中红外激光TDLAS技术机动车尾气遥感监测系统方案
可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)和非制冷红外
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基于FPGA 的短光程TDLAS 气体传感系统的实现
文章编号：2095－6835（2018）14－0046－05基于FPGA的短光程TDLAS气体传感系统的实现杨申昊，杨凌，王晓辰，赵韦静，李臻，王瑞涛（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸056000）摘要：CO作为一种污染气体，无论是对人体，还是对环境，都有较大的危害，实时监测CO的浓度具有重要的现实意义。
选用CO在波数2190cm-1（波长4.56μm）处的吸收谱线，搭建了光程20cm的可调谐激光器气体传感系统。
系统采用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）技术，实现了激光器驱动信号的生成、数字滤波、二次解调等功能，其中，驱动信号的生成采用了DDWS（Direct Digital Waveform Synthesizer，直接数字波形合成）的技术方式。
滤波与二次解调都采用数字信号处理的方式。
最后，采用标准浓度的CO气体进行了系统标定与测试，测试结果由于受到光程的限制，有时会存在较大的偏差，但为该仪器设备小型化、便携式的实现奠定了一定的技术基础。
关键词：可调谐半导体激光吸收光谱技术；短光程探测系统；二次解调；数字锁相中图分类号：O433.1文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2018.14.0461引言可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）作为一种重要的气体检测技术，具有无需预处理、选择性强、响应速度快、高灵敏度和高精度等特点，已被广泛应用于气体监测研究中。
Tu等[1]选用CO位于1579.73nm处的吸收谱线，对汽车尾气中的CO进行了连续监测。
中科院安徽光学精密机械研究所[4]采用700m光程对大气环境中痕量CO气体进行了多天连续监测，它采用直接吸收的方式，实现了低功耗的测量。
合肥工业大学[5]采用CO的第二泛频吸收带，通过对吸收池的结构设计，实现多次反射，总光程达到22m，并通过浓度反演算法达到了9.5×10-6的检测下限。
机动车尾气遥感监测解决方案(宣传册)
机动车尾气遥感监测解决方案智慧环保 大气污染防治科学治霾 精准治污近年来，我国多地区大气污染问题引起了政府和社会的空前关注，为贯彻《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》和《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等法律法规，改善环境质量，完善环境技术管理体系，促进机动车污染防治技术进步，2017年12月环境保护部组织修订了《机动车污染防治技术政策》。
通过遥感监测技术对道路行驶机动车排放状况进行实时监测，采取“环保取证+公安处罚”的部门联合执法机制，加强移动污染源监管。
针对城市道路机动车保有量迅速增加、尾气污染日益凸显、管控压力不断加大的现状，结合城市高排放车辆筛选与整治、黄标车淘汰等工作要求，融合尾气遥感监测、重型柴油车黑烟视频抓拍以及道路环境空气质量实时监测等多种技术手段，为城市机动车污染监管体系的建立和完善，提供实用高效的监测技术保障和充足有效的监测数据支撑。
监测效率显著提升超标车辆重点管控实现尾气污染在线监测审查污染排放控制效果大数据挖掘污染贡献率长期连续监测分析规律系统概述建设目标智慧环保机动车尾气遥感监测解决方案机动车尾气遥感监测解决方案总体框架平台层道路空气质量实时监控机动车污染物实时监测黑烟车辆智能识别车流量规律统计分析传输层感知层系统分类三种机动车遥感监测系统方案三种机动车遥感监测系统方式固定垂直式机动车尾气遥感监测系统01本系统将遥感监测设备安装于每一条车道上方，可同时监测到每一辆车的排放数据。
系统采用先进的光谱吸收技术监测机动车尾气中的二氧化碳（CO）、一氧化2碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NO）、不透光烟度等参数。
X全新的反射技术实现立体机动车尾气的光谱监测，测量光源呈扇形向下投射，通过铺设于路面的反射装置反射到探测器。
该种监测系统可满足多车道同时监测，互不干扰。
固定垂直式机动车尾气综合监测系统，主要由机动车尾气遥测子系统、黑烟车自动抓拍子系统、微型空气质量监测子系统、网络传输子系统、系统中心平台以及其他辅助设备组成。
机动车尾气遥感监测平台建设方案要求
机动车尾气遥感监测平台建设技术要求和预算工程背景：为坚决打好污染防治攻坚战，加强移动源污染防治力度，国家生态环境部等11部委印发《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》及自治区9部门印发《自治区柴油货车污染治理攻坚战行动实施方案》中明确要求:“加快建设完善‘天地车人’一体化排放监控系统”。
需要建设一套体系充分利用机动车道路遥感监测、排放检验机构联网、重型柴油车远程排放监控，以及路检路查和入户监督抽测，对柴油车开展全天候、全方位的排放监控。
建设内容：乌鲁木齐市机动车遥感监测管理平台：乌鲁木齐市机动车道路遥感监测管理平台利用数据接收、GIS技术，采用B/S结构，实时接收机动车遥感监测站点监测数据、黑烟车数据，并在地图上实时显示站点监测信息，可及时掌控各站点运行情况、监测情况、污染物排放情况，同时对遥感监测数据、黑烟车数据进行汇总分析，总体掌握区域机动车排放情况。
