中红外差分吸收激光雷达探测苯气体浓度

摘要：

苯作为挥发性有机化合物(VOCs)的重要组成部分,其大气污染状况日益引起人们的关注,中红外波段通常是分子的基频指纹吸收区,已成为痕量气体检测的重要波段,而差分吸收激光雷达是探测大气痕量气体的重要手段,故针对区域性苯浓度实时遥感问题,提出基于中红外带间级联激光器(ICL)的探测大气苯浓度路径积分型差分吸收(IPDA)激光雷达系统.首先,在分析IPDA激光雷达的探测原理的基础上,构建了 IPDA激光雷达的反演算法及其误差分析模型.其次,详细分析来自HITRAN数据库的中红外3 100 cm-1附近苯以及主要干扰气体(如HCl,CH4和H2O)的吸收光谱,结合HC1和CH4着重考虑了H2O对探测结果的影响,选择IPDA激光雷达的测量波长和参考波长分别为3 090.89和3 137.74 cm-1.再次,基于两个连续波ICL,设计了探测大气苯浓度IPDA激光雷达系统,并可通过控制温度和驱动电流调谐激光器的输出波长,使其波长分别稳定在强吸收谱区和弱吸收谱区,并设计了基于中红外衍射光栅的光谱分光子系统,以实现双波长接收信号的同步探测.最后,基于标准大气模型,仿真分析了不同路径长度、能见度和水汽浓度情况下激光雷达的探测性能,并搭建中红外波段检测气体池开展了测试实验,以验证该IPDA激光雷达系统的可行性.仿真及实验结果分析表明,当大气能见度为5 km,水汽浓度低于0.4％时,苯的浓度路径积(CL)在0.1～24 mg·m-3·km范围内探测的相对误差优于10％,而苯的CL为5 mg·m-3·km时探测相对误差优于1％;初步实验测试了中外红波段差分吸收激光雷达探测的线性相关系数R2约为98.7％.

关键词：中红外光谱、激光雷达、差分吸收光谱、苯浓度

所属期刊栏目：43

分类号：O433.4(光学)

资助基金：国家自然科学基金;国家自然科学基金;陕西省自然科学基金;陕西省教育厅自然科学基金

在线出版日期：2023-11-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共9页

页码：3351-3359