用于遙感機(jī)動(dòng)車排放的近紅外可調(diào)諧二極管激光光譜儀

1、用于遙感機(jī)動(dòng)車排放的近紅外可調(diào)諧二極管激光光譜儀1. 導(dǎo)言 汽車排放是城市主要的大氣污染源。 高濃度的污染物， 諸如機(jī)動(dòng)車排放出來(lái)的一氧化碳、 氮氧化物、 碳?xì)浜皖w粒， 可導(dǎo)致健康和環(huán)境問(wèn)題。 然而， 造成主要排放污染的那些機(jī)動(dòng)車僅 有一小部分。因此把這些“重污染者”或者叫“高排放者”識(shí)別出來(lái)是減少機(jī)動(dòng)車排放總量 和改進(jìn)城市空氣質(zhì)量的重要一步。當(dāng)前，全世界的一般方法是使用定點(diǎn)“總污染物”法，就 是用一臺(tái)靜態(tài)道邊排氣管氣體分析儀檢驗(yàn)。 但是這種方法太耗費(fèi)時(shí)間而只能對(duì)一小部分機(jī)動(dòng) 車檢查。 因此， 在機(jī)動(dòng)車通過(guò)時(shí)對(duì)其排放進(jìn)行遙測(cè)的可能就引發(fā)了巨大的興趣，可以減少城市空氣中的污染排放。 該技術(shù)的非介

2、入檢測(cè)方式允許機(jī)動(dòng)車快速行駛時(shí)迅速檢測(cè)而不會(huì)給司 乘人員帶來(lái)不便。 必須要注意的是這兩種排氣測(cè)量方法不能直接進(jìn)行比較， 因?yàn)椋?機(jī)動(dòng)車在 遙測(cè)期間常常是在路面上正在行駛， 而在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)時(shí)， 機(jī)動(dòng)車是靜止的并且發(fā)動(dòng)機(jī)處于 怠速狀態(tài)。這些檢測(cè)方法可能使用計(jì)算機(jī)軟件就成了屏幕上顯現(xiàn)為不斷重復(fù)的停止檢查 動(dòng)作。進(jìn)一步， 這些信息可以采集起來(lái)有效使用在機(jī)動(dòng)車排放控制系統(tǒng)或發(fā)動(dòng)機(jī)工況校正管 理系統(tǒng)。行駛中的機(jī)動(dòng)車所排放的氣流中的那些氣體混合物高于靜態(tài)狀況。機(jī)動(dòng)車駛過(guò)時(shí)，廢氣 從排氣管中剛排入空氣時(shí)的紊流， 一齊噴出， 迅速散開(kāi)成氣流， 這樣在不同的位置氣體分散 的程度就不同。 由于這些狀況， 穿過(guò)氣流

3、的位置是不能確定的。因此， 就要把吸收光譜法的 測(cè)量光線收集起來(lái)進(jìn)行判讀。 通常采用解決這個(gè)問(wèn)題的方式就是測(cè)量氣體的成分并同時(shí)測(cè)量 二氧化碳的含量，因?yàn)椋?氣流中氣體的比率是恒定的。根據(jù)燃燒過(guò)程的認(rèn)識(shí)，能夠計(jì)算出所 監(jiān)測(cè)氣流中的污染物百分比濃度。機(jī)動(dòng)車排放遙測(cè)是由斯泰德曼和他的合作者在 1980 年代末期開(kāi)發(fā)的，并已被他的小組 和世界其它人廣泛測(cè)試。 第一臺(tái)儀器利用寬帶中紅外光譜只能監(jiān)測(cè)CO 和 CO2 1 。 碳?xì)涞臋z測(cè)是后來(lái)加上的， 接著集成了紫外光源， 增加了對(duì) NO 的檢測(cè)。 盡管寬帶儀器很好的完成 了檢測(cè)并獲得了很多有用的資料， 但他們確實(shí)遇到了很多困難。 寬帶光譜和其它形態(tài)的光譜