乌鲁木齐市机动车遥感监测管理平台系统开发预算70 万元，5 年服务费：50万元项目的意义及必要性：机动车污染防治是打好污染防治攻坚战的重要一环，机动车道路遥感监测也是国家级自治区相关指导文件中明确的管理手段，本项目的实施有利于发挥遥感监测管理手段的优势，对海量监测数据进行记录、筛查、核准、处罚推送，为“环保取证- 公安处罚”流程的建立奠定技术基础。
现状及需求分析：机动车道路遥感监测是国家及自治区相关文件中明确的关于机动车污染防治重要管理手段。
我市目前有遥感监测设备三套（两套固定式、一套移动式），并拟于今年再建两套固定式遥感监测系统。
但面对海量数据，人工筛选、核准、处罚推送效率极低，无法满足建立有效的“环保取证-公安处罚”流程的客观需求。
自治区环保督查组也对我市提出加快机动车遥感数据的应用的要求。
为解决上述问题，需要建立机动车道路遥感监测的管理平台，实现海量监测数据的自动记录、筛查、车辆信息比对、处罚推送等功能。
建设方案及规模：乌鲁木齐市机动车道路遥感监测管理平台利用数据接收、GIS技术，采用B/S结构，实时接收机动车遥感监测站点监测数据、黑烟车数据，并在地图上实时显示站点监测信息，可及时掌控各站点运行情况、监测情况、污染物排放情况，同时对遥感监测数据、黑烟车数据进行汇总分析，总体掌握区域机动车排放情况。
基于TDLAS技术的工业环境中HF气体在线监测
２．１ 实验装置 ＴＤＬＡＳ测量痕量气体浓度是基于分子近红外“指纹区”特 定吸收线的探测，实时系统如图１所示。激光器电源采用自主
＊ Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｒ＠ａｉｏｆｍ．ａｃ．ｃｎ 收稿日期：２０１１－０４－０２ 修订日期：２０１１－０７－０６ 基金项目：国家“８６３”计划资助项目（２００７ＡＡ０６Ｚ４２０）
第１１期 张志荣等：基于 ＴＤＬＡＳ技术的工业环境中 ＨＦ气体在线监测
段之一，是噪声分析工具，正是通过分析噪声在系统中的贡献 来评估检测系统稳定性的。如图６所示，Ａｌｌａｎ方差的线性降 低部分主要是由白噪声引起的，其 Ａｌｌａｎ值与标准方差值相 当；非线性提升部分主要是由于激光器的１／ｆ 噪声引起。从图 可以分析得到最佳平均次数约为ｎ＝１２次。系统的主要影响 来自激光器的１／ｆ 噪声和白噪声，在一定的平均之后白噪声的 影响几乎完全消除。相对于１／ｆ 噪声可以通过分型小波变换 的方差与尺度变化的关系等一系列变换或者低频频谱分析进 行消除。因此，可以针对不同的监测系统与监测环境，采用 Ａｌ－ ｌａｎ方差分析得到不同的优化参数。 外界环境因素会对浓度测量结果造成影响。为了消除影 响，除了选择恰当的非线性最小二乘法和设置最佳平均次数以 外，同时对浓度采用防脉冲滑动滤波法消除影响 。由图６（ａ）
将 式 （３）改 写 为
ＣＭｅａ ＝ａＩ０２ＣＲｅｆＬ０２／Ｉ０１Ｌ０１
ห้องสมุดไป่ตู้（４）
· １６９２ ·
根据图１，采用密封的多次反射池对 ＨＦ气体进行测量和 系统标定。需要特别 说明 的是，由 于 ＨＦ 具有强腐蚀性和剧 毒，专门设计加工了耐 ＨＦ 腐蚀的总光学长度为１７．５ｍ 的多 次反射池，所有密封线圈均采用氟橡胶加工而成，而且实验时 需配戴防毒面罩和在通风良好的开放环境条件下进行。ＤＦＢ 激光器输出光经过多次反射池吸收和探测器及前置放大处理 之后的直接吸收信号、一次谐波信号和二次谐波信号如图３所 示，和 ＨＩＴＲＡＮ 数据库比对，存在水汽的较弱影响。在一般情 况下，根据谐波信号极值计算浓度是没有任何影响的。但是当 水汽信号高于 ＨＦ 吸收信号时，就不能单独依据峰值计算浓 度，此时可以选用通过锁定吸收线旁边的水汽中心吸收波长方 法，找到 ＨＦ的中心吸收位置，两者结合以便于准确的提取谐 波信号与浓度的计算。当采用二次谐波信号计算浓度值时，由 于光程不同、光强起伏和环境粉尘等的影响会对谐波信号的强 度造成较大影响，采用探测器输出的锯齿波信号经过滤波、光 强提取等手段消除波动的影响。图４所示为光强提取的基本 原理图，信号经过前置放大器后由射随器处理分为两路，一路 经过滤波、前置放大、信号平均等进入计算机采集；另一路信号 送入数控模块进行解调得到谐波信号，送入计算机采集，最终 两路信号由计算机处理消除光强起伏的波动影响。为了验证 光强提取电路的可靠性，通过变化入射激光的强度进行实验验 证。验证结果如图５所示，（ａ）为测量一定浓度的二次谐波信 号强度和通过电路提取的锯齿光强强度的变化，两者的变化趋 势基本保持一致；其相关度拟合如（ｂ）所示，Ｒ＝０．９８２，两者间 呈现出了很好的相关性。 为了选择 系 统 参 数，在 实 验 室 对 密 封 式 多 次 反 射 池 中 的 ３０×１０－９的 ＨＦ和 Ｎ２ 混合气体浓度连续监测，其结果未经处 理，得到的数据采用 Ａｌｌａｎ方差分析系统的性能和最佳平均次 数等信息。Ａｌｌａｎ方差是检测系统稳定性的简单且最有效的手
中科院半导体所科技成果——基于TDLAS技术的气体传感器
中科院半导体所科技成果——基于TDLAS技术的气体传感器项目成熟阶段生长期项目来源公益行业（气象）专项资金成果简介基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术（TDLAS）的气体传感器，是结合光电子学，光谱学，以及微弱信号处理等高新技术的气体传感器系统。
该设备与传统的气体传感器装置（电化学法，气象色谱法，吸附法）相比具有更高的灵敏度，更精确的测量数据，更快的响应速度，以及在线实时测量等特点。
通过内建程序及显示屏，可以实时显示当前的待测气体浓度，以及各测量量随时间变化的曲线。
标准的RS232通信接口可以方便的向上位机传输实时测量数据。
通过光纤和电缆的延伸，可以进行远端在线测试。
通过可更换的气室选择，完成不同环境下的测试任务。
并且我们可以根据客户的要求进行定制气体（H2O、NO、CH4、HF）的测试。
技术特点基于可调谐二极管激光吸收光谱技术，通过向待测气体发射特定波长的激光，并对穿过气体的激光信号进行解调，分析气体的组分和浓度。
利用光吸收技术进行气体浓度测试，不会对气体组分造成影响，并且响应速度很快，可以进行实时监测及数据采集。
