基于TDLAS技術開展大氣環境質量監測的研究分析

莊 輝

（棗莊市市中生態環境監控中心，山東 棗莊 277101）

1 大氣質量監測以及TDLAS技術簡述

1.1 大氣質量檢監測

大氣污染主要是由固定污染源、流動污染源在區域內共同進行排放，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、環境狀態以及地形等各種因素的影響，導致污染范圍和污染程度隨之發生改變。為能夠準確掌握大氣污染現狀、變化規律以及發展趨勢，需要針對大氣污染情況使用各類技術進行長期監測，連續獲取污染數據和信息，為大氣污染相關管理部門提供污染濃度變化曲線，結合污染狀態、污染片數以及濃度變化特征，來分析影響大氣質量和安全的各項因素，為大氣質量評估提供基礎核心數據。據調查，截至2020年山東棗莊市大氣環境總體呈上升趨勢，當期PM2.5、PM10的實際濃度分別為54 μg/m3、93 μg/m3，環境狀態與2015年相比明顯改善38%-41.5%，全年優良天數占比達到63.4%，重度污染降低到7天，棗莊市大氣環境質量改善效果位居全省第一位。

1.2 TDLAS技術簡述

1.2.1 TDLAS技術優勢

TDLAS技術的關鍵和重要的部件就是可調諧半導體激光器，在這一部件當中注入一定量的電流，部件波長、窄寬線會出現一定變化，結合這一變化特征實現對吸收線的監測和分辨，這一技術也正是憑借這種優勢被大量使用到大氣環境監測當中。其具有的優勢主要表現在以下幾個方面[1]：第一，這一技術具有靈敏度高的特點，在保證靈敏度的基礎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，這一技術能夠充分針對多組分進行監測，并且分辨率以及選擇性較高，能夠充分避免監測中受到其他氣體的干擾或者限制，相對于現有的其他方法，其技術優勢和使用價值非常顯著；第三，使用該技術時可以針對測量結構進行自動化糾正，防止監測結果受到外部壓力、環境溫度等各種變化因素的影響；第四，技術采取的儀器并沒有配置運動元件，可靠性非常優異，維護較為簡便；第五，測試儀器內部會設置相應標定腔，在監測大氣環境中，儀器可以自動標定污染物，并不需要有關人員手動展開操作和管理。

1.2.2 TDLAS技術原理

TDLAS技術又被稱為可調諧半導體激光吸收光譜技術，屬于一種新興、高質量的光譜吸收技術，其充分繼承了已有的吸收光譜技術的優點，采取可調諧半導體當作發射光源。可調諧半導體激光線與傳統光源相比光線寬較小，頻率與波長可小范圍進行，避免被監測物體中其他氣體對監測產生干擾。TDLAS技術能充分分析光被氣體選擇吸收的情況，監測氣體的濃度，發射一束光照射并通過待監測氣體，并用儀器另一端接收光線，發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，比例當中的常數主要就是分子吸收數σ（λ），不同分子特征各不相同，因此可以利用這一技術來觀察吸收率，從而監測吸收分子實際濃度[2]。

2 TDLAS技術監測方法

從信號等因素上可以將TDLAS劃分成為三種監測方法，分別為直接吸收法、波長調制法、頻率調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據進行整合獲取平均值，以此來得到平均的譜線，經過數據處理后，可防止在使用固定波長時產生的系統數據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，導致測量誤差。背景噪聲出現原因主要有激光強度存在起伏和吸收池內部被測分子出現密度起伏，這也是直接吸收光技術存在的最明顯缺點。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的應用過程中逐步研發了平衡波、掃描積分等各種測量方法。

2.1.1 平衡監測

平衡監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勢，最關鍵的內容就是解決電流掃描中所引發的幅度調制問題，因為在信號當中因為幅度調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，在大氣環境質量監測過程中掃描積分技術所達到的靈敏程度將會低于現階段所流行的頻率調制以及波長調制技術，并且在信噪當中掃描積分技術是否可以超過其他技術，也有待進一步驗證與分析。不過從儀器造價以及整體設計需求層面考量，因為掃描積分技術的應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新從而形成了波長調制光譜技術，增強了光譜技術監測的靈敏度。與傳統的直接吸收氣體監測技術相比，波長調制光譜技術的優勢在于監測時會出現一個諧波信號，這一信號與氣體濃度成正比。技術實施方法，則將調制電流有效注入半導體激光儀器當中，設置激光器溫度以及各項驅動電流，結合調制電流管控輸出的激光頻率，將激光器波長與對應待測氣體吸收線相協調，疊加在監測儀器驅動電流當中的鋸齒波信號會利用輸出波長來進行掃描，并通過設立的氣體吸收線，將氣體介質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，實現高頻調制。通過對其他光譜信號在二倍頻上展開相敏監測，能夠精準獲取二次諧波信號，以此來提高監測效果。由于監測氣體的成分會充分與激光互相影響與作用，產生一定調制頻率信號，有關人員使用相敏電路能夠針對這些信號進行探測，使用價值較為優異。

