焦曉鋒，孫 鵬，管今哥，鄭永秋，薛晨陽(yáng)，程耀瑜*

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

近年來(lái)，隨著工業(yè)和交通的發(fā)展，大量的CO2氣體被排放，導(dǎo)致大氣中的CO2的濃度逐年增加，由此產(chǎn)生的“溫室效應(yīng)”越來(lái)越嚴(yán)重，也對(duì)全球的生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的影響。因此，能夠應(yīng)用于多狀態(tài)的大氣數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)愈發(fā)重要[1]。

目前，測(cè)量大氣中CO2濃度的方法一般是利用氣體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)的CO2氣體檢測(cè)方法包括電位電解方法、比色還原法和氣相色譜法等。這些檢測(cè)方法都可以歸結(jié)為非光譜分析法，其特征是直接與CO2氣體進(jìn)行接觸，具有價(jià)格低、測(cè)量原理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是這些方法采樣過(guò)程復(fù)雜，不具有實(shí)時(shí)性和智能性。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技術(shù)憑借著其靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣體濃度檢測(cè)等領(lǐng)域[2-3]。

本文主要介紹了TDLAS測(cè)量CO2氣體濃度的原理，重點(diǎn)介紹了直接吸收法與波長(zhǎng)調(diào)制法，隨后調(diào)研了近幾十年國(guó)內(nèi)外關(guān)于TDLAS測(cè)量氣體濃度的相關(guān)文獻(xiàn)，最后對(duì)TDLAS氣體濃度檢測(cè)的未來(lái)進(jìn)行了展望。

1 檢測(cè)原理

TDLAS技術(shù)的基本原理是Lambert-Beer[4](朗伯-比爾)定律，由于氣體具有選擇吸收性，當(dāng)半導(dǎo)體激光器射出的激光束穿過(guò)待測(cè)氣體后，激光束的能量隨之衰減，根據(jù)衰減的量便可得到氣體中所含的光譜信息[5]。由Lambert-Beer定律，設(shè)激光器的初始強(qiáng)度為I0，穿過(guò)氣體的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，穿過(guò)氣體后被吸收的能量為I，則I0與I之間的關(guān)系式為

I(ν)=I0exp[-α(ν)PCL]

(1)

式中:α(ν)為摩爾吸收系數(shù)，其單位為cm2·mol-1；P為氣體壓強(qiáng)，其單位為N/m3;C為氣體濃度，其單位為mg/m3；L為氣體吸收光程，其單位為cm。摩爾吸收系數(shù)α(V)的表達(dá)式為

α(ν)=S(T)f(ν-ν0)

(2)

式中:S(T)為吸收譜線強(qiáng)度，計(jì)算方法為

(3)

式中:T0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的參考溫度，通常選用296 K；Q(T)為CO2氣體分子的配分函數(shù)；h為普朗克常數(shù)；c為光速；ν0為吸收譜線的中心頻率；E″為分子低躍遷態(tài)時(shí)分子的能量；k為玻爾茲曼常數(shù)；該式中最后一部分為CO2氣體激勵(lì)輻射，測(cè)量大氣中的CO2濃度時(shí)可忽略不計(jì)，S(T0)和Q(T0)分別為參考溫度時(shí)的譜線強(qiáng)度和配分函數(shù)。為了計(jì)算方便，式中的每個(gè)參數(shù)都可從HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢得到[6]。

Lambert-Beer定律用來(lái)表征待測(cè)物體中最原始的光譜信息。目前，TDLAS測(cè)量技術(shù)中最常用的方法為直接吸收法和波長(zhǎng)調(diào)制法，根據(jù)其測(cè)量技術(shù)的不同，最后得到的數(shù)據(jù)精度也不同[7]。

1.1 直接吸收法

由Lambert-Beer定律可知，激光的原始光強(qiáng)信號(hào)和待測(cè)氣體經(jīng)過(guò)吸收后的光強(qiáng)信號(hào)相同。實(shí)驗(yàn)之前選定被測(cè)氣體的特征吸收譜線，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算出實(shí)際測(cè)量的譜線強(qiáng)度并選定好擬合線型函數(shù)，便可求出待測(cè)氣體濃度，這就是直接吸收法的測(cè)量方法。

