球載CRDS高靈敏度甲烷測量系統(tǒng)的研制

袁 峰，高 晶，姚 路，陳 兵，何亞柏，胡 邁，許振宇，闞瑞峰

(1.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機械研究所 環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；3.中國科學(xué)院 青藏高原研究所，北京 100101；4.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

青藏高原凍土區(qū)是我國最重要的濕地分布區(qū)域之一，濕地面積達到1.3×105km2。近年來的研究表明，青藏高原濕地凍土區(qū)表現(xiàn)為碳匯作用，但是最近公布的監(jiān)測結(jié)果顯示，在青藏高原凍土區(qū)濕地，大氣本底甲烷的濃度上升趨勢高于同期全球平均水平，而對于此種甲烷濃度的異常與成因目前尚缺乏系統(tǒng)性的研究[1-2]。

青藏高原生態(tài)系統(tǒng)與大氣系統(tǒng)的甲烷交換需要連續(xù)準(zhǔn)確地觀測青藏高原地區(qū)大氣中的甲烷時空濃度分布特征。目前，大氣氣體含量的時空分布測量主要通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、差分吸收光譜(DOS)以及激光雷達等遙測技術(shù)實現(xiàn)[3]，基于機載、球載和無人機等平臺的原位測量技術(shù)由于具有更高的時間和空間分辨率，在大氣痕量氣體的時空分布測量方面也引起了科研人員的關(guān)注[4-5]。名古屋大學(xué)Yutaka Matsumi等設(shè)計了基于非色散紅外(NDIR)二氧化碳球載垂直廓線測量裝置[6]。法國蘭斯大學(xué)Lilian Joly等開發(fā)了球載近紅外和中紅外可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)裝置，分別應(yīng)用在二氧化碳垂直廓線測量和大氣對流層和同溫層甲烷濃度測量中[7-8]。中國科學(xué)院安徽光機所姚路等開發(fā)了小型化球載TDLAS二氧化碳廓線測量裝置[9]。相比于NDIR和TDLAS技術(shù)，通過腔增強實現(xiàn)更高檢測靈敏度的腔衰蕩光譜技術(shù)(Cavity Ring-down Spectroscopy，CRDS)因其裝置簡單和更高的檢測靈敏度等優(yōu)點，而在基于球載平臺的痕量氣體原位測量方面具有更好的應(yīng)用前景。

CRDS技術(shù)中，光在兩個高反射率平凹透鏡組成的光腔內(nèi)來回反射，在幾十厘米的物理長度實現(xiàn)幾十公里的等效吸收光程，使得檢測靈敏度相對于TDLAS大大提高。CRDS通過測量衰蕩信號的時間性質(zhì)間接測量光譜吸收系數(shù)，使得測量的光譜吸收系數(shù)與光源強度波動無關(guān)。另外，相對TDLAS調(diào)制光譜技術(shù)，CRDS測得的吸收系數(shù)是絕對吸收系數(shù)，不需要頻繁校準(zhǔn)，測量結(jié)果同時具有好的線性和重復(fù)性。因此，相對于其他球載原位探測技術(shù)，CRDS在痕量氣體檢測方面具有明顯優(yōu)勢[10-11]。

本文針對青藏高原甲烷垂直濃度廓線的測量，研制了一套基于CRDS技術(shù)的球載高靈敏度甲烷濃度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用長度為700 mm的腔和反射率大于99.99%的鏡片組成光學(xué)腔，在基于 DSP的單板電路上實現(xiàn)CRDS測量算法和數(shù)據(jù)處理，包括腔模鎖定、衰蕩信號采集與計算、光譜掃描和擬合、濃度反演等功能，優(yōu)化了光譜曲線擬合算法并仿真比較了不同噪聲水平下算法改進前后的濃度計算結(jié)果。該測量系統(tǒng)已于2019年4月在西藏魯朗地區(qū)進行了實際測量試驗，成功實現(xiàn)從地面海拔約3 340 m到6 000 m處的甲烷垂直濃度測量，測量結(jié)果驗證了球載CRDS的性能，并為系統(tǒng)的進一步優(yōu)化提供了方向，同時也為其他痕量氣體的球載檢測裝置設(shè)計提供參考。

