差分吸收激光雷达对中红外波段气体测量的研究外文翻译资料

 2022-11-29 15:38:23

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差分吸收激光雷达对中红外波段气体测量的研究

Simon Lambert-Girard, 1,2, * Martin Allard, 1 Michel Picheacute;, 2 and Franccedil;ois Babin 1

1 Institut National drsquo;Optique, 2740 Einstein Street, Queacute;bec, Queacute;bec G1P 4S4, Canada

2 Centre drsquo;Optique Photonique et Laser in Universiteacute; Laval, Queacute;bec, Queacute;bec G1 V 0A6, Canada

*Corresponding author: simon.lambert‑girard.1@ulaval.ca

Received 4 November 2014; revised 18 January 2015; accepted 19 January 2015;

posted 20 January 2015 (Doc. ID 216422); published 24 February 2015

此次研究设计了一种用于气体分子种类探测的遥感系统。在中红外波段，短时间内通过一种有效的差分光学吸收法探测气体污染物。该系统包括一个能发射谱宽从1.5mu;m到3.8mu;m的脉冲可调型光学信号发生器。一个连接到光栅摄谱仪的望远镜和一个内部封闭的HgCdTe雪崩光电二极管，探测每个脉冲的整个回波谱。本次试验通过在2mu;m波段同时探测大气气体和单个H2O， CO2分子，在3.3mu;m波段探测CH4。并且提出了一种新的光谱分析法进行气体浓度的检测,包括其强吸收特性。

1.介绍

近年来在工业、环境和安全方面原来越需要发展新型的光学系统用于远程监测气体。这样的系统能识别在开采,提炼，运输方面的天然气泄漏。这些除了能减少重要的金融损失,最小化泄漏，验证在发电或交通工具方面天然气能替代煤炭、汽油或柴油以达到环保的效果外，还能定性和定量化的测定来自工厂的各种气体。新系统能测量温室气体的浓度，保护人们远离有害气体。本文所用的系统主要用于远程监测规定区域的气体类型以及浓度。

吸收光谱法是一种可选择性的高灵敏度定量远程探测气体的工具。它可以使用不同的模式，通过收集到的光谱信息检索相关气体的浓度。开路式DOAS（差分吸收光谱分析法），使用人工光源产生数以百计的波长来监测气体，先使被测气体在检测波段的传播路径中表现出其特有的特性，再通过合适的技术与建模光谱进行比较来确定气体的种类以及浓度。与双波段差分吸收激光雷达相比多峰值检测提供更高的灵敏度和选择性，可以根据干扰气体特有的光谱特性识别干扰气体并且可以同时测定不同波段气体的特性。

研究表明，差分吸收光谱分析法主要用于中红外和短波红外波段。这两个波段上有许多人们特别关注的气体（CO2，CH4，CO，HCl，SO2，NO，NO2，N2O，NH3，HF，不稳定的有机化合物）的强回波特征，它们的光谱与大气透明窗重叠。典型的开放式中红外差分吸收激光雷达（MWIR DOAS）系统包括一个红外非相干光源，一个角棱镜和一个结合傅里叶变化光谱仪的望远镜。目前，差分吸收激光雷达内中红外激光的进展受到研究人员的普遍关注。激光器提供较短时间的视场角，克服各个角棱镜合作的限制。目前，可调型中红外激光探测器正在不断地发展。下一个部分总结了近年来使用新式中红外波段探测的研究成果并讨论了其可能的在之前提到的环境重的使用情况。

A、研究进展

第一种使用短波红外/中红外超连续激光发射器的技术称为连续吸收光谱法。例如，[5,6]的作者使用一种商用连续光源，运用1.4mu;m波段激光检测空气中的含水量。在文献[5]中，这个实验包括一个大于200m的角棱镜和一个光栅分光仪。使用ZBLAN氟化物光纤，产生0.75mu;m到4.3mu;m中红外波段连续光（-20dB），该光源能遥测在固体表面目标分子（比如炸药）。研究人员使用扫描单色仪检索吸收光谱（有10nm的分辨率），需要高频率低脉冲能量。