實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)一定的技術(shù)手段，使得氣體吸收池內(nèi)的氣體濃度、溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)保持均勻分布。根據(jù)式(4)對(duì)吸收譜線進(jìn)行積分即可得到吸光度A。

(4)

線型函數(shù)反映了譜線的吸收系數(shù)隨頻率或波長(zhǎng)的分布情況，且線型函數(shù)在整個(gè)頻率域上積分結(jié)果為1，此時(shí)便可將其省略，消除線型函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[8]。

利用測(cè)量得到的吸收光譜信號(hào)可推導(dǎo)得到氣體濃度C的表達(dá)式，在知道氣體溫度、壓強(qiáng)和吸收池長(zhǎng)度的具體值后，將式(2)帶入式(1)，便可用式(5)計(jì)算氣體濃度。

(5)

1.2 波長(zhǎng)調(diào)制法

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的逐漸成熟與完善，激光器的調(diào)制性能也越來(lái)越好，人們逐漸發(fā)現(xiàn)激光調(diào)制技術(shù)可以提高TDLAS測(cè)量氣體的靈敏度。激光調(diào)制技術(shù)即通過(guò)半導(dǎo)體激光器對(duì)被測(cè)氣體施加調(diào)制信號(hào)，帶有調(diào)制信號(hào)的激光束穿過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，被測(cè)氣體會(huì)與激光信號(hào)分子相互作用產(chǎn)生吸收光譜。這樣就可以得到被測(cè)氣體的信息。與直接吸收法不同，波長(zhǎng)調(diào)制法中的吸收光譜包含了調(diào)制頻率與各次諧波的信號(hào)，后期需要使用一定的算法對(duì)其求解[9]。

波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)中用到的調(diào)制信號(hào)一般為低頻的鋸齒波信號(hào)和高頻的正弦波或者余弦波信號(hào)，鋸齒波信號(hào)的作用是對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行掃描，正弦波或者余弦波的作用是對(duì)掃描得到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將上述兩種信號(hào)用加法器進(jìn)行疊加，將疊加得到的信號(hào)施加到激光器上便可得到波長(zhǎng)調(diào)制的信號(hào)。設(shè)激光的中心頻率為ν0，正弦波的調(diào)制頻率為ωm(通常低于50 kHz)，調(diào)制幅度為B，則激光的瞬時(shí)頻率為

ν=ν0+Bcos(ωmt)

(6)

激光穿過(guò)待測(cè)氣體后，激光的光強(qiáng)可以根據(jù)Lambert-Beer定律計(jì)算出，而光強(qiáng)又可以分解為余弦傅里葉級(jí)數(shù)，所以式(1)可變?yōu)?/p>

(7)

式中:Hn為不同的諧波分量，當(dāng)n>0時(shí)，諧波分量的表達(dá)式為

exp[-α(ν0+Acos(ωmt))CL]d(ωmt)

(8)

在理想情況下，I0是一個(gè)常數(shù)，與頻率無(wú)關(guān)，在氣體吸收很小的情況下，即αCL<<1時(shí),設(shè)θ=ωmt，則式(8)可變?yōu)?/p>

(9)

在調(diào)制幅度遠(yuǎn)小于吸收線寬時(shí)，α(ν)通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)公式，則式(9)可以改寫為

(10)

從式(10)可以看出，諧波分量與激光的初始光強(qiáng)I0、待測(cè)氣體濃度C、光程長(zhǎng)度L和α(ν)的n次導(dǎo)數(shù)成正比,因此只要檢測(cè)出諧波信號(hào)，就可以推導(dǎo)出氣體濃度。

根據(jù)式(10)，任何一個(gè)諧波均可推導(dǎo)出氣體的濃度值。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，諧波信號(hào)的幅值會(huì)隨n的增加而逐漸減小，當(dāng)諧波幅值降低時(shí)，氣體信號(hào)不容易被檢測(cè)到，所以檢測(cè)靈敏度會(huì)降低。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)n=2時(shí)，更易于推導(dǎo)出待測(cè)氣體濃度[10]。由式(10),二次諧波信號(hào)的表達(dá)式為

