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1、1TDLAS 烟囱遥测的文献综述和研究设想烟囱遥测的文献综述和研究设想一、一、用于大气痕量气体遥测的主要光谱学技术用于大气痕量气体遥测的主要光谱学技术目前见诸报道的关于遥测的技术主要用于大气中痕量气体的测量。在大气痕量气体的遥测技术中，目前主要有紫外/可见波段的差分光学吸收光谱学（DOAS）、差分吸收激光雷达（DIAL）、红外波段的傅里叶变换光谱（FTIR）和可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）四种光谱技术1。下面分别简单叙述：1. 差分光学吸收光谱学（差分光学吸收光谱学（DOAS）差分光学吸收光谱技术（DOAS）是一种通过测量经过大气分子衰减的吸收光谱，并且在计算机中进行光谱处理的一种分析
2、技术，它对诸如探测器、光谱仪和光源类型等都没有特定要求，对光程也没有限定，因此既可以采用远处放置后向反射镜的开放光路，也可以采用短距离的开放光路。为了提高检测灵敏度，短距离测量时通常采用多次反射池结构。而在开放光程大气测量时，由于不存在池壁吸收或损耗等问题，因此特别适用于对大气化学循环中不稳定、短寿命的中间体如自由基的测量，80 年代德国马普化学所大气化学部的 Cruzten教授采用机载可调谐红外激光差分吸收光谱系统实时测量臭氧洞形成过程中的大气痕量气体，揭示了活性自由基的催化循环反应在臭氧洞形成过程中的作用，从而获得了 1995 年度诺贝尔化学奖。近十多年来，DOAS 技术的应用已经得到了极
3、大的发展，包括用太阳光、天空散射光作光源的被动 DOAS 技术，以及测量痕量气体三维浓度分布场的断层扫描 DOAS 技术，已被广泛应用于各种测量平台如地基、机载、星载和球载平台进行各种大气痕量气体、污染气体和大气垂直廓线的测量2。国内对于差分光谱吸收技术（DOAS）的研究也一直在进行，包括中科院和东南大学2,3。目前，DOAS 可以实现工业烟道 SO2排放的实时测量，还可以对二氧化氮（NO2)、一氧化氮（NO)、臭氧（O3） 、苯（C6H6)、甲苯（C7H8)、甲醛（CH2O)和氨（NH3)等污染气体实施有效的实时监测，DOAS 系统还可以同时对烟道的温度、烟气流速、烟尘和含氧量进行监测。差分
4、光学吸收光谱技术（DOAS）的特点包括：(1) 精度高，浓度测量下限低，可实时连续测量。(2) 维护方便，运行成本低，可同时测量不同气体成分。(3) 不需样气，可进行固定和流动测量，由自我标定系统。(4) 监测距离长、适用范围广。2.差分吸收激光雷达（差分吸收激光雷达（DIAL）2激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达发射激光短脉冲，测量大气后向散射与脉冲发出后时间的函数关系。该时间与光传输的距离成比例，因此可以推算出在光源和散射体之间的吸收与散射体密度的乘积的距离分布。DIAL技术的显著特点是它的大范围遥测的能力，可对工厂、工业区和城市排放的污染气体进行遥测，机载和星载D
5、IAL系统还可实现覆盖全球的各种监测，如环境空气监测、污染排放物监测、火山喷发等天然排放物监测，以及天然气管道泄漏监测等。安徽光机所的余诗华应用差分吸收激光雷达技术，通过车载测污激光雷达对电厂周边的SO2进行了测量研究4，目前中科院安徽光机所已开发研制完成了车载测污激光雷达系统,该系统能对大气中SO2、NO2和O3进行三维空间扫描测量，从而获得大气中SO2、NO2和O3的空间分布信息5,6。DIAL得到的是三维空间分辨的大气痕量气体分布图、工厂、工业区和城市污染气体排放的总流量及其演变情况，这是其它测量技术难以做到的。这种测量对研究气动力学、污染气体运输和转化过程，预报灾害性大气污染具有极其重