不同于第一种技术，Ruxton 等人在文献[8] 中，采用可调(2.5 - -3.7mu;m)光学振荡器的可调谐激光吸收光谱(TLAS)系统。振荡器的谱宽（5nm）决定了系统分辨率和灵敏度，在使用前需要进行谱宽检测。作者使用多个通道腔室来量化混合型挥发性物质。该系统的成像部分包括激光器和安装在其上的望远镜扫描仪，成像部分能显示爆炸物红外特征的高光谱图像。Barrientos等人还提出了一种单频可调中红外激光发射器(MWIR OPO OPA )[10]。此发射器调谐范围受到限制（〜15 nm），并且调谐速度很慢，但能提供较高的光谱分辨率（〜0.004 nm）。作者使用该光源监测30米路径上的非探测目标气体（甲烷和水汽），TLAS方法提供了高脉冲能量。然而，快速扫描宽的光谱范围并确保高灵敏度的所需光谱分辨率是具有挑战性的。但快速扫描是必要的，用以减少大气和仪器干扰的影响。

其他MWIR源激光器还有量子飞秒激光器。此类激光器拥有高光谱分辨率气体传感器。但是，激光器的每个脉冲的能量很低（nJ），导致其不太容易对非探测目标进行研究。

B、SWIR/MWIR DOAS 系统

对于特别关注的部分，所有的波长都应该同时发射接收为了记录实时的大气测量结果避免在慢速扫描过程中遇到基线漂移问题。该系统应该能具备在高达100米的距离探测固体硬靶的能力。该系统应能够以高光谱分辨率监测气体，以获得高检测极限，它应覆盖广泛的光谱范围，以最大化可检测特征的数量并在存在干扰分子时提供有效浓度。为了测量每个脉冲的频谱，优选具有高频谱能量密度（mu;J/ nm）的低kHz范围内的激光重复频率。持续时间短的脉冲也是优选的，以便接通接收器，从而减少热背景的影响。本文中介绍的系统旨在集成这些功能。

该系统由两个主要部分组成，一个是红外线OPG光源，一个是望远镜，另外还有一个摄谱仪和一个用于数据处理的新算法。该系统可被视为SAS和TLAS之间的中介。它基于一个可同时发射所有波长的非光学参量发生器（OPG），适用于从1.5到3.8mu;m可调谐的中等宽度（10-100 nm）脉冲。覆盖几十到几百纳米的光谱在大多数情况下是足够的。例如，在存在水蒸气的情况下检测约3.3mu;m的甲烷或检测具有宽标记的挥发性有机化合物可以通过具有数十纳米宽度的光谱来实现。OPG脉冲的频谱能量密度可以远高于超连续谱的能量密度。单脉冲的能量与TLAS技术中使用的能量相当。 除了基于参数转换的光源之外，没有任何光源实际上可以在平均功率瓦数下产生数百mu;J，并且可以调谐到整个MWIR。 OPG也是理想的简单，紧凑和坚固耐用的设备，非常适合现场操作。在检测端，所有的波长都是用一个耦合到门控阵列的光栅光谱仪同时测量的。内部相机采用了最新的中波红外光电探测，它可以降至10 ns，并使用雪崩增益和有限的过量噪声来测量弱信号。

本文介绍了该系统及其用于目标气体检测。文章组成如下： 第2节介绍气体检测的组件和实验设置，第3节描述了用于计算气体浓度的数学方法。它包括一个新的算法，可以在强吸收存在的情况下正确地确定浓度。第4节介绍了空气和腔内气体浓度的测量。最后，第5节将讨论系统性能和对平台的未来修改。

2.实验设备

该系统的示意图如图1所示。它安装在两个叠加的面板上，以便最终运输到应用场所。除OPG光源和发射器光学器件外，面板上还包含接收器望远镜，路由光学器件，摄谱仪和MCT-APD（HgCdTe雪崩光电二极管）门控摄像机。OPG由来自BrightSolutions，型号为Wedge HF的主动调Q开关控制：YAG激光器（1.064mu;m，700 kHz，10 kHz，多纵模）泵浦; OPG由来自Covesion的多周期PPMgO：LN（40mmtimes;10mmtimes;1mm）制成，型号为MOPO1-1.0-40。重复频率从1赫兹变到100千赫。晶体温度和极化周期的选择可以在1475nm和3800nm之间根据气体吸收特征的宽频带进行调谐。在4 kHz和3346.5 nm（对应于闲频光谱的峰值）时，对于430 mW的泵浦功率，闲频功率为74 mW，相应的信号功率（1560 nm）为146 mW，总转换效率为51％。输出线宽从3.8mu;m处的15nm变化到2.128mu;m处的附近时大于260nm。