(11)

1.3 比較分析

TDLAS技術(shù)是一種先進(jìn)的吸收光譜技術(shù)，短時(shí)間內(nèi)可獲得被測(cè)氣體完整的光譜信號(hào)，可以作為實(shí)時(shí)檢測(cè)大氣中CO2濃度的一種在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。而且其采用的可調(diào)諧激光二極管成本較低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在調(diào)制過(guò)程中能夠保持動(dòng)態(tài)單模輸出，是TDLAS測(cè)量系統(tǒng)中的理想激光光源。

直接吸收法和波長(zhǎng)調(diào)制法都是基于Lambert-Beer定律。直接吸收法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。只要測(cè)量氣體的吸收譜線，就可以直接得到氣體的濃度，無(wú)需對(duì)濃度進(jìn)行校準(zhǔn)，但該技術(shù)的缺點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度低，直接吸收法吸收的光譜信號(hào)與激光器本身的強(qiáng)度比在很多時(shí)候都可以忽略不計(jì)，所以用直接吸收法測(cè)量大氣中的CO2氣體時(shí)，如果設(shè)備的靈敏度不夠，直接吸收法此時(shí)就會(huì)失效，且用直接吸收法測(cè)量得到的吸收光譜信號(hào)極易受電路中電流的干擾，造成測(cè)量出的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差較大的結(jié)果，很難達(dá)到大氣測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。與直接吸收法相比，波長(zhǎng)調(diào)制法中帶有高頻的調(diào)制信號(hào)，極大地減少了背景噪聲，提高了信噪比。波長(zhǎng)調(diào)制法的另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是它并不會(huì)直接將激光器的信號(hào)與被測(cè)氣體信號(hào)進(jìn)行相互作用，而是以高頻的調(diào)制信號(hào)為載體，將被測(cè)氣體的信號(hào)疊加在調(diào)制信號(hào)上，只需檢測(cè)出與被測(cè)氣體濃度成正比的諧波信號(hào)即可，有效地提高了系統(tǒng)檢測(cè)的靈敏度。

兩種方法對(duì)比來(lái)看，波長(zhǎng)調(diào)制法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更加復(fù)雜，而且穩(wěn)定性差。其測(cè)量的諧波信號(hào)為一種疊加信號(hào)，并不能直接反映出氣體光譜信號(hào)所蘊(yùn)含的光譜信息，這樣就必須用較為復(fù)雜的計(jì)算方法進(jìn)行求解。但是其抗干擾能力強(qiáng)，能夠消除實(shí)驗(yàn)設(shè)備中電流噪聲對(duì)微弱信號(hào)的影響，在惡劣環(huán)境和氣體濃度十分微弱時(shí)選擇該方法可以獲得更準(zhǔn)確的大氣濃度值[11-13]。

2 研究現(xiàn)狀

TDLAS研究始于20世紀(jì)60年代，在當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)了一種可以調(diào)節(jié)注入電流的半導(dǎo)體激光器[14]，這樣就使得利用可調(diào)諧激光器獲得高分辨率紅外光譜成為可能。由于直接吸收法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，且采集到的數(shù)據(jù)易于分析與計(jì)算，絕大多數(shù)國(guó)外實(shí)驗(yàn)室都利用激光的直接輸出來(lái)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不需要進(jìn)行諧波疊加。下文對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)不同光譜范圍的測(cè)試系統(tǒng)做了充分介紹。

Sonnenfroh等[15]利用室溫可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器和超靈敏探測(cè)技術(shù)，通過(guò)直接吸收的反演計(jì)算方法建立了一種對(duì)于對(duì)流層低層次NO2原位監(jiān)測(cè)的高靈敏度TDLAS技術(shù)，在640 nm和670 nm使用二極管激光器探測(cè)NO2的可見(jiàn)吸收光譜，并結(jié)合平衡比例電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)NO2氣體濃度的高靈敏度探測(cè)，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 高靈敏度探測(cè)NO2氣體濃度實(shí)驗(yàn)裝置圖

