基于CW-QCL的長(zhǎng)光程溫室氣體高靈敏檢測(cè)方法研究.pdf

1、復(fù)雜生態(tài)環(huán)境溫室氣體不同空間、時(shí)間尺度的濃度監(jiān)測(cè)是了解溫室氣體源與匯的基礎(chǔ)。目前適應(yīng)生態(tài)環(huán)境溫室氣體長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段仍有待研究?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)是一種非侵入式光譜測(cè)量技術(shù)，具有高選擇、高靈敏度、高分辨等特點(diǎn)，與目前新興的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)分子“基頻”吸收

2、光譜測(cè)量，進(jìn)一步提高檢測(cè)靈敏度，達(dá)到溫室氣體區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)需求。本文深入研究了長(zhǎng)光程開(kāi)放光路的中紅外波長(zhǎng)調(diào)制TDLAS技術(shù)，設(shè)計(jì)并集成了一套長(zhǎng)光程CH4和N2O連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了多組分氣體交叉干擾下的光譜反演算法，實(shí)現(xiàn)多種溫室氣體高精度快速連續(xù)監(jiān)測(cè)。
　　本文選擇了大氣中兩大主要溫室氣體CH4和N2O作為目標(biāo)氣體，利用HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)實(shí)際大氣環(huán)境進(jìn)行了吸收譜線(xiàn)的模擬與分析，選取了1275cm-1附近CH4和N2O的相鄰吸收譜線(xiàn)

3、，實(shí)現(xiàn)了單激光器雙組分測(cè)量。研究了1275cm-1波段的CW-QCL激光器的調(diào)制特性，并結(jié)合實(shí)際測(cè)量環(huán)境對(duì)調(diào)制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在系統(tǒng)光機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用二向色鏡解決了紅外長(zhǎng)光程（公里量級(jí)）多光束同軸耦合的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了反射式離軸激光準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)及基于離軸拋物面鏡的開(kāi)放光路收發(fā)一體光機(jī)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)公里量級(jí)的長(zhǎng)光程開(kāi)放光路監(jiān)測(cè)。
　　本文深入研究了基于標(biāo)定與免標(biāo)定的多組分光譜-濃度反演算法?；跇?biāo)定方法，首先提出了基于標(biāo)定的多元線(xiàn)性擬合的

4、WMS(Wavelength ModulationSpectroscopy)多組分反演方法，利用該方法實(shí)現(xiàn)了CH4和N2O濃度準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量誤差均小于5％，驗(yàn)證了該消除交叉干擾方法的可行性。在WMS免標(biāo)定擬合算法中，通過(guò)模擬的方法并結(jié)合實(shí)際測(cè)量的激光器頻率和強(qiáng)度響應(yīng)，細(xì)致的研究了激光器的非線(xiàn)性頻率響應(yīng)與強(qiáng)度非線(xiàn)性響應(yīng)對(duì)諧波信號(hào)的影響。將測(cè)量的無(wú)吸收光強(qiáng)信號(hào)與準(zhǔn)確的激光器頻率響應(yīng)模型相結(jié)合，優(yōu)化了基于吸收線(xiàn)型的免標(biāo)定濃度反演模型，采用無(wú)吸

5、收的光強(qiáng)信號(hào)即避免了原有算法模型中非常規(guī)強(qiáng)度響應(yīng)情況下（尤其非線(xiàn)性響應(yīng)顯著）準(zhǔn)確的強(qiáng)度解析模型的建立問(wèn)題，包含了所有的光強(qiáng)信息（非線(xiàn)性響應(yīng)特性、寄生的無(wú)法消除的干涉噪聲、背景吸收特征等）;采用包含一階和二階頻率響應(yīng)項(xiàng)及其時(shí)間依賴(lài)系數(shù)的激光器頻率響應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)了v(t)的準(zhǔn)確測(cè)量，解決了原有常規(guī)激光器頻率響應(yīng)模型的應(yīng)用局限問(wèn)題，使該算法模型適于非線(xiàn)性顯著或非常規(guī)強(qiáng)度響應(yīng)情況，更具普適性。以CH4為例，對(duì)該免標(biāo)定方法進(jìn)行了很好的驗(yàn)證，在濃度

6、為60～1200ppm*m(A～0.029～0.57cm-1)范圍內(nèi)，WMS免標(biāo)定擬合殘差均小于2％，反演濃度線(xiàn)性度達(dá)到0.99996。
　　在測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與濃度反演算法的研究基礎(chǔ)上，測(cè)試與分析了該測(cè)量系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、線(xiàn)性度及檢測(cè)限等性能指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)完全滿(mǎn)足環(huán)境大氣CH4和N2O同時(shí)在線(xiàn)測(cè)量的需求。利用該測(cè)量系統(tǒng)，在合肥科學(xué)島進(jìn)行了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境大氣CH4和N2O的連續(xù)高靈敏監(jiān)測(cè)（光程690m），為不同生態(tài)環(huán)