6、要的作用。DIAL技术对测定工厂污染物排放总流量也是非常有用的,用激光雷达系统光束对工厂顺风侧烟羽进行垂直扫描就能测出烟囱排放物的浓度，这一方法也可以用于测量排气管和阀门泄漏等其它应用场合。3. 傅里叶变换红外光谱（傅里叶变换红外光谱（FTIR）在中红外波段，由于波长变长，气体分子的吸收消光现象变得很弱，DOAS技术已经没有优势，因此拟合整个光谱而不是分光选择的光谱可以获得更强的吸收信号。根据太阳光谱测量某一吸收体的总对流层柱体积时，广泛使用这种逐线拟合方法，与可见波段相比，红外测量的另一个优点是：可见波段的吸收受太阳的夫朗禾费线干扰较大，必须测量太阳从高到底的角度的比率；在红外波段，太阳谱线
7、可以从光谱中区别出来，在1个大气压力时谱线压力加宽大约为0.1cm-1,所以，中等光谱分辨率就可满足大部分测量的需要。FTIR工作在红外波段，这一波段是分子的振动和转动光谱区，谱线非常丰富密集，空气中大多数痕量气体和污染气体在该谱区都有特征吸收，FTIR高的光谱分辨率，能够分辨这些特征吸收，因此特别适宜于进行多组份同时测定。中科院利用机载遥感傅立叶变换红外光谱技术（FTIR）能对高空大气中的CO、N2O浓度进行测量，从而对大气污染进行监测7。4. 可调谐半导体激光吸收光谱（可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）可调谐半导体激光非常适于在红外谱区特别是中红外谱区对痕量气体或污染气体进行高分辨光谱
8、测量。TDLAS一般与多次反射吸收池及调制光谱技术结合在一起，结果使某些分子的检测限达到了几个ppm，而对大多数痕量气体和污染气体，检测限一般也可达到ppm级。目前，TDLAS一般采用波长调制技术3和二次谐波检测技术进行调制和检测，具有高分辨率、快速响应的特点。安徽光机所的何莹利用TDLAS技术通过对开放环境大气中的CO2进行了实时监测8。TDLAS与FTIR的装置在很多地方都是一样的，区别在于FTIR测得的是整个光程上的平均值，而TDLAS得到的则是浓度9。二、二、国内外大气污染激光雷达的研究情况国内外大气污染激光雷达的研究情况1. Raman散射激光雷达散射激光雷达最早应用于大气污染探测的
9、Raman散射激光雷达技术条件简单，具有同时探测多种污染组分的能力。1976年Inaba26等用Raman激光雷达谱仪对工厂烟囱排放所测得的Raman谱如图1（a）所示，可以看到，除了大气的主要成分N2、O2、H2O、CO2等外，尚可明显地看出排放物中所包含的SO2、CO、NO2、CH4、C2H4、H2CO3、H2S等大气污染物。图1（b）所示为他们用制成的车载式Raman散射激光雷达车对发电厂烟囱进行实地探测的工作照片。图图 1 （a）工厂排放物的）工厂排放物的 Raman 谱谱 （b）污染探测）污染探测 Raman 散射激光雷达车散射激光雷达车 Raman散射激光雷达技术最大的缺点是探测灵
10、敏度低，可探测的浓度范围约在10-310-5，只能用于对工厂或汽车等排放源的探测，因此尽管在20世纪70年代用Raman散射激光雷达进行大气污染探测经历了快速的发展，到80年代后研究方向逐渐转向灵敏度更高的差分吸收激光雷达（可探测浓度约10-610-8）。2. 差分吸收激光雷达差分吸收激光雷达如图2所示，差分吸收激光雷达的基本原理是利用与待测气体分子光谱吸收4峰值波长重合的激光光束在大气中传输时，与该气体分子产生强烈共振吸收而衰减的特性，通过测量其衰减程度而得出大气中该气体的浓度信息。为消除大气中的其他物质及光学仪器对该波长的吸收和仪器参数等因素对测量精度的影响，还需选取与待测气体中心波长十分
11、接近且刚好移出该吸收谱线的波长作为参考光束进行测量。由于两波长相差极微，因此这一原理称为差分吸收原理，用公式表示即为：P()/P()=Exp-2()-()onRoff .onoffdrrNR 0)(R 是激光通过的距离；N(r)是待测气体在距离 r 处的浓度；(on)与 (off)分别是波长与波长的吸收截面。onoff图图 2 差分吸收激光雷达差分吸收激光雷达差分吸收激光雷达技术是目前研究与应用最广泛的一种激光雷达技术。图3 所示为瑞典隆德大学测量工厂外空气中水银的浓度。他们目前和浙江大学光及电磁波研究所何赛灵教授的实验室开展了气体探测相关方面的合作研究，图4 所示为他们从瑞典带过来的激光雷达