4、相比所固有的低選擇性， 使儀器的碳?xì)湫诺酪騺?lái)自水蒸氣的干擾而受到顯著影響。 不連續(xù)紅 外光源的散射使得光路長(zhǎng)度限制在最長(zhǎng)約 8 米，這導(dǎo)致儀器的使用場(chǎng)所受到限制。 其它問(wèn)題 可能是 CO2 在基本紅外區(qū)域的高吸收與背景的精確消除引起的?；阢U鹽二極管激光器的致冷中紅外系統(tǒng)由 Kastner et al.10 和稍后的 Nelson 和他的合 作者 11，12首次用來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車排放中的 NO,N2O 和 CO2。 該儀器工作在中紅外區(qū)域， 可得到高強(qiáng)度基本振動(dòng)吸收。 用激光器作分光鏡的光源克服了基于寬帶系統(tǒng)的選擇性和光路 長(zhǎng)度方面的局限。 此外， 激光器也能增加對(duì)其他小含量氣體的監(jiān)測(cè)。 但是使用

5、鉛鹽二極管激 光器需要低溫冷卻，這不利于野外使用。Mackay et al. 提出過(guò)一個(gè)用通訊激光器的測(cè)量方法但沒(méi)有給出進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明 13 。其它更多的新近工作是把氣體濾光器和寬帶紅外光源結(jié) 合起來(lái)使用。該工作的目標(biāo)是研究把近紅外可調(diào)諧二極管激光吸收光譜( NIR-TDLAS )用于遙測(cè)機(jī) 動(dòng)車排放。 近紅外可調(diào)諧二極管激光器技術(shù)有幾個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)， 諸如，成本降低， 設(shè)計(jì)更緊湊， 利用充足成熟的長(zhǎng)途通信技術(shù)使得使用起來(lái)便利， 此外還有增加了近乎超寬帶的選擇性。 這 就是對(duì)近來(lái)這一技術(shù)的一個(gè)回顧。 機(jī)動(dòng)車排氣遙測(cè)儀已被設(shè)計(jì)建造出來(lái)用于檢測(cè)汽車排氣中 的一氧化碳和二氧化碳。 具有二次諧波探測(cè)的波

6、長(zhǎng)調(diào)制與信號(hào)自動(dòng)平衡組合， 從而提升了近 紅外區(qū)域甚弱吸收的靈敏度。 該儀器已經(jīng)同國(guó)家交通檢察員一起在若干條公路的多個(gè)地方做 了測(cè)試。初步結(jié)果先前已經(jīng)公布 16 ，17 。本文闡述了一種新型的基于近紅外二極管激光器的在線遙感儀器。 該儀器的工作原理在 下面的硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理方式中首次論述。 該儀器及在公路上測(cè)試所獲部分測(cè)試結(jié)果的確實(shí)性詳細(xì)資料已在此前給出。2. 試驗(yàn)準(zhǔn)備2.1. 運(yùn)行原理這臺(tái)儀器利用近紅外二極管激光吸收光譜監(jiān)測(cè)CO和C02,采用單一運(yùn)行在約 1579nm(6330cm-1)的DFB激光器設(shè)計(jì)制作。波長(zhǎng)調(diào)制和二次諧波檢測(cè)組合使用，平衡檢測(cè) 以提高檢測(cè)靈敏度。所使用的激光器要選擇

7、調(diào)諧范圍約3cm-1的寬單模電流的。這樣允許兩個(gè)氣壓峰展寬而被在設(shè)置于某一激光器溫度下的單一電流/波長(zhǎng)掃描所覆蓋。該振蕩波段附屬于C0(3 0)和C02 (2,2,1 0，0，0)，交迭在1570和1590nm之間的近紅外區(qū)域，就可 利用若干可能存在的 CO C02峰對(duì)(圖1)18。CO和C02的吸收線按標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值選取。吸 收峰必須靠得足夠近，使其能處于激光器電流(波長(zhǎng))調(diào)諧范圍內(nèi)，也要分開(kāi)足夠遠(yuǎn)，不能 交迭太多，還要遠(yuǎn)離水的特征點(diǎn)而水的特征點(diǎn)可能特強(qiáng)烈，且較合適的是 CO吸收線要大大高于C02，因?yàn)檐囕v排氣中的CO濃度低于 C02。該峰對(duì)被認(rèn)為最合適的是CO在1579.737nm(3 0，P(

