量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法技术

本发明专利技术公开了量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，包括探测系统，系统包括光源、光路及望远镜、探测器、波长锁定、同步触发控制、数据采集及浓度廓线反演部分；进行浓度廓线探测时，两个量子级联激光器通过波长锁定使其激光器输出波长分别锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λ

【技术实现步骤摘要】
量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法
本专利技术属于环境监测领域、激光雷达探测
，具体涉及一种量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法。
技术介绍
挥发性有机化合物(VOCs:VolatileOrganicCompounds)是指沸点在50℃～260℃之间，能参加大气光化学反应的有机化合物总称，包括非甲烷烃类、含氯有机物等，种类繁多，常见的VOCs有甲醛、苯、甲苯、二甲苯、乙烯、乙醛、三氯乙烯、四氯乙烯等。VOCs对环境及人体健康有严重的不利影响。光照条件下，VOCs和氮氧化合物发生化学反应，生成臭氧及光化学烟雾；同时，VOCs也会生成粒径较小的二次颗粒物，成为PM2.5的重要组成部分；此外，由于VOCs多为脂溶性溶剂，一方面对农作物生长产生影响，导致产量下降，另一方面，也容易通过呼吸作用经肺、血液进入人体，导致多种疾病和恶性肿瘤。近年来，随着大气污染控制力度的加强，我国城市空气质量总体改善，PM2.5、二氧化硫等污染物年均浓度和超标率均逐年下降，但以臭氧为代表的二次污染物却呈现加剧的趋势。由于PM2.5、臭氧和光化学烟雾的产生都与VOCs有密切关系，专家普遍认为：我国大气污染未得到遏制的重要原因在于造成大气二次污染的VOCs排放未得到有效控制。开展VOCs监测及排放控制，首先需要对VOCs进行探测。目前，VOCs的探测方法主要有气相色谱-质谱法(GC-MS)、电离-质谱法(PTR-MS)等。这些方法虽然有很高的探测灵敏度，但均是离线的取样式探测，只能针对小面积的局部区域进行探测。由于VOCs来源广泛、排放点多面广、成份繁多，其演化消散过程复杂，目前迫切需求的是可在现实大气环境下、较大区域内对VOCs浓度进行探测的空间立体探测技术。近年来，基于光谱学理论的大气光学探测技术已有了飞速的发展，由于具有非接触、无需取样、高灵敏度、大范围遥感等特点，成为大气探测的最新手段。其中的气体吸收光谱学理论表明：气体分子因其结构及其能级的不同，每种气体都会对特定波段的光具有强吸收特性，根据它们的特异性吸收，就可以对被探测气体的成份进行定性和定量分析。基于光谱学理论的大气光学探测技术主要有傅立叶变换红外光谱技术(FTIR：FourierTransformInfraredspectroscopy)、差分光学吸收光谱技术(DOAS：DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)、可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS：TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)、差分吸收激光雷技术(DIAL:DifferentialAbsorptionLaser)。其中，前三种探测方法采用透射、硬反射方式，虽然具有较高的探测精度、可同时进行多种气体探测等优点，但其所获得的浓度均是“柱浓度”，——即只能获得整个探测路径中的所探测气体平均浓度。而“柱浓度”对气体相关特性的来源及分布解析不精准，无法满足空间立体探测的现实需求。激光雷达探测技术是一种主动探测方法，该方法通过接收其所发射的窄脉冲激光信号与气体相互作用后的回波信号，来获取大气的物理化学特性，激光雷达的优势在于其可以获得被探测气体的特性随探测高度的变化情况——廓线信息，结合扫描技术进而可以获得其空间分布，在空间立体探测领域具有极大的优势。差分吸收激光雷技术(DIAL:DifferentialAbsorptionLaser)基于激光雷达探测手段，工作时，DIAL的激光器输出两束波长很相近的激光，其中一束激光波长需选在待测气体的强吸收截面上，称之为λon，另一相近的激光波长选在待测气体的零吸收或者弱吸收截面上，称之为λoff，根据两激光波长的回波的差异确定这两束激光相同路径上待测气体的浓度。DIAL具有实时在线、高精度、高时空分辨等特点，其测量光程可达几公里至几十公里，目前已实现了平流层和对流层内气溶胶、臭氧、氮氧化物、二氧化硫等气体的空间浓度测量。DIAL的关键在于必须获得两束波长可调节的激光，在工作时将其波长分别调节并锁定在被探测气体的λon、λoff处。目前，实现输出波长可调节的激光器主要有两种：一种是光参量振荡激光器OPO,另外—种是染料激光器Dyelaser。OPO激光器利用双折射BBO晶体的非线性效应实现较大范围的波长调节，但由于OPO激光器需满足相位匹配条件，对系统准直的要求非常高,导致系统抗干扰振动能力弱。