12、望远镜系统。5图图 3 瑞典隆德大学激光雷达测汞瑞典隆德大学激光雷达测汞图图 4 浙江大学光及电子波研究中心的激光雷达望远镜浙江大学光及电子波研究中心的激光雷达望远镜3.我国的激光雷达研究进展我国的激光雷达研究进展我国的激光雷达的研究的进展可以用图 5 来表示：6中科院北京大气物理所 大气气溶胶激光雷达系统中国海洋大学 机载海洋激光荧光 雷达安徽光机所 车载测污激光雷 达196519951996200319992002安徽光机所 机载米散射激光 雷达武汉物数所 纳层荧光激光雷 达安徽光机所 双波长米散射激 光雷达图图 5 我国激光雷达的研究进展我国激光雷达的研究进展安徽光机所是我国最早进行激光
13、雷达实验的机构。他们的激光差分吸收雷达的技术发展到现在已经成熟，并搭建了我国第一台车载的激光雷达系统。利用这套系统，他们在北京、上海、深圳等城市进行了许多实际的测量。但是，差分吸收激光雷达面临的技术复杂等问题导致激光雷达车价格昂贵，从而严重地限制了其应用，目前随着激光技术和弱光检测技术的不断发展，TDLAS技术的广泛应用使得我们有了应用TDLAS技术对烟囱进行遥测的想法。三、三、国内外国内外 TDLAS 遥测的研究现状遥测的研究现状由于政府、企业及社会对燃气管道安全及环保的日益重视，燃气管道的安全巡检，尤其是泄漏检测越来越显得重要，进入二十一世纪以来，国外在手持式甲烷遥测仪的研究与开发方面已经
14、相当成熟10,11，目前产品已经应用于现场。应用甲烷在 1653.7nm 处的吸收线，在 10m 的探测距离下最小探测灵敏度达到100ppm-m，可准确查找室内裸露管道 10ml/min 的气体泄露；在 30 m 的探测距离下最小探测灵敏度为 1000ppm-m，另外如果采用加上角反射镜对激光信号进行反射接收的方法的话探测距离可以达到 150m 12,13,14,15。图 6 所示为日本研究者开发的手持式甲烷遥测仪。相关产品国内市场上也已经出现，成套的产品价格为 20 万左右。这种手持式遥测仪的信号采集是通过环境散射的方式，信号采集性能为只要接收到的散射回的光强达到 10uW 即可探测得到，目
15、前国内相关研究机构还没有能够掌握这种通过接收散射回来的信号进行遥测的技术，安徽光机所虽然已经进行过很多 NH3、CO2、H2S、CO 等气体的遥测实验并获得了一定成果，但其信号采集都是通过在目标气体后面加角反射镜的方式实现的，相关技术水平与国外研究机构有一定差距16,17,18。另外，在实验室研究方面，国外对 CO19,20、CO220、O321、NOx22,23等气体的遥测也一直在研究之中。目前，运用 TDLAS 技术遥测烟囱中气体排放的报道还未见到，因此我们将激光7雷达技术与 TDLAS 技术相结合来进行烟囱遥测的想法是很有意义的。图图 6 手持式手持式 CH4遥测仪遥测仪四、四、利用利用
16、 TDLAS 技术实现烟囱排放气体遥测的研究设想技术实现烟囱排放气体遥测的研究设想假设火电厂的烟囱高度为 150m，在地面上进行遥测仰角选为 40 度左右，那么探测距离约为 250m，光程达到 500m，如图 7 所示：图图 7 激光遥测烟囱示意图激光遥测烟囱示意图由于大气对激光的散射及吸收，要使得反射回来的激光能够被探测到，我们8所用的激光源的功率要足够大。另外，对 TDLAS 系统测量距离的限制主要是由激光发散造成的,激光在传输过程中的衰减可以忽略,在激光准直效果相同的情况下，可以利用放大器放大光电探测器接受到的吸收信号和 EDFA 提升激光能量的方法提高测量距离。因此，在只用光学收发系统无法探测得信号的条件下，遥测系统可以首先对可调谐半导体激光进行放大，放大后的激光再通过一个光学收发系统进行探测。整个系统组成如图 8 所示：图图 8 TDLAS 烟囱遥测系统烟囱遥测系统下面介绍各组成部分：1. EDFA 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA（
