【虹科案例】DIAL – 差分吸收LIDAR应用

        现代世界的工业化已成为环境大气污染的首要原因。因此,对工业污染及其各种组成部分的研究已成为一个重要的领域。例如,在中国,环境保护部已规定监测大气中二氧化硫 (SO2) 和氮氧化物 (NOx) 的含量,它们是工业区附近常见的危险排放物。这些气体被认为是重要的污染物,因为已知二氧化硫会引起不同程度的呼吸道和眼睛刺激。二氧化硫也是造成酸雨的主要因素,酸雨除了对动植物造成伤害外,还会导致土壤退化和污染水道。

       中国南京先进激光技术研究所与位于中国南京的南京信息工程大学一起,一直致力于开发用于检测空气污染的最新主动遥感技术。一种对检测污染气体特别有用的仪器是差分吸收激光雷达(DIAL,见图 1)

        DIAL的原理是选择两种不同的激光波长(通常称为在线和离线波长),使其中一个波长被感兴趣的气体分子吸收而另一个波长不被吸收。通过测量随后的强度差异两个返回的激光信号就可以确定正在研究的分子的浓度。 DIAL 激光雷达的框图如图 2 所示。

        研究团队选择专注于开发使用中红外吸收 (MIDIAL) 的 DIAL 系统。中红外是大气透射窗口,非常适合气体的许多吸收峰,包括有机分子和无机分子。此外,它的吸收效率比紫外线高2到3个数量级,提高了准确度和范围. MI-DIAL 系统的关键元件是具有 5 MHz 带宽的 VIGO-PVI-4TE 探测器和一个Spectrum的 M2i.4960-exp PCIe 数字化仪卡该卡以 40 MS/s 和 16 位分辨率对来自探测器的信号进行采样。激光器本身以 500 Hz 的脉冲重复率输出 20 ns 宽的脉冲。然后将数字化仪收集的数据传输到 PC 进行分析。

然后将数字化仪收集的数据传输到 PC 进行分析。使用的过程是逐行方法,需要行参数数据,这些数据可在高分辨率透射分子吸收数据库 (HITRAN) 中获得。该数据库记录了大多数气体分子的谱线位置和强度、压力漂移系数、低能态旋转量子数、温度相关系数、空气加宽半宽度和自加宽半宽度。

图 3 显示了三种污染气体及其背景气体的线强度数据。

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