此外，OPO激光器必须使用很强的泵浦功率,泵浦功率的抖动很容易损伤BBO晶体，这使得其维持繁琐、成本高，不利于实际应用；染料激光器是利用染料的荧光效应来实现波长调节，目前已经有数百种的有机染料可供使用，可以实现波长从320nm～1200nm范围内调节，但由于染料会被泵浦光漂白，导致激光器的输出功率下降，所以染料激光器难以长时间稳定工作。采用DIAL方法来获得VOCs的浓度廓线，需要把激光器的激光波长调节到VOCs的强吸收线位置。在VOCs吸收谱带中，吸收较强的被称为“基频吸收带”，吸收较弱的被称为“泛频吸收带”。通常情况下，VOCs的“基频吸收带”比“泛频吸收带”的吸收强度高1～4个数量级。除部分气体外，大多数VOCs的“基频吸收带”都位于红外波段，所以，红外波段是VOCs探测的最佳探测区。然而，目前，无论采用OPO还是染料激光器，均不能获得中红外波段波长可调节的激光光源，因此，中红外波段激光的获取是限制DIAL探测VOCs浓度廓线的关键。量子级联激光器是近年来发展起来的一种新型激光器，可实现中红外波段(4.3～24um)连续或脉冲激光输出，具有窄线宽、波长可调节的特点，是VOCs探测的理想光源。如果将量子级联激光器可实现中红外探测光输出的优势与差分吸收激光雷达具有可获得气体浓度廓线的机制相结合，有望实现中红外波段VOCs浓度廓线的精细探测。为此，本专利提出双量子级联激光器差分吸收激光雷达探测方法：将两个波长可调节的脉冲式量子级联激光器分别锁定在被探测VOCs的强吸收线的吸收峰λon、弱吸收线λoff，以激光雷达作为探测体制，以差分吸收作为探测手段，实现近地面VOCs空间浓度的探测。该方法易于实施，便于维护，对不同的被探测气体更换不同的量子级联激光器即可实现探测，具有普适性强的优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，实现VOCs浓度廓线的探测。本专利技术所采用的技术方案，量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，包括量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测系统，系统包括光源、光路及望远镜、探测器、波长锁定、同步触发控制、数据采集及浓度廓线反演部分；探测方法为，进行浓度廓线探测时，两个量子级联激光器通过波长锁定使其激光器输出波长分别锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λon和弱吸收谷λoff，然后在同步触发控制下交替发射窄脉冲激光光束，进入探测区域，在被探测气体吸收、散射后，其后向散射光被望远镜接收，经探测器转换、数据采集后及反演后，获得探测区域被探测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于，包括量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测系统，所述系统包括光源、光路及望远镜、探测器、波长锁定、同步触发控制、数据采集及浓度廓线反演部分；/n所述探测方法为，进行浓度廓线探测时，两个量子级联激光器通过波长调谐，使其激光器输出波长分别锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λ

【技术特征摘要】
1.量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于，包括量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测系统，所述系统包括光源、光路及望远镜、探测器、波长锁定、同步触发控制、数据采集及浓度廓线反演部分；
所述探测方法为，进行浓度廓线探测时，两个量子级联激光器通过波长调谐，使其激光器输出波长分别锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λon和弱吸收谷λoff，然后在同步触发控制下，交替发射窄脉冲激光光束进入探测区域，在被探测气体吸收、散射后，其后向散射光被望远镜接收，经探测器转换、数据采集后及反演后，获得探测区域被探测VOCs的浓度廓线信息。


2.根据权利要求1所述的量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于，所述探测光源为脉冲式量子级联激光器，激光器输出波长可以调节，激光光束为脉冲式光束。


3.根据权利要求1所述的量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法，其特征在于，所述量子级联激光器的数量为两台，其中一台激光器的输出激光波长被精细调节并锁定在被探测VOCs气体的强吸收峰λon处；另一台激光器的输出激光波长被精细调节并锁定在被探测VOCs气体的弱吸收谷λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛文辉，刘凯凯，李耀飞，胡锦源，华灯鑫，李仕春，闫庆，王骏，任卓勇，方林，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61