用于遥感机动车排放的近红外可调谐二极管激光光谱仪

1、用于遥感机动车排放的近红外可调谐二极管激光光谱仪1. 导言 汽车排放是城市主要的大气污染源。 高浓度的污染物， 诸如机动车排放出来的一氧化碳、 氮氧化物、 碳氢和颗粒， 可导致健康和环境问题。 然而， 造成主要排放污染的那些机动车仅 有一小部分。因此把这些“重污染者”或者叫“高排放者”识别出来是减少机动车排放总量 和改进城市空气质量的重要一步。当前，全世界的一般方法是使用定点“总污染物”法，就 是用一台静态道边排气管气体分析仪检验。 但是这种方法太耗费时间而只能对一小部分机动 车检查。 因此， 在机动车通过时对其排放进行遥测的可能就引发了巨大的兴趣，可以减少城市空气中的污染排放。 该技术的非介

2、入检测方式允许机动车快速行驶时迅速检测而不会给司 乘人员带来不便。 必须要注意的是这两种排气测量方法不能直接进行比较， 因为， 机动车在 遥测期间常常是在路面上正在行驶， 而在进行标准检验时， 机动车是静止的并且发动机处于 怠速状态。这些检测方法可能使用计算机软件就成了屏幕上显现为不断重复的停止检查 动作。进一步， 这些信息可以采集起来有效使用在机动车排放控制系统或发动机工况校正管 理系统。行驶中的机动车所排放的气流中的那些气体混合物高于静态状况。机动车驶过时，废气 从排气管中刚排入空气时的紊流， 一齐喷出， 迅速散开成气流， 这样在不同的位置气体分散 的程度就不同。 由于这些状况， 穿过气流

3、的位置是不能确定的。因此， 就要把吸收光谱法的 测量光线收集起来进行判读。 通常采用解决这个问题的方式就是测量气体的成分并同时测量 二氧化碳的含量，因为， 气流中气体的比率是恒定的。根据燃烧过程的认识，能够计算出所 监测气流中的污染物百分比浓度。机动车排放遥测是由斯泰德曼和他的合作者在 1980 年代末期开发的，并已被他的小组 和世界其它人广泛测试。 第一台仪器利用宽带中红外光谱只能监测CO 和 CO2 1 。 碳氢的检测是后来加上的， 接着集成了紫外光源， 增加了对 NO 的检测。 尽管宽带仪器很好的完成 了检测并获得了很多有用的资料， 但他们确实遇到了很多困难。 宽带光谱和其它形态的光谱

4、相比所固有的低选择性， 使仪器的碳氢信道因来自水蒸气的干扰而受到显著影响。 不连续红 外光源的散射使得光路长度限制在最长约 8 米，这导致仪器的使用场所受到限制。 其它问题 可能是 CO2 在基本红外区域的高吸收与背景的精确消除引起的。基于铅盐二极管激光器的致冷中红外系统由 Kastner et al.10 和稍后的 Nelson 和他的合 作者 11，12首次用来监测机动车排放中的 NO,N2O 和 CO2。 该仪器工作在中红外区域， 可得到高强度基本振动吸收。 用激光器作分光镜的光源克服了基于宽带系统的选择性和光路 长度方面的局限。 此外， 激光器也能增加对其他小含量气体的监测。 但是使用

5、铅盐二极管激 光器需要低温冷却，这不利于野外使用。Mackay et al. 提出过一个用通讯激光器的测量方法但没有给出进一步的详细说明 13 。其它更多的新近工作是把气体滤光器和宽带红外光源结 合起来使用。该工作的目标是研究把近红外可调谐二极管激光吸收光谱( NIR-TDLAS )用于遥测机 动车排放。 近红外可调谐二极管激光器技术有几个潜在优势， 诸如，成本降低， 设计更紧凑， 利用充足成熟的长途通信技术使得使用起来便利， 此外还有增加了近乎超宽带的选择性。 这 就是对近来这一技术的一个回顾。 机动车排气遥测仪已被设计建造出来用于检测汽车排气中 的一氧化碳和二氧化碳。 具有二次谐波探测的波

6、长调制与信号自动平衡组合， 从而提升了近 红外区域甚弱吸收的灵敏度。 该仪器已经同国家交通检察员一起在若干条公路的多个地方做 了测试。初步结果先前已经公布 16 ，17 。本文阐述了一种新型的基于近红外二极管激光器的在线遥感仪器。 该仪器的工作原理在 下面的硬件设计和数据处理方式中首次论述。 该仪器及在公路上测试所获部分测试结果的确实性详细资料已在此前给出。2. 试验准备2.1. 运行原理这台仪器利用近红外二极管激光吸收光谱监测CO和C02,采用单一运行在约 1579nm(6330cm-1)的DFB激光器设计制作。波长调制和二次谐波检测组合使用，平衡检测 以提高检测灵敏度。所使用的激光器要选择