通过延长的光纤和电缆，可以将传感器深入到人身无法达到的地方及环境，进行远程测试。
专利情况多项专利技术申请中，其中已授权1项。
市场分析根据我们目前的调研情况，目前能够很容易检测的气体包括H2O、NH3、NO、HF、HBr、HI、CH4，其中H2O和HF的检测灵敏度可以高达100个ppb，是目前同类型传感器中灵敏度最高的检测手段。
上述气体都是化工生产、气象监测、特种气体测量（如SF6中的水汽测量、矿井的瓦斯监测等），因此该类传感器具有非常广阔的应用前景。
另外，目前国家在环境监控非常重视，其中一些危险气体的检测缺乏体积小、灵敏度高、响应时间快的传感器技术，因此该技术还能在国家安全和环境控制方面发挥重要的作用。
合作方式技术入股产业化所需条件企业提供厂房、基础建设、资金、可靠性试验设备、人员配合。
TDLAS气体检测系统中浓度反演算法的实现
TDLAS气体检测系统中浓度反演算法的实现王立娜;宋春丽;王文锦;顾利帅;赵巍仑【摘要】基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的气体检测系统,因气体吸收产生的二次谐波信号携带浓度信息,通过浓度反演可实现浓度信息的提取.本文简要介绍了TDLAS气体检测系统,对Matlab下完成的曲线拟合和反演算法仿真以及FPGA内部设计实现的反演算法进行了详细描述,并在一氧化碳检测系统下利用多组待测浓度完成了反演算法的验证.验证结果表明:浓度反演吻合度超过99.9％,反演算法正确,能够完全满足系统设计要求,做到浓度信息的精确提取.基于Matlab的前期数据分析和误差控制设计方法可应用于多领域的产品研制和系统综合测试中.%In the gas detection systembased on Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(TDLAS) technology,for gas absorbing,concentration information carried by the second harmonic signal can be extracted throughthe way of concentration inversion.In this paper,the TDLAS gas detection systemis briefly introduced,the curve fitting and inversion algorithm simulation completed in Matlab and the inversion algorithm designed in FPGA internal are described in detail,and the inversion algorithm validation is accomplished in carbon monoxide detection system with multiple sets of measured concentration.The validation results show that the coincidence degree of concentration inversion is more than99.9％,and the inversion algorithm is correct,which can fully meet the system design requirement and accurately extract the concentration information.The design methodsof pre-data analysis and error controlbased onMatlabcan be applied to multi-field product development and system integration tests.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)007【总页数】5页(P147-150,155)【关键词】TDLAS;气体检测;浓度反演;Matlab;曲线拟合;FPGA【作者】王立娜;宋春丽;王文锦;顾利帅;赵巍仑【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一八研究所河北邯郸056027;中国船舶重工集团公司第七一八研究所河北邯郸056027;中国船舶重工集团公司第七一八研究所河北邯郸056027;中国船舶重工集团公司第七一八研究所河北邯郸056027;中国船舶重工集团公司第七一八研究所河北邯郸056027【正文语种】中文【中图分类】TN911.23可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技术是目前气体检测领域的主流技术之一，其利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性对气体浓度进行测量[1-4]。
基于TDLAS的气体检测技术算法
关键词：TDLAS; 气体检测； 谐波信号； 数值模拟
中图分类号：TN247
文献标志码：A
DOI： 10.3788/A20194&0517007
Gas detection technology algorithm based on TDLAS
Jia Junwei, Li Wei, Chai Hao, Zhang Shufeng, Zhang Mingzhi, Cui Hongfei, Liu Jingmin, Liu Zhan
种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术，具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强