8、5)，CO2 在 1579.574nm(2,2,1 0,0,0)P(20)。圖1、CO和C02在1580 nm附近的部分吸收線，有圈的是CO,其他是C02。2.2. 光路系統(tǒng)布置光路系統(tǒng)布置如圖2。激光器固定在帶有可調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)光學(xué)器件的溫度控制器座里面。激 光器發(fā)出的校準(zhǔn)光由兩塊分光鏡轉(zhuǎn)變成三束測(cè)量光。其中與對(duì)準(zhǔn)用的可見(jiàn)激光器(635nm)發(fā)出的光合起來(lái)的那束光，經(jīng)過(guò)分光器盒，穿過(guò)路面到一塊直徑8cm的回射器，自那里返回，聚焦到自動(dòng)平衡探測(cè)器的一個(gè)處在拋物面焦點(diǎn)的光敏二極管上。第二束光用作自動(dòng)平衡探測(cè)器的參考光。衰減板可調(diào)節(jié)參考光敏二極管上的光強(qiáng)以使探測(cè)器的噪聲減至最低(比率2.2:1 )。第三

9、束光穿過(guò)含有一氧化碳和二氧化碳的參考?xì)馐覟閮烧咛峁﹨⒖脊?，以獲得穩(wěn)定 性和發(fā)現(xiàn)峰點(diǎn)。IRIjserAlienualorVisible aLgniiient圖2、道邊光譜儀的光路圖2.3. 儀器結(jié)構(gòu)儀器的主要結(jié)構(gòu)如圖 3所示。儀器電源由一對(duì) 12V鉛酸電池提供。修正正弦波電源轉(zhuǎn) 換器也是由計(jì)算機(jī)用的電源交流電提供。兩塊鎖相放大器電路板用來(lái)解調(diào)二次諧波信號(hào)和參考探測(cè)器的輸出。在一只與激光器和熱電致冷器安裝盒一樣的盒子里有一塊主控板。函數(shù)發(fā)生器是一小型直流電源單元，為激光器控制板提供一 70kHz （這是鎖相放大器的最高工作頻 率）的正弦調(diào)制波。光學(xué)組件裝在一防雨的箱子中放在道邊。400MZ奔2計(jì)算

10、機(jī)通過(guò)多功能A/D和D/A卡對(duì)儀器進(jìn)行控制。帶遠(yuǎn)攝鏡頭的數(shù)字照相機(jī)由計(jì)算機(jī)觸發(fā)捕獲駛過(guò)的要測(cè) 量的汽車的靜態(tài)圖像。速度和加速度測(cè)量傳感器包括兩個(gè)單元：一個(gè)單元包含三只可見(jiàn)二極管激光器，分開(kāi)安裝在一 50cm長(zhǎng)桿上，另一單元也是相似的長(zhǎng)桿，桿子上有三只特定波長(zhǎng)的光敏二極管。駛 過(guò)的汽車連續(xù)打斷三束可見(jiàn)光，三只光敏二極管在專門設(shè)計(jì)的數(shù)字電路上就會(huì)組合輸出信號(hào) 到兩根數(shù)字信號(hào)在線，這兩根線同計(jì)數(shù)/定時(shí)卡的數(shù)入門連在一起，一起接入計(jì)算機(jī)，從定時(shí)卡輸出值就能計(jì)算出車輛的速度和加速度。這些信息由計(jì)算機(jī)和相關(guān)汽車的排氣測(cè)量值存儲(chǔ)在一起。圖3、道邊光譜儀的主要組成部分。24測(cè)量步驟和數(shù)據(jù)處理對(duì)程序來(lái)說(shuō)有三個(gè)運(yùn)

11、行階段，“車前”階段，“光束鎖定”階段和“車后”階段。運(yùn)行期間， 隨著D/A卡向激光器控制卡不斷重復(fù)送出128點(diǎn)電壓斜線，激光器波長(zhǎng)以72Hz連續(xù)不斷地在0.3nm范圍掃描。第一階段期間，儀器在等候汽車時(shí)，連續(xù)的每一個(gè)掃描都滾動(dòng)式存入存 放20個(gè)掃描的寄存器中，每增加一個(gè)新掃描，就刪除一個(gè)最先存入的掃描。參考室的掃描 也類似的不斷滾動(dòng)式存儲(chǔ)但只存10個(gè)掃描。在此階段，每掃一次就測(cè)量一次激光強(qiáng)度，一旦光束功率降到一定水平，程序就進(jìn)到“光束鎖定”階段。進(jìn)入此階段即刻，最后存儲(chǔ)的背 景掃描和參考掃描在剩下掃描的進(jìn)行平均前被刪除。激光器能量通道僅在此時(shí)隨著連續(xù)的每一次掃描被阻斷。隨著汽車離開(kāi)光束，當(dāng)再