7、调谐范围约3cm-1的宽单模电流的。这样允许两个气压峰展宽而被在设置于某一激光器温度下的单一电流/波长扫描所覆盖。该振荡波段附属于C0(3 0)和C02 (2,2,1 0，0，0)，交迭在1570和1590nm之间的近红外区域，就可 利用若干可能存在的 CO C02峰对(图1)18。CO和C02的吸收线按标准数值选取。吸 收峰必须靠得足够近，使其能处于激光器电流(波长)调谐范围内，也要分开足够远，不能 交迭太多，还要远离水的特征点而水的特征点可能特强烈，且较合适的是 CO吸收线要大大高于C02，因为车辆排气中的CO浓度低于 C02。该峰对被认为最合适的是CO在1579.737nm(3 0，P(

8、5)，CO2 在 1579.574nm(2,2,1 0,0,0)P(20)。图1、CO和C02在1580 nm附近的部分吸收线，有圈的是CO,其他是C02。2.2. 光路系统布置光路系统布置如图2。激光器固定在带有可调节对准光学器件的温度控制器座里面。激 光器发出的校准光由两块分光镜转变成三束测量光。其中与对准用的可见激光器(635nm)发出的光合起来的那束光，经过分光器盒，穿过路面到一块直径8cm的回射器，自那里返回，聚焦到自动平衡探测器的一个处在抛物面焦点的光敏二极管上。第二束光用作自动平衡探测器的参考光。衰减板可调节参考光敏二极管上的光强以使探测器的噪声减至最低(比率2.2:1 )。第三

9、束光穿过含有一氧化碳和二氧化碳的参考气室为两者提供参考光，以获得稳定 性和发现峰点。IRIjserAlienualorVisible aLgniiient图2、道边光谱仪的光路图2.3. 仪器结构仪器的主要结构如图 3所示。仪器电源由一对 12V铅酸电池提供。修正正弦波电源转 换器也是由计算机用的电源交流电提供。两块锁相放大器电路板用来解调二次谐波信号和参考探测器的输出。在一只与激光器和热电致冷器安装盒一样的盒子里有一块主控板。函数发生器是一小型直流电源单元，为激光器控制板提供一 70kHz （这是锁相放大器的最高工作频 率）的正弦调制波。光学组件装在一防雨的箱子中放在道边。400MZ奔2计算

10、机通过多功能A/D和D/A卡对仪器进行控制。带远摄镜头的数字照相机由计算机触发捕获驶过的要测 量的汽车的静态图像。速度和加速度测量传感器包括两个单元：一个单元包含三只可见二极管激光器，分开安装在一 50cm长杆上，另一单元也是相似的长杆，杆子上有三只特定波长的光敏二极管。驶 过的汽车连续打断三束可见光，三只光敏二极管在专门设计的数字电路上就会组合输出信号 到两根数字信号在线，这两根线同计数/定时卡的数入门连在一起，一起接入计算机，从定时卡输出值就能计算出车辆的速度和加速度。这些信息由计算机和相关汽车的排气测量值存储在一起。图3、道边光谱仪的主要组成部分。24测量步骤和数据处理对程序来说有三个运

11、行阶段，“车前”阶段，“光束锁定”阶段和“车后”阶段。运行期间， 随着D/A卡向激光器控制卡不断重复送出128点电压斜线，激光器波长以72Hz连续不断地在0.3nm范围扫描。第一阶段期间，仪器在等候汽车时，连续的每一个扫描都滚动式存入存 放20个扫描的寄存器中，每增加一个新扫描，就删除一个最先存入的扫描。参考室的扫描 也类似的不断滚动式存储但只存10个扫描。在此阶段，每扫一次就测量一次激光强度，一旦光束功率降到一定水平，程序就进到“光束锁定”阶段。进入此阶段即刻，最后存储的背 景扫描和参考扫描在剩下扫描的进行平均前被删除。激光器能量通道仅在此时随着连续的每一次扫描被阻断。随着汽车离开光束，当再

12、次检测到激光器能量升高时，“车后”阶段就开始了。接下来进行 20次扫描然后存储，剔除第一个后，剩下的进行平均，然后从结果中减 去背景扫描均值。接着用一个低通傅式变换滤波器处理扫描结果，以减少噪声。图4所示是一个在72Hz运行期间单个扫描的例子。严乙 AndllnaJalEQ-ERLI-CO(V40 to V-3.F(nni)图4、在一辆通过的汽车排放烟羽中，以72Hz单次扫描得到的 CO和C02二次谐波吸收光谱。参考信道是使用扫描中的辅助峰，CO/CO2的比率由2f信号峰高度减去两个吸收特征点的差分与在两个峰处的激光电源的差分的线长之和的差值决定。波长调谐范围在测量区域是线性的，这个线性可被准