在此基礎(chǔ)上，得到了靈敏度與波長(zhǎng)的比較，為以后進(jìn)一步測(cè)量氣體濃度奠定了基礎(chǔ)，得到的靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系表如表1所示。

表1 NO2氣體靈敏度與波長(zhǎng)的比較

1994年，Mihalcea等[16]在實(shí)驗(yàn)室搭建了TDLAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量了譜線在670 nm和395 nm時(shí)NO2的高分辨率吸收光譜，運(yùn)用直接吸收法反演出了NO2的濃度，并且測(cè)定了光譜吸收系數(shù)隨溫度和壓力的變化規(guī)律。隨著溫度和壓力的升高，NO2氣體分子的吸收截面會(huì)下降。在394.5 nm附近的NO2吸收系數(shù)比670.2 nm附近的值高出25倍，從而證實(shí)了近紫外波長(zhǎng)可以提高NO2檢測(cè)限的優(yōu)點(diǎn)。

以上實(shí)驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，利用氣體吸收池測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并沒(méi)有將其真正應(yīng)用到實(shí)際的大氣檢測(cè)系統(tǒng)中。1996年，Werle等[17]得到了在室溫下分布式反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)CO2氣體濃度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且給出了一套完整的檢測(cè)大氣中CO2氣體濃度的近紅外光譜(NIR)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中基于室溫亞磷酸銦DFB激光器的近紅外光譜儀布局如圖2所示。

圖2 基于室溫亞磷酸銦DFB激光器的近紅外光譜儀布局

由于此次測(cè)量是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并不能將上述儀器的最佳性能全部發(fā)揮。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，在2 μm的光譜區(qū)內(nèi)是測(cè)量誤差最小的選擇范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DFB半導(dǎo)體激光器在選定波長(zhǎng)的近紅外光譜范圍內(nèi)性能良好。對(duì)于環(huán)境濃度中的CO2氣體，分辨率可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)之上。

1997年，Weldon等[18]利用1.57 μm可調(diào)諧DFB半導(dǎo)體激光器在同一個(gè)氣體吸收池內(nèi)，同時(shí)測(cè)得了CO2和H2S的吸收譜線，反演出了兩種氣體的濃度，與氣體傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，測(cè)量誤差小于5%。該實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新地將一種實(shí)驗(yàn)裝置同時(shí)應(yīng)用到兩種不同氣體的測(cè)量中，為以后大氣組分濃度測(cè)量奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，TDLAS波長(zhǎng)調(diào)制法的研究也在進(jìn)行。1981年Reid等[19-21]利用TDLAS裝置給出了計(jì)算諧波信號(hào)與實(shí)驗(yàn)諧波信號(hào)之間的詳細(xì)比較，通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制法第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體濃度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 TDLAS實(shí)驗(yàn)裝置

在最佳調(diào)制幅度m=2時(shí)，得到了實(shí)驗(yàn)值和理論值的高度擬合，二次諧波擬合圖如圖4所示。

圖4 二次諧波擬合圖

此實(shí)驗(yàn)極大地提高了氣體的測(cè)量精度。但是當(dāng)時(shí)TDLAS設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、集成度低，對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)苛，且造價(jià)較高，嚴(yán)重限制了TDLAS氣體濃度檢測(cè)的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的性能也不斷提高。美、英、德、日等國(guó)家在氣體濃度測(cè)量方面做了大量深入研究，并取得了很多重大成果[15-16,22]。

1990年，Uehara等[23]在實(shí)驗(yàn)室室溫環(huán)境下，證明了使用1.66 pm DFB半導(dǎo)體激光器對(duì)空氣中甲烷氣體進(jìn)行高靈敏度實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的可行性。并采取了兩種不同的方案分別得到了空氣中甲烷氣體的濃度，如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)距離傳輸方案和反射方案探測(cè)甲烷氣體濃度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

該實(shí)驗(yàn)將5.35 MHz的余弦信號(hào)與激光輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并輸出，在室內(nèi)開(kāi)放式吸收池內(nèi)進(jìn)行了測(cè)量，采取了直接探測(cè)和反射探測(cè)兩種方法，得到了甲烷氣體的具體濃度。