12、次檢測(cè)到激光器能量升高時(shí)，“車后”階段就開(kāi)始了。接下來(lái)進(jìn)行 20次掃描然后存儲(chǔ)，剔除第一個(gè)后，剩下的進(jìn)行平均，然后從結(jié)果中減 去背景掃描均值。接著用一個(gè)低通傅式變換濾波器處理掃描結(jié)果，以減少噪聲。圖4所示是一個(gè)在72Hz運(yùn)行期間單個(gè)掃描的例子。嚴(yán)乙 AndllnaJalEQ-ERLI-CO(V40 to V-3.F(nni)圖4、在一輛通過(guò)的汽車排放煙羽中，以72Hz單次掃描得到的 CO和C02二次諧波吸收光譜。參考信道是使用掃描中的輔助峰，CO/CO2的比率由2f信號(hào)峰高度減去兩個(gè)吸收特征點(diǎn)的差分與在兩個(gè)峰處的激光電源的差分的線長(zhǎng)之和的差值決定。波長(zhǎng)調(diào)諧范圍在測(cè)量區(qū)域是線性的，這個(gè)線性可被準(zhǔn)

13、確檢查出來(lái)。二次諧波譜線每時(shí)都不重合。圖5顯示光束穿過(guò)排氣時(shí)二氧化碳峰高規(guī)律性的反時(shí)典型變動(dòng)情況，表明機(jī)動(dòng)車駛過(guò)后，因排放的氣流擴(kuò)散而導(dǎo)致濃度降低。EQaHN 誥LTime ms圖5、光束穿過(guò)機(jī)動(dòng)車排氣時(shí)二氧化碳峰高規(guī)律性的反時(shí)典型變動(dòng)情況2.5.儀器校準(zhǔn)野外最小可測(cè)到的吸收約 1x10-5,這靠外推穿過(guò)放在儀器光路上直徑2.5cm長(zhǎng)20cm的無(wú)窗氣室的由氮?dú)饣旌系臉?biāo)準(zhǔn)3%CO決定。機(jī)動(dòng)車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒按下面方程(見(jiàn)5)考慮，在這里 m是空氣-燃料比CH2 + m(0.2lO2 + 0.79N2)- H2O 十nCO 十 Z?CO2 十 0.79N2Carbon = IOxygen 0.4

14、2j = I 十 a + lb此處設(shè)定排放煙羽中的一氧化碳濃度是干燥的百分濃度，計(jì)算如下42(?%CO=(2.79 十 2.79Q)這個(gè)簡(jiǎn)單的等式忽略了排氣中的NOx和碳?xì)洌ǔＧ闆r下， CO濃度比碳?xì)涓?到3個(gè)數(shù)量級(jí)，因而在上面那個(gè)等式中不會(huì)引起大的誤差。排放煙羽也可因機(jī)動(dòng)車排放控制系統(tǒng)把空氣引導(dǎo)進(jìn)入排氣流中而淡化排氣濃度。但是，CO的百分量值作為機(jī)動(dòng)車相對(duì)污染量指示器還是很有用處的。它可以識(shí)別出新型汽車的催化式尾氣凈化器的故障。2.6.菲爾德測(cè)量?jī)x器在英國(guó)西約克郡地區(qū)的若干地方作了開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。 儀器一般在車廂里運(yùn)行， 故儀器的 大部分機(jī)件和操作者受到保護(hù)而不受天氣影響。 設(shè)立照相機(jī)紀(jì)錄通過(guò)的