13、确检查出来。二次谐波谱线每时都不重合。图5显示光束穿过排气时二氧化碳峰高规律性的反时典型变动情况，表明机动车驶过后，因排放的气流扩散而导致浓度降低。EQaHN 誥LTime ms图5、光束穿过机动车排气时二氧化碳峰高规律性的反时典型变动情况2.5.仪器校准野外最小可测到的吸收约 1x10-5,这靠外推穿过放在仪器光路上直径2.5cm长20cm的无窗气室的由氮气混合的标准3%CO决定。机动车汽油发动机燃料燃烧按下面方程(见5)考虑，在这里 m是空气-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此处设定排放烟羽中的一氧化碳浓度是干燥的百分浓度，计算如下42(?%CO=(2.79 十 2.79Q)这个简单的等式忽略了排气中的NOx和碳氢，通常情况下， CO浓度比碳氢高2到3个数量级，因而在上面那个等式中不会引起大的误差。排放烟羽也可因机动车排放控制系统把空气引导进入排气流中而淡化排气浓度。但是，CO的百分量值作为机动车相对污染量指示器还是很有用处的。它可以识别出新型汽车的催化式尾气净化器的故障。2.6.菲尔德测量仪器在英国西约克郡地区的若干地方作了开发试验。 仪器一般在车厢里运行， 故仪器的 大部分机件和操作者受到保护而不受天气影响。 设立照相机纪录通过的

15、汽车牌照， 以把排放 结果同特定的车辆联系起来，且能获得车龄和平均排放之间的大致关系。仪器安放的首选位置是车辆加速上坡的路段。这种条件下，排气气流体积增加使有关的氧化碳检测更容易。做了若干类型道路的试验但主要的是单车道和双车道。3. 结果和讨论试验过程所得到的部分结果以十分图显示在图6。此图的数据是这样处理的，把在某处所测的CO百分含量进行排序，然后按每 10%总含量把数据顺序分成 10份。这表明了这样 一个事实就是那机动车中最脏的10%，也就是十分图中第十部分，要对超过40%的CO排放量负责。从机动车牌照分析就能确定机动车年龄。图7显示了车牌所示的车龄同 CO浓度的关系，其样本是西约克郡Sp

16、enborough地区450辆车。这表明一个事实，CO%随车龄而增加。7 6 5 4 3. 2 (濾00省罟雷1-j.J.jiJLJLJLI12345678910Decile图6、在Spenborough. West Yorkshire, UK地区监测的454辆机动车排放结果表明，大部分的排放是由10%的车辆造成的Vehicle age (years)图7、CO排放与机动车使用年限的关系。通过大量机动车的测试在该领域的应用时有很多影响。最重要的因素是测量激光束穿 过的排气的浓度。通过计算排气中的一氧化碳和二氧化碳体积比的方法补偿了气流扩散所致 的浓度稀释效应，但是沿着光路随绝对浓度的降低，测量

17、精度也越低。因而对于特定车辆其测量质量取决于排气浓度。加速时的车辆和较大排量发动机的车辆排放更高，导致总扩散更高。即使驶过的汽车造成了大量排放，要想获得最高的测量精度， 激光束必须穿过气流中浓度最大的区域。排气管角度、风、紊流和车速全都会影响排气的形状和分布情况，也会影响激光与气流的交叠度。相关程度是光束在气流中停留的时机，因为信号的计算是按光束数次扫描的平均值计算的。 理想的，是排气按g/km来表示，这在遥测中更难以决定。信号尺寸也依赖于返回光强。机动车在较冷的条件下运行时，所排出的气流含有高浓度 的微小水滴，这会使光束变弱。排气流中的碳基小颗粒物质也会削弱光束，这对于柴油车尤其显著。其它方

18、面的光束衰减源为机动车在潮湿路面产生的飞沫。提高这个仪器系统的灵敏度可以使用更快的高达数千赫兹的波长扫描频率同数兆赫兹 调制波连用。加之在较长波段可能有更强烈吸收。例如，我们已采用DFB二极管激光器于2.3um在野外对排气中的 CO作了初步测试。图8显示了测量曲线和基于HITRAN数据的模拟18。这是一次谐波区域的情况，其线强度约为10-20cm molecule-1,相对的在二次谐波为10-22cm molecule-1。C02在约2um处吸收更强烈，这也有商用DFB二极管激光器。不足之 处是必须用两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