等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓
度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制，使得激光输出频率
和强度同时受到调制，具有高信噪比和灵敏度的特点，但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体
第48卷
modulation amplitude reached up to a=0.032 cm'1 (m=2), which further proved the reliability of on-line
第48卷第5期 Vol.48 No.5
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2019年5月 May. 2019
基于TDLAS的气体检测技术算法
贾军伟，李伟，柴 昊，张书锋，张明志，崔鸿飞，刘敬敏，刘 展
(北京东方计量测试研究所，北京100086)
摘 要：可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术是一
中红外激光TDLAS技术机动车尾气遥感监测系统方案
中红外激光TDLAS技术机动车尾气遥感监测系统方案一、方案背景和目标：本文提出了一种基于中红外激光基于TDLAS技术的机动车尾气遥感监测系统方案，旨在实现以下目标：1.实时、准确地监测机动车尾气排放浓度；2.能够对机动车尾气排放进行远程测量，无需接触检测；3.可在车流量大的道路上实现高效监测，实现大规模尾气排放排查能力。
二、方案架构：本系统方案采用了中红外激光谱吸收（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技术，通过波长可调谐的激光器对机动车尾气中的气体进行吸收和测量。
其主要架构包括以下几个部分：1.激光系统：选择工作波长在中红外波段的激光器，如CO2激光器。
激光系统要具备稳定、高功率和可调谐的特点，以实现对各种尾气成分的测量。
2.探测系统：包括吸收光谱探测器和光路系统。
激光器发射的激光束经过光路系统后，与尾气中的成分发生相互作用，一部分光被吸收，剩余的光束经过吸收光谱探测器进行强度测量。
通过分析吸收光谱的特征，可以得到尾气中各种成分的浓度信息。
3.数据处理系统：对探测到的光强信号进行处理，并结合各种吸收谱的特征进行气体成分的浓度计算。
4.通信系统：将测量结果传输给远程监测中心，实现远程监测和数据分析。
5.安装系统：将系统装置于交通干道的相应位置，以便有效地测量车辆尾气排放。
三、关键技术和优势：本系统采用了中红外激光TDLAS技术，具有以下关键技术和优势：1.高精度：中红外光谱吸收光谱具有明显的吸收峰，能够实现对尾气中各种成分的高精度测量。
2.远程遥感：无需接触汽车，通过激光测量技术即可实现对机动车尾气的测量，降低了测量难度和成本。
3.高效监测：采用了信息化技术，能够实现对车流量大的道路上的机动车尾气排放进行高效监测。
4.大规模尾气排放检测：通过将多个测量系统部署于城市道路的不同位置，能够实现对大规模尾气排放的快速监测和排查。
四、需求分析：根据方案目标，我们对机动车尾气遥感监测系统的需求进行了分析，主要包括以下几个方面：1.测量精度和可靠性：尾气成分的浓度测量需要具备高精度和可靠性，以便准确评估尾气排放水平。
基于TDLAS的火灾气体探测系统研制
维普资讯
第１ ６卷 第 ３期 ２００７年 ７月
火
灾
科
学
Ｖｏ． ６ Ｎｏ ３ １１ ， ．
ＦＩ ＲＥ ＡＦＥＴＹ ＣＩ Ｓ Ｓ ＥＮＣＥ
Ｊ １ ｕ ．２ ０ ０ ７
文 章编号 ：０ ４５ ０ （ ０ ７ 一１ ８０ １ ０ —３ ９ ２ ０ ）０ ２ —５
系统 的灵 敏度 。二 是利 用新 的传 感技 术 提取火 灾特
收稿 日期 ：０ ７０ —４ 修 改 日期 ：０ ７０ —６ ２ ０ —４２ ； ２ ０ —６０ 基金项 目： 安徽 省二期科技攻关计划资 助项 目（４ １０ ８ ００３４）
维普资讯
Ｖｏ． ６Ｎｏ ３ １１ ．
收气 体浓 度 ， 而且 能 够 把 待测 分 子 与背 景 的 干扰 区
高 的灵 敏度 （０ 量 级 ， 分 气 体 可 以达 到 １ 量 １ 部 Ｏ
为 达到灵 敏 可 靠 的火灾 早期 报 警 ，当前 从 两个 方 面来提 高火 灾 探 测 系统 的 性 能 。一 是综 合 多 参 数、 多判据 的 复合 探 测 ，它 借 助 人 工 智 能 的方 式 有 效 地减少 了系统 的误 报 和漏 报 ＿ 。但 是 这对 于 极 １ ］
早期 的火 灾 探测 还不 够 ，因为它 没有 从 本质 上 提 高
基于TDLAS的调制光谱技术及其在气体检测中的应用
中文摘要中文摘要随着现代激光技术的发展，可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术因其具有光谱分辨率高、选择性好、灵敏度高、响应速度快等优势，所以被越来越多地应用于大气环境监测、燃烧诊断、危险气体泄漏安全监测、工业过程控制以及医学诊断等领域。
而调制光谱技术和多光程吸收池常用于提高TDLAS系统的检测灵敏度及测量稳定性。
本文主要对TDLAS的调制光谱技术及其在气体检测中的应用展开研究。
首先研究了波长调制理论，实验搭建了一套波长调制气体吸收光谱测量系统，实现了燃烧中的CO2和CO的单激光器同时测量；其次，研究了免校准波长调制光谱理论，并从实验上验证了免校准技术对探测光强及外界干扰的免疫能力，并采用免校准波长调制光谱技术搭建了小型化TDLAS系统，实现了单个激光器对空气中CO和CH4的实时监测；最后，研究了频率调制光谱技术，实验测量了NO分子b4∑ˉ-a4∏系统(3,0)带跃迁谱线，并研究采用频率调制技术抑制光谱系统中的干涉噪声，实现频率调制光谱系统的小型化及快速测量。