調制光譜的優點是其能夠增強氣體濃度的監測頻率和效率，只有落到中心監測頻率的周圍或者附近，探測才可能會受到噪聲的影響，因此調制光譜技術的靈敏度更加優異，能夠充分利用這一技術來監測痕量氣體，把握氣體的變化規律。缺點是這一技術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 頻率調制光譜

頻率調制技術在1980年被正式提出，之后大量學者針對這一技術展開了研究和分析。采取頻率調制的一個關鍵因素，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GHz，激光器產生的過量噪聲問題可以被忽視。因此，頻率調制技術能夠獲取更高的探測極限，更加深入地探測大氣環境，由于頻率非常高，系統相對復雜，這也使得這一技術對于探測能力有著較高要求。這一監測技術憑借十分優異監測能力，被廣泛應用在大氣環境監測中，特別是在監測大氣壓下其他組分時，需要利用這一技術來判斷大氣環境狀況。一般情況下，頻率調制光譜可以分為單頻調制和雙頻調制，其中單頻調制主要是利用單一的高頻調制技術實施調制。而在雙頻調制中則應用兩個高頻頻率實施調制。不過需要了解的是，目前并沒有證據可以證明，TDLAS高頻調制儀器具備的帶寬靈敏度超過2×10-6，雖然現存的靈敏度遠遠超出波長調制光譜系統具備的靈敏度，靈敏度高出約5倍，但高頻調制系統對于光程要求更高，與波長調制光譜相比較低。所以對最低監測濃度數值有著一定的約束。另外，部分研究表明，針對痕量大氣監測應用過程中可以接受的窄帶寬（0.1 Hz），高頻調制系統才會在波長調制光譜中具備優勢。高頻調制方案，特別是單頻調制，其與波長調制相比成本更高，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 大氣環境監測中TDLAS技術使用要點

3.1 監測過程

在監測大氣環境時，首先需要精準明確監測氣體吸收譜線的位置頻率，其次選取激光二極管，明確發射范圍，設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、穩定地掃描整條吸收譜線，結合譜線獲取“吸收光譜”信息數據。吸收光譜技術具有的單線特征，能夠避免待監測氣體受到背景當中各種組分氣體的影響，增強監測的精準性。

實際應用TDLAS技術時，要保證光譜線頻率吸收位置的合理性。可先利用試驗樣機來監測不同體積的待監測氣體，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據，形成一個數據表，并利用設備將這一表格中數據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、體積之間的關系式，結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，將其導入到相關關系式當中，以此來獲取被監測氣體的信息。

3.2 吸收光譜結構

依據TDLAS技術的使用和工作原理，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測儀器內部，通過觀察激光的強度來判斷激光監測儀器光源的工作狀態和情況；第二路光源會充分經過中央控制單元內部的參比池（儀器名字），明確監測系統的工作零點以及自標定；第3路會充分經過光纜被傳輸到發射單元的標直器當中，通過氣體管道內部正在被監測的氣體，被儀器內部接收單元當中的紅外線監測儀器接收，通過電光轉換的模塊將其轉換成為激光信號，之后再被傳送回中央系統當中，經過后續各項處理和操作獲取氣體的濃度。

3.3 選擇譜線

TDLSA技術使用過程中，會采取可調諧二極管激光吸收光譜的技術，這也使得譜線的選擇非常關鍵。需要在選擇譜線時結合以下原則開展。第一，針對測量要求選擇相對應吸收譜線，既要保證譜線波長和TDL內部中心波長相一致，又要保證與大氣探測儀器的響應波長能夠互相適應，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域內其他分子相互干擾出現交叉吸收的情況，只有這樣才可讓測量精準度不斷提升，滿足區域內高質量、高能力的大氣環境監測要求。

3.4 改正調制方案

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

3.5 監測信號后期處理

后期處理主要包括針對解調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字化處理。兩者都應用了光學條紋具備的周期性優勢。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雜的模擬濾波，其中實施數字式濾波效果將會更加優異。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，可以獲取十分優異的質量效果。此外，對于一個比較穩定的系統，在零氣通入之后所監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。不過具體監測中系統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，才可獲取十分優異的消除效果。在TDLAS系統的具體應用當中，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（例如數字信號處理）的有機組合。

4 結語

綜上所述，TDLSA在線監測大氣濃度的儀器有著較為突出的使用價值，并不需要預先進行采樣，利用直接在線測量方式可以快速進行響應，測量有著較高精準度，運轉成本以及測量價值等較為優異，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可調諧二極管吸收光譜法進行監測。隨著科技的發展，TDLSA技術越來越成熟，已經逐漸成為監測大氣污染指標、污染源以及室內空氣的重要技術之一，對于大氣監測影響較為深遠。