15、汽車牌照， 以把排放 結(jié)果同特定的車輛聯(lián)系起來(lái)，且能獲得車齡和平均排放之間的大致關(guān)系。儀器安放的首選位置是車輛加速上坡的路段。這種條件下，排氣氣流體積增加使有關(guān)的氧化碳檢測(cè)更容易。做了若干類型道路的試驗(yàn)但主要的是單車道和雙車道。3. 結(jié)果和討論試驗(yàn)過(guò)程所得到的部分結(jié)果以十分圖顯示在圖6。此圖的數(shù)據(jù)是這樣處理的，把在某處所測(cè)的CO百分含量進(jìn)行排序，然后按每 10%總含量把數(shù)據(jù)順序分成 10份。這表明了這樣 一個(gè)事實(shí)就是那機(jī)動(dòng)車中最臟的10%，也就是十分圖中第十部分，要對(duì)超過(guò)40%的CO排放量負(fù)責(zé)。從機(jī)動(dòng)車牌照分析就能確定機(jī)動(dòng)車年齡。圖7顯示了車牌所示的車齡同 CO濃度的關(guān)系，其樣本是西約克郡Sp

16、enborough地區(qū)450輛車。這表明一個(gè)事實(shí)，CO%隨車齡而增加。7 6 5 4 3. 2 (濾00省罟雷1-j.J.jiJLJLJLI12345678910Decile圖6、在Spenborough. West Yorkshire, UK地區(qū)監(jiān)測(cè)的454輛機(jī)動(dòng)車排放結(jié)果表明，大部分的排放是由10%的車輛造成的Vehicle age (years)圖7、CO排放與機(jī)動(dòng)車使用年限的關(guān)系。通過(guò)大量機(jī)動(dòng)車的測(cè)試在該領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)有很多影響。最重要的因素是測(cè)量激光束穿 過(guò)的排氣的濃度。通過(guò)計(jì)算排氣中的一氧化碳和二氧化碳體積比的方法補(bǔ)償了氣流擴(kuò)散所致 的濃度稀釋效應(yīng)，但是沿著光路隨絕對(duì)濃度的降低，測(cè)量

17、精度也越低。因而對(duì)于特定車輛其測(cè)量質(zhì)量取決于排氣濃度。加速時(shí)的車輛和較大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛排放更高，導(dǎo)致總擴(kuò)散更高。即使駛過(guò)的汽車造成了大量排放，要想獲得最高的測(cè)量精度， 激光束必須穿過(guò)氣流中濃度最大的區(qū)域。排氣管角度、風(fēng)、紊流和車速全都會(huì)影響排氣的形狀和分布情況，也會(huì)影響激光與氣流的交疊度。相關(guān)程度是光束在氣流中停留的時(shí)機(jī)，因?yàn)樾盘?hào)的計(jì)算是按光束數(shù)次掃描的平均值計(jì)算的。 理想的，是排氣按g/km來(lái)表示，這在遙測(cè)中更難以決定。信號(hào)尺寸也依賴于返回光強(qiáng)。機(jī)動(dòng)車在較冷的條件下運(yùn)行時(shí)，所排出的氣流含有高濃度 的微小水滴，這會(huì)使光束變?nèi)?。排氣流中的碳基小顆粒物質(zhì)也會(huì)削弱光束，這對(duì)于柴油車尤其顯著。其它方

18、面的光束衰減源為機(jī)動(dòng)車在潮濕路面產(chǎn)生的飛沫。提高這個(gè)儀器系統(tǒng)的靈敏度可以使用更快的高達(dá)數(shù)千赫茲的波長(zhǎng)掃描頻率同數(shù)兆赫茲 調(diào)制波連用。加之在較長(zhǎng)波段可能有更強(qiáng)烈吸收。例如，我們已采用DFB二極管激光器于2.3um在野外對(duì)排氣中的 CO作了初步測(cè)試。圖8顯示了測(cè)量曲線和基于HITRAN數(shù)據(jù)的模擬18。這是一次諧波區(qū)域的情況，其線強(qiáng)度約為10-20cm molecule-1,相對(duì)的在二次諧波為10-22cm molecule-1。C02在約2um處吸收更強(qiáng)烈，這也有商用DFB二極管激光器。不足之 處是必須用兩只激光器代替一只激光器。ExperimentalR(14)Simulatedft A八八 亠/V K 4n I 1 1 1 1 1 B III I . I i I I I I I K I I . I I I y (cm )X (nm)4309.3430024309.14309.04308.94