本论文的研究成果及创新主要包括：1. 研究了波长调制理论，并实验搭建了一套波长调制气体吸收光谱测量系统，使用单个分布反馈式(Distributed Feedback, DFB)激光器实现了对通信波段(1.58 μm)附近的CO2和CO的同时测量，并在1 s的积分时间内选取最佳平均次数为10次来进一步减小随机噪声的影响。
通过Allan方差分析，系统对CO2和CO的最低探测极限可分别达到7.5 ppm (10-6)和14 ppm。
此外，实验通过控制空气进量对蜡烛不同燃烧程度时产物中的CO2和CO浓度进行了实时测量。
2. 实验验证了通过一次谐波归一化二次谐波信号实现的免校准波长调制光谱对激光光强变化及气流影响、系统震动等外界干扰的免疫能力。
基于免校准波长调制理论搭建了小型化的多光程TDLAS系统，用于空气中CO和CH4的实时监测。
系统尺寸为60⨯30⨯25 cm3，采用集成化的FPGA控制系统和新型Herriott多光程吸收池，选择中心频率为2.3 μm的DFB激光器作为光源，排除空气中复杂气体成分的干扰，同时考虑空气中实际含量选择合适吸收线，实现对CO和CH4的同时测量。
tdlas仪器测量原理
tdlas仪器测量原理tdlas是一种基于激光吸收光谱技术的仪器，用于测量气体样品中特定分子的浓度。
tdlas仪器的测量原理是利用激光的吸收特性来分析气体样品中的分子浓度。
在tdlas仪器中，激光器发出一束特定波长的激光束，这束激光经过光路系统进入气体样品室。
当激光束通过气体样品时，其中特定分子会吸收激光的能量。
经过吸收后的激光束继续传播，进入光谱仪进行光谱分析。
光谱仪会测量激光束的强度变化，并根据吸收峰的大小来确定样品中特定分子的浓度。
tdlas仪器的测量原理基于光的吸收特性，通过测量激光束的强度变化来间接测量气体样品中分子的浓度。
与传统的气体分析方法相比，tdlas具有测量速度快、准确性高、灵敏度高等优点。
tdlas仪器的测量原理基于光的吸收特性，因此在测量过程中需要注意一些影响因素。
首先是光束的稳定性，激光器的输出功率和波长需要保持稳定，否则会导致测量结果的误差。
其次是光路的稳定性，光路系统需要精确校准，以确保激光束能够准确地通过气体样品。
此外，气体样品的温度和压力变化也会影响测量结果，因此需要对样品进行恰当的控制和调节。
tdlas仪器的测量原理可以应用于多个领域。
例如，在环境监测中，可以利用tdlas仪器来测量大气中的污染物浓度，以评估空气质量。
在工业生产中，tdlas仪器可以用于监测工业废气中的有害物质浓度，以确保生产过程的安全性和环保性。
在医疗领域，tdlas仪器可以用于检测呼气气体中的特定分子，以诊断疾病或评估治疗效果。
tdlas仪器是一种基于激光吸收光谱技术的仪器，用于测量气体样品中特定分子的浓度。
其测量原理基于光的吸收特性，通过测量激光束的强度变化来间接测量样品中分子的浓度。
tdlas仪器具有测量速度快、准确性高、灵敏度高等优点，可以广泛应用于环境监测、工业生产、医疗诊断等领域。
在使用tdlas仪器进行测量时，需要注意光束和光路的稳定性，以及样品温度和压力的影响。
通过合理使用和控制，tdlas仪器可以提供准确可靠的测量结果，为相关领域的研究和应用提供支持。
TDLAS_气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计
文章编号 2097-1842（2024）01-0198-11TDLAS 气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计裴梓伊1,2，胡朋兵2,3，潘孙强2,3，戚海洋2,3，刘素梅2,3，刘 东1 *（1. 浙江大学 光电科学与工程学院 极端光学技术与仪器全国重点实验室, 浙江 杭州310027；2. 浙江省计量科学研究院, 浙江 杭州310018；3. 浙江省能源与环境保护计量检测重点实验室, 浙江 杭州310018）摘要：针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点，结合波长调制技术，设计和研究了用于TDLAS 激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit, HSPDC)。
基于波长调制技术，确定了TDLAS 信号噪声抑制方法；采用光电二极管理想模型，分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数；基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC 进行测试。
结果表明：所设计HSPDC 的光功率检测下限为0.11 nW ，信号衰减仅为0.79 dB(f =10 kHz)，截止频率较现有108 V/A 跨阻放大电路高一个数量级，可用于高速调制微弱光信号的探测。
搭建了气体激光遥测系统，当调制频率为3 kHz 时，激光遥测系统获得了良好的检测性能，检测灵敏度达到88.66 mV/ppm ，检测限优于0.565 ppm ，线性拟合度R 2为0.999 6。
研究表明，研制的HSPDC 光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点，可集成化，能满足气体激光遥测应用需求。
