基于TDLAS技术开展大气环境质量监测的研究分析

庄 辉

（枣庄市市中生态环境监控中心，山东 枣庄 277101）

1 大气质量监测以及TDLAS技术简述

1.1 大气质量检监测

大气污染主要是由固定污染源、流动污染源在区域内共同进行排放，并通过不同途径进行扩散而形成，同时随着时间的推移，大气污染会受到气候、季节、环境状态以及地形等各种因素的影响，导致污染范围和污染程度随之发生改变。为能够准确掌握大气污染现状、变化规律以及发展趋势，需要针对大气污染情况使用各类技术进行长期监测，连续获取污染数据和信息，为大气污染相关管理部门提供污染浓度变化曲线，结合污染状态、污染片数以及浓度变化特征，来分析影响大气质量和安全的各项因素，为大气质量评估提供基础核心数据。据调查，截至2020年山东枣庄市大气环境总体呈上升趋势，当期PM2.5、PM10的实际浓度分别为54 μg/m3、93 μg/m3，环境状态与2015年相比明显改善38%-41.5%，全年优良天数占比达到63.4%，重度污染降低到7天，枣庄市大气环境质量改善效果位居全省第一位。

1.2 TDLAS技术简述

1.2.1 TDLAS技术优势

TDLAS技术的关键和重要的部件就是可调谐半导体激光器，在这一部件当中注入一定量的电流，部件波长、窄宽线会出现一定变化，结合这一变化特征实现对吸收线的监测和分辨，这一技术也正是凭借这种优势被大量使用到大气环境监测当中。其具有的优势主要表现在以下几个方面[1]：第一，这一技术具有灵敏度高的特点，在保证灵敏度的基础上可针对时间分辨率进行准确的管控，让精准度可以一直保持在毫秒量级当中；第二，这一技术能够充分针对多组分进行监测，并且分辨率以及选择性较高，能够充分避免监测中受到其他气体的干扰或者限制，相对于现有的其他方法，其技术优势和使用价值非常显著；第三，使用该技术时可以针对测量结构进行自动化纠正，防止监测结果受到外部压力、环境温度等各种变化因素的影响；第四，技术采取的仪器并没有配置运动元件，可靠性非常优异，维护较为简便；第五，测试仪器内部会设置相应标定腔，在监测大气环境中，仪器可以自动标定污染物，并不需要有关人员手动展开操作和管理。

1.2.2 TDLAS技术原理

TDLAS技术又被称为可调谐半导体激光吸收光谱技术，属于一种新兴、高质量的光谱吸收技术，其充分继承了已有的吸收光谱技术的优点，采取可调谐半导体当作发射光源。可调谐半导体激光线与传统光源相比光线宽较小，频率与波长可小范围进行，避免被监测物体中其他气体对监测产生干扰。TDLAS技术能充分分析光被气体选择吸收的情况，监测气体的浓度，发射一束光照射并通过待监测气体，并用仪器另一端接收光线，发射器和接收器之间的距离对光程组合起着决定性作用，测量原理以比尔定律为主，主要就是A（λ）=σ（λ）CL.其中，A（λ）表示吸收率（λ），CL则为乘积，公式的概念为吸收率与光程浓度、长度之间的乘积成比例，比例当中的常数主要就是分子吸收数σ（λ），不同分子特征各不相同，因此可以利用这一技术来观察吸收率，从而监测吸收分子实际浓度[2]。

2 TDLAS技术监测方法

从信号等因素上可以将TDLAS划分成为三种监测方法，分别为直接吸收法、波长调制法、频率调制法以及其他新型方法，本文主要针对这三种方法进行分析。

2.1 直接吸收光谱

通过不同变化输出激光的波长，来扫描目标气体中的吸收谱线，之后利用信号平均仪器将扫描获取的各项数据进行整合获取平均值，以此来得到平均的谱线，经过数据处理后，可防止在使用固定波长时产生的系统数据误差带来的不利影响，包括RAM（Residual Amplitude Modulation）、吸收邻近谱线等影响。事实上，直接吸收光谱技术主要就是利用光强的改变来分析被测气体的实际浓度，若是气体对于入射光具备的吸收能力较少，则透光性就比较强。若光强实际变化比较小，则很容易受到背景噪声的限制与影响，导致测量误差。背景噪声出现原因主要有激光强度存在起伏和吸收池内部被测分子出现密度起伏，这也是直接吸收光技术存在的最明显缺点。为全面抑制测量过程中背景噪声问题，在直接吸收光谱技术的应用过程中逐步研发了平衡波、扫描积分等各种测量方法。

