測。隨著科技的發(fā)展，TDLSA技術(shù)越來越成熟，已經(jīng)逐漸成為監(jiān)測大氣污染指標、污染源以及室內(nèi)空氣的重要技術(shù)之一，對于大氣監(jiān)測影響較為深遠。