关 键 词：光电探测；跨阻放大；TDLAS ；开放光路；激光遥测中图分类号：O433.1；O433.4 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0107Design of a highly sensitive photoelectric detection circuitfor TDLAS gas laser telemetryPEI Zi-yi 1,2，HU Peng-bing 2,3，PAN Sun-qiang 2,3，QI Hai-yang 2,3，LIU Su-mei 2,3，LIU Dong 1 *（1. State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation , College of Optical Scienceand Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China ；2. Zhejiang Institute of Metrology , Hangzhou 310018, China ；3. Key Laboratory of Energy and Environmental Protection Measurement ofZhejiang Province , Hangzhou 310018, China ）* Corresponding author ，E-mail : ******************.cnAbstract : Aming at the characterstics of weak gas laser telemetry optical signals and strong interference from environmental factors, a Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit (HSPDC) for TDLAS laser tele-收稿日期：2023-06-25；修订日期：2023-07-20基金项目：2022 年度“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目（No. 2022C03065，No. 2022C03162，No. 2022C03084）；浙江省市场监督管理局雏鹰计划 培育项目（No. CY2023001）；浙江省市场监督管理局科研计划项目（No. QN2023419）Supported by the “Pioneer ” and “Leading Goose ” R&D Program of Zhejiang (No. 2022C03065，No.2022C03162，No. 2022C03084); Science and Technology Plan Program, Eagle Plan Training Program of Mar-keting Surveillance & Administration Bureau of Zhejiang Province (No. QN2023419, No. CY2023001)第 17 卷 第 1 期中国光学（中英文）Vol. 17 No. 12024年1月Chinese OpticsJan. 2024metry based on wavelength modulation technology has been designed and investigated. In addition, a noise suppression method for TDLAS signals based on wavelength modulation technology was determined. The photodiode ideal model is utilized to analyze the linear response characteristics of the photodetector circuit and determine the essential photodiode parameters. Based on the cascade amplification principle， the HSP-DC is designed, simulated, and tested, achieving a lower limit of optical power detection of 0.11 nW, a sig-nal attenuation of 0.79 dB (f=10 kHz). The cutoff frequency is one order of magnitude higher than the exist-ing 108 V/A cross-impedance amplification circuit. Therefore, the HSPDC is applicable for high-speed modu-lation of weak optical signals. The laser telemetry system exhibits excellent detection performance at a modu-lation frequency of 3 kHz, with a detection sensitivity of 88.66 mV/ppm, a detection limit of less than 0.565 ppm, and a linear fit R2 of 0.999 6. The study demonstrates that the HSPDC photoelectric detection cir-cuit has the advantages of fast response, high detection sensitivity and accuracy. Thus, it can be integrated to meet the needs of gas laser telemetry applications.Key words: photoelectric detection；transimpedance amplification；TDLAS；open light path；laser telemetry1 引 言近年来，环境保护受到人们越来越多的关注，痕量/微量气体检测[1]、颗粒物检测[2]、尘埃气溶胶检测[3]、海洋水质检测[4]乃至气溶胶-水云特性检测[5-6]等相关领域均迎来了蓬勃的发展。
tdlas技术要点
TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技术是一种基于调谐二极管激光吸收光谱的技术，用于测量气体中特定分子的浓度。
其要点如下：
1. 激光源：使用调谐二极管激光器作为光源。
这种激光器可以通过改变电流或温度来调节激光的波长，从而实现对特定分子的吸收峰进行扫描。
2. 光学系统：包括激光器、光纤、透镜和探测器等组件。
激光器发出的光经过光纤传输到样品中，然后经过透镜聚焦到探测器上。
3. 样品室：用于容纳待测气体的空间。
样品室通常是一个封闭的容器，可以通过进气口和出气口控制气体的流动。
4. 吸收光谱测量：激光经过样品室中的气体时，会与特定分子发生吸收作用。
探测器测量吸收光的强度，并将其转换为电信号。
5. 数据处理和分析：通过对吸收光谱的分析，可以确定待测气体中特定分子的浓度。
常用的分析方法包括比对实验测量的吸收光谱与已知浓度的标准光谱，或使用基于模型的拟合
算法进行浓度计算。
6. 实时监测：TDLAS技术具有快速响应和高灵敏度的特点，可以实现对气体浓度的实时监测。
这使得TDLAS技术在环境监测、工业过程控制和燃烧排放等领域得到广泛应用。
需要注意的是，TDLAS技术的具体实施步骤和参数设置可能会因应用领域和测量要求而有所不同。
在进行实际应用时，需要根据具体情况进行优化和调整。
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水平固定式全激光高精度机动车尾气遥感在线监测系统技术方案（汽柴油一体）1 机动车尾气遥感监测发展现状1.1 机动车尾气遥感监测难点）、碳氢化合机动车尾气实时监测组分：一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、不透光度。
物（HC）、氮氧化物（NOX可有效监测汽油车、柴油车尾气污染物，测量范围：CO：（0-10）％；：（0-16）％；CO2HC：(0-10000)ppm；NO：(0-10000)ppm；不透光度：（0-100）%；测量精度和重复性误差：符合《在用柴油车排气污染物测量方法及技术要求》（HJ845-2017）标准要求。
目前机动车尾气遥测主要技术难点：（1）车辆快速通过时，尾气扩散较快，要求监测设备响应快速，否则无法实时监测气团浓度，导致测量结果不能够真实反应车辆的实际排放情况，在实际的道路上会出现大量误检和漏检。
（2）烟气迅速扩散，测量误差大。
在开放环境中，机动车尾气气团会迅速扩散，所以直接测量得到的各个组分的浓度绝对值不能反应尾气排放的真实值，但对同一尾气气团，扩散后各位置的各组分的体积比系数是相同的，所以机动车尾气遥测测量设备通过燃烧方程，根据各组分的相对体积比来反演尾气排放的真实浓度。
然而目前绝大多数机动车尾气遥测设备遥测光路不能够同光路，导致测量各组分的绝对浓度值不是气团的同一位置的值，体积浓度比已经不准确，因此利用燃烧方程反演的值不能反应尾气真实排放情况。
1.2 机动车尾气遥感监测现状近几年国内机动车尾气遥感监测技术得到快速发展，技术路线包括NDIR非分散红外光谱、DOAS紫外差分吸收光谱、TDLAS可调节半导体激光吸收光谱等。
在户外尾气遥感监测应用领域TDLAS可调谐半导体激光吸收光谱技术路线，在抗干扰能力、测量分辨率、信号稳定性、光源寿命、运维成本以及测量响应时间等方面具有明显的优势，具体见表1。
随着各种技术路线快速发展所衍生的产品见表2。
第1种产品采用NDIR、DOAS相结合的方式，设备造价低，但在户外尾气遥感监测应用领域受环境的温度、湿度以及其它背景气体影响较严重，测量响应时间慢，存在严重的漂移，导致无法准确测量尾气排放各污染物浓度值。
第2种产品采用TDLAS结合DOAS，但其采用波长2um以下激光器作为光源测量CO、CO2，该方式造价低，但CO、CO2在2um以下的吸收较弱，使得设备CO、CO2的检测下限不能满足尾气遥感监测要求，同时该产品无法克服DOAS受环境的温度、湿度以及其它背景影响，测量响应时间慢，存在严重的漂移等缺点，所以该种产品在尾气排放遥测领域的应用存在缺陷。
第3种产品采用TDLAS结合DOAS，DOAS部分无法克服受环境温度、湿度以及其它背景影响，测量响应时间慢，存在严重漂移等缺点，这种产品只改善了CO、CO2的测量，但尾气排放根据燃烧方程解算出排放值，需要NO、HC的值同样准确且实时（与CO、CO2响应时间相同）才能得到准确的排放值，所以这种产品同样存在缺陷，无法准确测量尾气排放各污染物浓度值。
第4种产品虽采用TDLAS技术，但其采用的CO、CO2激光器在2um以下的吸收较弱，使得设备CO、CO2的检测下限不能满足尾气遥感监测要求，无法准确测量尾气排放各污染物浓度值。
第5种产品采用TDLAS技术，且四种激光器全部采用2um以上波长谱线，吸收信号强，可以实时准确测量快速通过车辆的尾气排放情况。
2 水平固定全激光高精度机动车尾气遥感在线监测系统2.1 技术路线及方案水平固定全激光高精度机动车尾气遥感在线监测系统采用2um～6um波长激光器测量CO、CO2、NO、HC，使用符合HJ 845标准的550～570nm绿光激光器测量不透光度，使用红光激光器测量速度加速度。
其中CO、CO2、NO、HC四个激光器采用同光束设计，每秒可以测量500～1000次，可保证准确测量车辆通过时的尾气排放。
图1遥测主机。
图1遥测主机2.2 设备清单设备清单2.3 全激光气态物四组分（CO、CO2、NO、HC）遥感监测模块模块由水平式遥测主机、水平式遥测辅机、恒温机柜、气体自动标定装置、标准气组成。
水平遥测主机装在道路右侧，水平式遥测辅机安装在对面，见图2。
模块具有自动标定装置满足HJ 845对气态物模块的校准和检查要求图2位置示意2.4 不透光度遥感监测模块不透光度遥感模块测量采用Beer-Lambert定律，使用550～570nm绿光激光二极管光源。
测量范围：不透光度0～100%误差：误差小于读数的±5％或绝对误差±2%。
重复性：不透光度监测重复性误差不大于±2.5％。