2.1.1 平衡监测

平衡监测主要就是利用从分束器入射的激光当中合理分出一束成为参考光束，实现在大信号当中针对微小变化进行分辨的目的。若将充分透过吸收池所产生的光强、参考光束，同时加入自动平衡电路当中，自动平衡电路实际输出信号将会与直流部分一同被扣除，留下的就是能够全面反映吸收的微小改变某一部分，背景噪声也可以得到抑制。

2.1.2 扫描积分

这一技术主要就是通过多次扫描平均信号，把信号当中的噪声全面降到最低水平。在工作初始阶段，锯齿波或者其他各种波形的电流将会被叠加到激光仪器的驱动电流当中，而扫描电流的实际相位则会被信号平均器锁定。检查器所输出的信号可以被逐步加入信号平均器当中，利用多次时间积分的形式将噪声消除。要想保证扫描积分方式具备灵敏度较高的优势，最关键的内容就是解决电流扫描中所引发的幅度调制问题，因为在信号当中因为幅度调制所形成的波动占到了约20%。并且由于受到特征吸收扫描速率的约束以及限制，在大气环境质量监测过程中扫描积分技术所达到的灵敏程度将会低于现阶段所流行的频率调制以及波长调制技术，并且在信噪当中扫描积分技术是否可以超过其他技术，也有待进一步验证与分析。不过从仪器造价以及整体设计需求层面考量，因为扫描积分技术的应用并不需要使用锁相放大器，可以让TDLAS的总体积有效减少，仪器实际造价取决于信号处理线当中路板的价格。

2.2 波长调制光谱

由于采取直接吸收的方法会受到激光源、探测电路、光电探测器等各种因素的不利影响，因此研究人员便针对其进行创新从而形成了波长调制光谱技术，增强了光谱技术监测的灵敏度。与传统的直接吸收气体监测技术相比，波长调制光谱技术的优势在于监测时会出现一个谐波信号，这一信号与气体浓度成正比。技术实施方法，则将调制电流有效注入半导体激光仪器当中，设置激光器温度以及各项驱动电流，结合调制电流管控输出的激光频率，将激光器波长与对应待测气体吸收线相协调，叠加在监测仪器驱动电流当中的锯齿波信号会利用输出波长来进行扫描，并通过设立的气体吸收线，将气体介质当中光强信号进行记录，通过获取的其他吸收信号得到吸收光谱，实现高频调制。通过对其他光谱信号在二倍频上展开相敏监测，能够精准获取二次谐波信号，以此来提高监测效果。由于监测气体的成分会充分与激光互相影响与作用，产生一定调制频率信号，有关人员使用相敏电路能够针对这些信号进行探测，使用价值较为优异。

调制光谱的优点是其能够增强气体浓度的监测频率和效率，只有落到中心监测频率的周围或者附近，探测才可能会受到噪声的影响，因此调制光谱技术的灵敏度更加优异，能够充分利用这一技术来监测痕量气体，把握气体的变化规律。缺点是这一技术在使用时可能会受到激光器高频量噪声的影响和限制。

2.3 频率调制光谱

频率调制技术在1980年被正式提出，之后大量学者针对这一技术展开了研究和分析。采取频率调制的一个关键因素，就是在合适的条件下使用大于吸收光谱线宽的频率，其探测频率相对较高，一般为数GHz，激光器产生的过量噪声问题可以被忽视。因此，频率调制技术能够获取更高的探测极限，更加深入地探测大气环境，由于频率非常高，系统相对复杂，这也使得这一技术对于探测能力有着较高要求。这一监测技术凭借十分优异监测能力，被广泛应用在大气环境监测中，特别是在监测大气压下其他组分时，需要利用这一技术来判断大气环境状况。一般情况下，频率调制光谱可以分为单频调制和双频调制，其中单频调制主要是利用单一的高频调制技术实施调制。而在双频调制中则应用两个高频频率实施调制。不过需要了解的是，目前并没有证据可以证明，TDLAS高频调制仪器具备的带宽灵敏度超过2×10-6，虽然现存的灵敏度远远超出波长调制光谱系统具备的灵敏度，灵敏度高出约5倍，但高频调制系统对于光程要求更高，与波长调制光谱相比较低。所以对最低监测浓度数值有着一定的约束。另外，部分研究表明，针对痕量大气监测应用过程中可以接受的窄带宽（0.1 Hz），高频调制系统才会在波长调制光谱中具备优势。高频调制方案，特别是单频调制，其与波长调制相比成本更高，对于激光器实际性能有着较高要求，并且会涉及射频提取等各种问题。

3 大气环境监测中TDLAS技术使用要点

3.1 监测过程

在监测大气环境时，首先需要精准明确监测气体吸收谱线的位置频率，其次选取激光二极管，明确发射范围，设置一个最合适的温度以此来了解激光频率，之后在仪器当中注入低频率的锯齿电流，让激光频率充分、稳定地扫描整条吸收谱线，结合谱线获取“吸收光谱”信息数据。吸收光谱技术具有的单线特征，能够避免待监测气体受到背景当中各种组分气体的影响，增强监测的精准性。