2000年，Nakaya等[24]在實(shí)驗(yàn)室利用1.66 μm DFB激光器，利用波長(zhǎng)調(diào)制法檢測(cè)的二次諧波信號(hào)對(duì)大氣中甲烷的濃度進(jìn)行了連續(xù)的測(cè)量與分析。

上述的3個(gè)實(shí)驗(yàn)方案都利用了氣體吸收譜的二次諧波進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，波長(zhǎng)調(diào)制法中二次諧波是反演氣體濃度時(shí)的最佳選擇。

20世紀(jì)之前，我國(guó)在氣體分析方面和國(guó)外有著很大的差距，氣體檢測(cè)分析技術(shù)比較落后，TDLAS技術(shù)應(yīng)用于氣體檢測(cè)領(lǐng)域起步較晚。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，現(xiàn)在我國(guó)各大研究所和高校在TDLAS檢測(cè)氣體濃度方面已經(jīng)取得了顯著的研究成果[25]。

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)外文獻(xiàn)的不斷調(diào)研和基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器設(shè)備性能的逐漸優(yōu)化，我國(guó)在TDLAS測(cè)量系統(tǒng)的研究大都是利用波長(zhǎng)調(diào)制法來(lái)進(jìn)行氣體濃度的反演。2000年，浙江大學(xué)葉險(xiǎn)峰等[26]采用1.3 μm波段的激光器為光源，檢測(cè)靈敏度為1300 cm-3，得到了光吸收隨氣體濃度的變化呈線性曲線的結(jié)論，其傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 光纖CH4傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2004年，中科院安光所根據(jù)TDLAS原理，利用波長(zhǎng)調(diào)制法在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了在25 ℃下分別對(duì)壓力為1.9995 Pa、2.7993 Pa的純CO2進(jìn)行了測(cè)量[27]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 測(cè)量CO2濃度實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)可以探測(cè)到極低壓力下的吸收信號(hào)，這是直接吸收法所達(dá)不到的檢測(cè)范圍。該實(shí)驗(yàn)裝置可用來(lái)研究譜線線強(qiáng)、譜線寬度、壓力增寬等參數(shù)。

2005年，北京交通大學(xué)展開(kāi)了光纖甲烷濃度檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究，在1665 nm波段下，成功測(cè)得了甲烷氣體最低濃度為1.6%，第一次利用光學(xué)測(cè)試方法將氣體測(cè)試最低濃度控制在了2%以下。其實(shí)驗(yàn)總體原理框圖和檢測(cè)實(shí)物圖分別如圖8和圖9所示[28]。

圖8 甲烷氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的總體原理圖

圖9 甲烷氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物圖

2020年，中國(guó)海洋大學(xué)信豐鑫等[29]選擇CO2在2004 nm附近的吸收線，在27 m的光程下達(dá)到的檢測(cè)限為2.97×10-6。天津同陽(yáng)科技發(fā)展有限公司李永剛等[30]選擇CO2譜線波段2004.0 nm，在12～15 m的單向光程長(zhǎng)度范圍內(nèi)，檢測(cè)到CO2濃度的最大測(cè)量偏差為-7.03%。

隨著設(shè)備系統(tǒng)的逐漸成熟，如何優(yōu)化吸收譜線和消除噪聲影響成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

2008年，浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周曉巍等[31]建立了氣體狀態(tài)空間模型，第一次將卡爾曼濾波算法應(yīng)用到了TDLAS氣體濃度測(cè)量反演中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，卡爾曼濾波可以很好地消除測(cè)量噪聲和模型誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，與傳統(tǒng)最小二乘擬合的方法相比可以大大提高反演精度。

2011年，昆明理工大學(xué)伍昂[32]研究二次諧波信號(hào)時(shí)，將一種新方法運(yùn)用到了求解二次諧波信號(hào)線型計(jì)算表達(dá)式中，即AM-FM方法，該方法是將二次諧波推導(dǎo)公式中的RAM影響消除，對(duì)二次諧波信號(hào)進(jìn)行分析提取，得到了全新的二次諧波信號(hào)推導(dǎo)公式。結(jié)果表明剩余振幅調(diào)制的大小對(duì)檢測(cè)信號(hào)的線型和信號(hào)基線都有直接影響，采用AM-FM方法計(jì)算得出的二次諧波信號(hào)線型更貼近實(shí)際檢測(cè)得到的線型。