具备自动标定功能，模块上配备5片滤光片满足HJ 845对不透光度的校准和检查要求，标定过程无需人工操作。
测量响应时间：<0.5s。
2.5 速度加速度监测模块一些尾气遥感产品中速度加速度采用雷达测速的方法，雷达测速的优点是测量距离远，但精度低。
而速度、加速度，尤其是加速度对VSP的计算影响较大，因此尾气遥感系统中速度、加速度的准确测量尤为重要，雷达测速无法满足要求。
本系统中采用基于红光激光器的光电测速方法，响应速度快、测量精度高。
速度加速度监测模块的技术指标如下：（1）车辆速度范围为：1.0－120.0km/h；（2）车速在1.0-50.0 km/h，允许误差：±1.5 km/h；（3）车速在50.0-100.0 km/h，允许误差：±3.0 km/h；（4）加速度精度：0.22m/s2。
2.6 水平固定式机动车遥感监测系统应用管理软件水平固定式机动车尾气遥感监测系统管理软件（下称系统管理软件）使用Web方案生成用户界面，底层以 Core@和MongoDB@数据库作为软件后台。
上述两个软件库均由行业领先的软件公司负责维护，性能稳定，用户群体广泛，在软件生命周期内能够提供长期更新。
系统管理软件嵌入了公司自主开发的C# Pack核心层，与外置的交通卡口视频监控模块协同运作，实现了多车道机动车视频抓拍和车牌识别。
图3 系统管理软件架构用户操作界面基于Web技术，界面为简体中文，与Windows 10操作系统兼容，整个系统运行在尾气遥感单元的工控机之上，待工控机上电后能够开机自动运行。
为用户提供了分级权限管理、遥测数据实时显示、设备标定物理参数设置、对接上级管理平台、超标车数据综合分析五大功能。
系统管理软件还具备优秀的自检特性，当监测到系统故障后会进行自动报警，发送邮件、短信和钉钉消息到指定的运维支持人员。
结合公司一流售后服务体系，最大程度地节约客户宝贵的时间和人力。
2.6.1 系统管理软件界面图4 系统管理软件显示界面软件界面显示内容包括：实时智能抓拍的视频、抓拍结果、设备状况、遥测结果、环境参数显示。
2.6.2 分级权限管理图5 分级权限管理系统用户分为系统管理员和操作人员两套用户组，系统管理员拥有设备激活、设备参数设置、和手动标定参数输入等高级权限。
操作人员具备日常巡检和现场执法所需的系统权限，包括访问设备数据库查找黑烟车遥测数据、打印和导出遥测结果以及上传执法取证图像数据等。
2.6.3对接上级管理平台图6 数据对接支持上级环保平台系统的数据对接，具有心跳守护进程，能够保证数据安全的情况下向上级平台上传遥测数据。
2.6.4 设备标定物理参数设置设备接收上级平台发送的物理参数，同时也可以人工手动输入这些物理参数，例如：VSP上、下限，NO上限值等。
图7 物理参数设置2.6.5遥测数据记录及查询图8 遥感数据记录及查询可依据车辆的燃料类型、车牌号码、车辆比功率和遥测时气象状况来多维度查找和筛选遥测数据。
待找到目标数据后系统提供批量导出和批量打印功能，方便执法人员操作取证。
2.6.6 超标车数据综合分析图9 超标车数据统计图10 超标车数据统计2.7 系统技术先进性水平固定全激光高精度机动车尾气遥感监测系统技术先进性见以下说明：（1）不受背景气体交叉干扰：系统采用可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术，由于激光谱宽特别窄（小于0.0001nm），且只发射待测气体吸收的特定波长，使测量不受测量环境中其它成分的干扰，无红外或紫外吸收光谱(TDLAS)技术受背景气体干扰的缺陷。
、NO、HC分别采用2um～6um长波长激光器（4（2）测量精度高：CO、CO2个激光器），相比2um以下激光器，具有更低的检测下限，更适合快速扩散尾气测量，检测精度更高。
（3）不受低频噪声干扰：采用波长调制技术，测量调制至高频域，使得测量不受工频、振动等低频噪声干扰，更适合户外遥感监测应用场景。
（4）响应速度快，测量无滞后：受车辆通过速度、气象（风）影响，车辆通过后排放的尾气气团迅速扩散，因此车辆通过时要求遥感监测设备能够快速响应测量，本系统的测量采样速率可达每秒500到1000次以上，远远快于其他技术路线产品，例如：紫外技术路线，0.7～1s采样1次，其主要技术瓶颈是探测原理类似相机曝光，积分时间较长，尤其是在光强较低的情况下，需要更长的采样时间。
（5）同光路设计，符合燃烧方程解算要求，能够得到准确的尾气排放浓度：在开放环境中，机动车尾气气团会迅速扩散，所以直接测量得到的各个组分的浓度绝对值不能反应尾气排放的真实值，但对同一尾气气团，相同位置的各组分的体积比系数是相同的，所以机动车尾气遥测测量设备通过燃烧方程，根据各组分的相对体积比来反演尾气排放的真实浓度。
然而目前绝大多数机动车尾气遥测设备遥测光路不能够同光路，导致测量各组分的绝对浓度值不是气团的同一位置的值，体积浓度比已经不准确，因此利用燃烧方程反演的值不能、NO、HC值为气反应尾气排放情况，本系统采用同光路设计，测量的CO、CO2团同一位置的浓度值，因为通过燃烧方程结算后能够真实、准确反应尾气排放值。
（6）不受温度、压力及环境变换影响，系统无漂移：设备内部需要内置参比模块，并且进行动态补偿，实时锁住气体吸收谱线，不受温度、压力以及环境变化的影响，系统无漂移。
紫外等方式需要定期人工标定（7）水平式安装，维护成本低：采用水平固定式安装方式，反射装置安装在保护箱体内，大大减少反光部分的维护及清洁次数。
（8）设备光源采用寿命长的可调谐半导体激光器，无需定期更换的光源，人员维护和检修内容极少。
（9）具有自动标定功能：设备内部安装有自动标定装置，定时进行自动标定，无需人工定期标定。
（10）设备符合现行中华人民共和国国家环境保护标准《在用柴油车排气污染物测量方法及技术要求（遥感检测方法）》（HJ845-2017）的要求。
3 平台软件3.1 用户权限管理用户权限管理包括：用户身份认证、登陆、注销、功能管理权限、数据管理权限等功能。
设计灵活、通用、方便的权限管理共分三级：①系统管理员-顶级权限。
②操作专员-查询、打印、复核数据，开具执法单据。