实际应用TDLAS技术时，要保证光谱线频率吸收位置的合理性。可先利用试验样机来监测不同体积的待监测气体，收集和整合探测器光功率、吸收光波峰信号二次谐波强度比值以及气体体积和组分数据，形成一个数据表，并利用设备将这一表格中数据进行线性拟合等有效处理，以此来获取探测器光功率、二次谐波吸收峰信号强度两者之间的比值，以及分数、体积之间的关系式，结合试验机计算出探测器具有的管理以及信号强度比值之后，将其导入到相关关系式当中，以此来获取被监测气体的信息。

3.2 吸收光谱结构

依据TDLAS技术的使用和工作原理，激光会将光路当中的光源划分为三路，第一路会利用光纤直接进入到大气监测仪器内部，通过观察激光的强度来判断激光监测仪器光源的工作状态和情况；第二路光源会充分经过中央控制单元内部的参比池（仪器名字），明确监测系统的工作零点以及自标定；第3路会充分经过光缆被传输到发射单元的标直器当中，通过气体管道内部正在被监测的气体，被仪器内部接收单元当中的红外线监测仪器接收，通过电光转换的模块将其转换成为激光信号，之后再被传送回中央系统当中，经过后续各项处理和操作获取气体的浓度。

3.3 选择谱线

TDLSA技术使用过程中，会采取可调谐二极管激光吸收光谱的技术，这也使得谱线的选择非常关键。需要在选择谱线时结合以下原则开展。第一，针对测量要求选择相对应吸收谱线，既要保证谱线波长和TDL内部中心波长相一致，又要保证与大气探测仪器的响应波长能够互相适应，谱线不可处于吸收多种气体的交叉谱带，否则极易造成谱线吸收价值受到交叉干扰，造成测量精准度严重降低；第二，选择吸收谱线进行测量，不仅要确保谱线能够与TDL波长要求相符合，还需要保证谱线不会与区域内其他分子相互干扰出现交叉吸收的情况，只有这样才可让测量精准度不断提升，满足区域内高质量、高能力的大气环境监测要求。

3.4 改正调制方案

在波长调制光谱的TDLSA系统当中，针对二极管激光合理引入一个低频波长调制，其调制幅度等于标准干涉条纹周期整数倍，可以让干涉条纹逐步降低到零，实际层面与标准光程调制实际效益存在相似特征，因为除了吸收谱之外，还有因波长调制而引发的位移，当这一技术针对周期小于吸收线宽的各种条纹具有消除效果时，其实际调制幅度会使吸收线出现变形情况，降低峰高。因此，只有在频率调制系统中运用此类技术，才可全面将更长周期条纹去除。在二次谐波监测的波长调制系统当中可以发现，将正弦波调制全面改成三角波调制，可以让吸收信号更加优异。

3.5 监测信号后期处理

后期处理主要包括针对解调器或者锁相放大器当中输出的信号实施模拟处理，或者对信号平均期所收集到的信号实施数字化处理。两者都应用了光学条纹具备的周期性优势。其中置于锁相放大器中的各种简单的低通滤波器可以有效让精密间隔条纹降低，也可组织开展更加复杂的模拟滤波，其中实施数字式滤波效果将会更加优异。在某些特定情况下，针对平均谱实施改进与变换，将变换之前的频率分量，可以获取十分优异的质量效果。此外，对于一个比较稳定的系统，在零气通入之后所监测的背景谱具备与样品谱相同的标准具条纹，将样品谱彻底扣除这一背景谱会消除条纹。不过具体监测中系统可能会受到热偏移限制，在样品谱、背景谱采集中，条纹可能会出现偏移问题，使得条纹难以被完全消除。因此，需要尽量将测量样本谱和背景谱交替，才可获取十分优异的消除效果。在TDLAS系统的具体应用当中，最常使用的就是背景扣除与其他各种形式的后期处理方式（例如数字信号处理）的有机组合。

4 结语

综上所述，TDLSA在线监测大气浓度的仪器有着较为突出的使用价值，并不需要预先进行采样，利用直接在线测量方式可以快速进行响应，测量有着较高精准度，运转成本以及测量价值等较为优异，而且其可以高效测量大气当中低浓度气体和有毒气体成分，如HF、甲醛等都可使用TDLSA可调谐二极管吸收光谱法进行监测。随着科技的发展，TDLSA技术越来越成熟，已经逐渐成为监测大气污染指标、污染源以及室内空气的重要技术之一，对于大气监测影响较为深远。