2017年，華南理工大學(xué)朱曉睿等[33]選用中心工作波長(zhǎng)為1580 nm的DFB激光器，在室溫及大氣常壓條件下檢測(cè)了模擬鍋爐煙塵排放的CO2濃度，采用去峰擬合法和純N2線擬合法獲得基線后反演出了CO2的濃度，并采用對(duì)每40次掃描結(jié)果進(jìn)行平均的方法來(lái)改善測(cè)量精度。同年，長(zhǎng)春理工大學(xué)趙鵬等[34]通過(guò)對(duì)正弦調(diào)制信號(hào)頻率、幅值與二次諧波線型之間關(guān)系的研究，實(shí)現(xiàn)了每米光程下10 cm-3的檢測(cè)下限。

2018年，華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院選擇對(duì)1572.3 nm附近的CO2吸收譜線進(jìn)行掃描，針對(duì)線型函數(shù)，提出了擬合吸收譜線加寬調(diào)諧范圍積分法和線型積分系數(shù)修正法，利用這兩種方法，得到了準(zhǔn)確的CO2濃度[35]。

針對(duì)TDLAS測(cè)試系統(tǒng)中鎖相放大器相關(guān)檢測(cè)性差的問(wèn)題，2013年，吉林大學(xué)曹天書(shū)[36]對(duì)鎖相放大器展開(kāi)了一系列的研究，并且設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于TDLAS氣體檢測(cè)的專用鎖相放大器。其搭建的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和鎖相放大器硬件電路實(shí)物如圖10所示。

圖10 鎖相放大器硬件電路實(shí)物圖

以上所述實(shí)驗(yàn)都還停留在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段。2014年中國(guó)海洋大學(xué)信豐鑫[37]將TDLAS技術(shù)第一次應(yīng)用在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中，并且搭建了完整的TDLAS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量開(kāi)放式大氣中CO2的濃度，其實(shí)驗(yàn)裝置遙測(cè)CO2濃度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

圖11 遙測(cè)CO2濃度實(shí)驗(yàn)裝置圖

大氣中CO2監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖12 大氣中CO2監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

圖12中CO2濃度變化曲線表明，上午到中午，CO2濃度呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)。與CO2濃度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)相比，雖然有一定的誤差，但是能基本實(shí)現(xiàn)大氣中CO2氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 總結(jié)與展望

本文介紹了TDLAS技術(shù)的原理，在此基礎(chǔ)上深入探討了直接吸收法和波長(zhǎng)調(diào)制法，并將其進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，隨后整理了近年來(lái)TDLAS技術(shù)在氣體濃度測(cè)量方面的研究與應(yīng)用，并且說(shuō)明了每種實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及得出的結(jié)論。

TDLAS中最常用的兩種方法——直接吸收法和波長(zhǎng)調(diào)制法，其測(cè)量方法各具優(yōu)勢(shì)，就實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，運(yùn)用波長(zhǎng)調(diào)制法得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，但是其計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，設(shè)備維護(hù)成本較高，不適合于長(zhǎng)時(shí)間大氣濃度監(jiān)測(cè)。直接吸收法設(shè)備簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，但是易受到電路中各種電流噪聲的影響，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)的大氣濃度相比，誤差較大。在不同的大氣濃度檢測(cè)中運(yùn)用不同的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中氣體濃度的準(zhǔn)確測(cè)量。

針對(duì)當(dāng)前TDLAS測(cè)量氣體濃度研究中所存在的問(wèn)題，目前在該領(lǐng)域的主要研究方向有：

① 不同種類氣體濃度在線同時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備一體化的研制。

② 針對(duì)直接吸收法的缺點(diǎn)，探索消除實(shí)驗(yàn)設(shè)備中電流噪聲影響的新方法。

③ 針對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制法計(jì)算復(fù)雜的特點(diǎn)，探索更簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，在保證其濃度精確的條件下，簡(jiǎn)化算法，并引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的分析更加智能化。