激光差分吸收气体检测技术

激光差分吸收气体检测技术

激光差分吸收（Differential Absorption Lidar, DIAL）主要用于测量大气中特定气体的浓度分布。这种技术基于不同物质对特定波长的光有不同的吸收特性。通过发射两种不同波长的激光脉冲——一个被目标气体强烈吸收的波长（称为“在线”波长），另一个几乎不被吸收的波长（称为“离线”波长）——并测量这两种波长激光返回信号之间的差异，可以推断出目标气体的浓度。采用差分吸收法可有效地消除以下探测不良因素带来的影响：

电源不稳定、器件老化及器件温度变化都将引起光源的不稳定 ;光电器件的光电特性、光谱特性和暗电流特性会引起温漂;而光电器件的光电流或灵敏度随时间的增加而减小 ,从而引起时漂。

将差分检测技术应用于气体浓度检测，测量模型 一般分为两种：

1 单波长双光路法的原理：

光源发出的光束被分成两路信息 ,一路是带有被测气体吸收后的信息。另一路是带有未经被测气体吸收后的信息 ,称参考信息。光源的不稳定以及光电器件的时漂、温漂对两路信息的影响相同 ,故信号信息与参考信息的商将只是气体浓度的函数 ,从而消除了光源的不稳定以及光电器件零漂的影响。

图1 单波长双光路吸收法原理图

 2 双波长单光路法：

用两束波长相隔很近，但是甲烷吸收系数差别很大的光同时通过，甲烷气体波长λ1位于气体吸收峰，波长λ2位于待测气体的非吸收处，经过气体后两种波长光强度的变化比显示待测气体的吸收强度。双波长单光路不但可以消除光源和光电器件的影响，还能消除气体波动、气室上粉尘沉积等因素的影响且降低了对选择探测器的要求。

图2 双波长单光路吸收法原理图

3 差分检测系统原理    

在比尔 － 朗伯(Beer-Lambert)定律的基础上，为减少系统误差采用双波长差分吸收原理，考虑光路的干扰因素，将定律表示为:

           (1)

式中I(λ) 为透射光强，I₀(λ)为入射光强 a(λ)为吸收系数，C为气体浓度，L为待测气体与逛相互作用长度，K(λ)和β(λ)为光路干扰因素为随机变量。

定两种波长相近但是吸收系数差别很大的光:吸收光 λ1和不吸收光 λ2 ，通过待测气体，其强度变化都遵循上述定律，

         (2)

         (3)

(2)式除以(3)式得到

(4)

对以上4式子进行取对数求解浓度C值

(5)

由于λ1≈λ2，并且此两束单色光同时经过被测气体所以可以认为β(λ1)≈β(λ2)则(5)式子可以简化为

       (6)

K(λ)和β(λ)为都为光路干扰因素，调节光路系统使得I₀(λ1) K(λ1)= I₀(λ2) K(λ2)则从(6)可以得到

       (7)

由于参考波长λ2不在测量气体的吸收光谱上，所以I₀(λ1)/ I₀(λ2)<<1，所以可以将In（I₀(λ1)/ I₀(λ2)）进行泰勒展开：

(8)

把(8)带入(7)得到气体浓度为

     (9)

在波长λ1，λ 2下，若气体的吸收系数α (λ1 )、 α( λ2) 可以测量，则气体浓度就可 以从 I ( λ2)、 I (λ1 ) 中求出。即为差分吸收测量技术。从而消除了光路的干扰因素，同事还消除了光源不稳定因素导致的测量误差。