图1

发射器/接收器系统在单个光轴上对齐。在实验中，OPG输出通过抛物面镜（PM1，直径50.8毫米，f为152.4毫米）聚焦在位于实验室对面的反射面上。光接收器采用500mm焦距f / 2.5主镜（M4）进行聚光。通过M5的折叠光路在主（M6）的中心进入50 mm焦距f / 2镜。该镜子位于电动平移台上（Newport，型号为MFA-CC，带有SMC100CC控制器），用于距离对焦。准直光束通过平板中心的孔离开望远镜（M5），并将其导向带有镜子M7-8的底部面板。最后，使用离轴抛物面镜（PM2，f=101.6 mm）将光耦合到光谱仪。从机械上看，该设备可以在几米和几千米之间的任何地方成像。对于本实验，从OPG晶体输出到目标并在光谱仪出口处结束的光程约为22m。所有的镜片都是反光的（镀银）以保持系统无色。非成像光谱仪（Oriel MS260）具有300 line/ mm的光栅，谱图是用为该系统开发的自制MCT-APD相机记录的[18]。焦平面阵列包含320times;256像素，24mu;m间距（Selex-Galileo）。这些阵列带有一个带通滤波器，用在指定的波段中工作。在我们的例子中，传感器上没有过滤器，允许系统监测介于1475和3800 nm之间的任何吸收谱。没有冷带通滤波器的缺点是热辐射限制了曝光时间。尽管如此，这种寄生辐射可以在每个脉冲通过大气中传播返回门控照相机时被消除。对于下面讨论的实验，门限时间为1000 ns。 相机以150Hz运行，因此设置激光重复频率并限制其在低平均功率下的操作。通过沿着传感器的波长列进行软件分级来获得光谱，然后区分OPG“on”时的测量与OPG“off”是的测量。

为了提高光谱分辨率，光谱仪入口狭缝的大小被设置在5mu;m，达到低缝透射的效果（〜3.2％）。在1.55mu;m处，分辨率是通过与光谱仪耦合的单纵模激光器（Santec，型号TSL-210）测量的，测量结果为0.7 nm。当使用阵列的320个水平像素时，总记录带宽约为100nm。在光谱仪之前使用衰减器以便在其线性响应范围内操作检测器。对于2mu;m的CO 2测量，光束衰减约67倍，对于约3.3mu;m的CH4测量，光束衰减约15倍， MCT的收益近似一致。最后，该系统包括一台计算机，电子设备和测量卡，以控制和同步所有组件。在电子产品中，延迟发生器（Highland，型号T564和Quantum Composer，型号8534）主要用于同步。美国国家仪器公司PXIe机箱（型号1078）承载了嵌入式控制器（型号PXI-8102），快速采样数据采集板（型号PXI-6124），多用途采样卡（型号PXI-6363）和两个电压/电流卡（型号PXI-6704和PXI-4110）。

3.实验原理

OPG产生的脉冲光束在大气中传播时，由于分子在特定波长处的吸收而产生的光谱导致其发生改变。关于波长lambda;的总透射函数由Beer-Lambert方程与光谱仪/相机传递函数I(lambda;):

其中Cj是路径上的探测气体的平均浓度，sigma; j (lambda;)是根据谱线强度计算的吸收截面并由给定温度和压力下的Voigt曲线给出的谱线形状。线位，线强度，压力增宽，多普勒增宽，并且位移系数取自Hitran 2008数据库。该计算使用SpectralCalc软件。乘积 sigma;j ·C j ·L j 称为光学厚度。通常，浓度和路径长度的乘积作为单个参数CL j（ppm·m）给出。当光学厚度较小（lt;0.1）时，或者当仪器的传输函数的带宽比分子吸收线宽窄时，可以将卷积直接应用于横截面。alpha;(lambda;)吸收系数 是浓度的线性函数：

当考虑到噪音，仪器偏差，校准误差，仪器或大气压力时，需要修改公式。考虑到这些影响并获得更好的拟合效果，公式（2）中需补充校准系数，包括多项式偏移量（P），频谱缩放量（t j 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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