2 測量原理與光譜處理算法

2.1 CRDS測量原理

一束單色光垂直通過某一非散射的均勻物質(zhì)時，由于光與物質(zhì)的相互作用使得透射光發(fā)生衰減，衰減量與穿過物質(zhì)的有效吸收光程和物質(zhì)本身的吸光性質(zhì)有關(guān)。Beer-Lambert定律描述了透射光強和入射光強之間的關(guān)系，即：

Iυ=I0υexp(-αυL)，

(1)

其中：I0υ和Iυ分別為頻率υ處的入射光強和透射光強，αυ為頻率υ處樣品氣體的光譜吸收系數(shù)，L為有效吸收光程。

一束激光耦合進一個充有氣體的光腔，當(dāng)頻率為υ、強度為I0υ的入射光與光腔發(fā)生共振時，立刻切斷輸入光，經(jīng)過時間t后光腔的透射光強為：

(2)

其中：R為光腔腔鏡的反射率，c為光速，L為反射鏡之間的距離。由式(2)可以看出，切斷輸入光后，光腔透射光強度呈指數(shù)衰減，在CRDS中，把透射光強衰減至其1/e時所需的時間稱為衰蕩時間，即有：

(3)

所以，衰蕩時間與腔長、鏡片反射率和腔內(nèi)氣體光譜吸收系數(shù)有關(guān)，式(3)是CRDS技術(shù)的理論基礎(chǔ)。腔內(nèi)氣體無吸收時衰蕩時間為：

(4)

由式(3)和式(4)可知，腔內(nèi)氣體的光譜吸收系數(shù)為：

(5)

因此，可以通過測量腔內(nèi)有氣體吸收時和無吸收時的衰蕩時間計算腔內(nèi)氣體的光譜吸收系數(shù)，根據(jù)腔內(nèi)氣體的光譜吸收系數(shù)確定腔內(nèi)氣體濃度。

CRDS技術(shù)的高測量靈敏度主要是激光與光學(xué)腔共振的結(jié)果。激光與腔的共振主要有兩種實現(xiàn)方式，第一種是改變光腔腔長匹配入射激光波長實現(xiàn)共振，第二種是改變激光波長匹配光腔腔長實現(xiàn)共振。第二種實現(xiàn)方式下，由于光腔腔長的固定使得光腔縱模之間的間隔不變，激光波長順序與待掃描波長范圍內(nèi)所有的縱模發(fā)生匹配，通過光腔縱模間隔確定匹配時的激光相對波長。相對于第一種實現(xiàn)方式，第二種方式無需實時標(biāo)定激光波長，簡化了儀器結(jié)構(gòu)[12-13]，因此本文設(shè)計的球載CRDS系統(tǒng)采用第二種實現(xiàn)方式，即改變激光波長實現(xiàn)光與光腔的共振。

2.2 譜線分析

根據(jù)HITRAN 2012數(shù)據(jù)庫可知甲烷在6 046.95 cm-1附近有3條相距很近的吸收譜線，表1中列出了3條譜線的愛因斯系數(shù)(E1)、壓力平移系數(shù)(Pshift)、環(huán)境碰撞加寬系數(shù)(γenv)和自碰撞加寬系數(shù)(γself)。這3條譜線除了線強之外，其他參數(shù)相差都很小，因此在實際光譜處理時將3條譜線進行單個譜線處理[14]。

表1 待測光譜譜線參數(shù)

儀器設(shè)計目標(biāo)是測量海拔為3 000～7 000 m的垂直甲烷濃度分布，大氣壓力約從0.7×105Pa變化到0.4×105Pa，溫度從地面約10 ℃(283 K)變化到高空約-20 ℃(253 K)。

圖1簡單分析了CH4，H2O，CO2在6 046～6 048 cm-1內(nèi)的吸收譜線，其中H2O的濃度根據(jù)283 K時0.7×105Pa時大氣的飽和水氣濃度[15]設(shè)定，CO2與CH4濃度以平原地區(qū)大氣中的平均含量設(shè)定。圖中可以看出，H2O在6 046.79 cm-1和6 047.78 cm-1與待測的CH4吸收譜線有部分重合，H2O濃度的提高和壓力的增加都會加劇對CH4吸收譜線的干擾，因此，測量氣體需要經(jīng)過干燥處理。在實際應(yīng)用中，讓測量氣體流過裝有變色硅膠干燥劑的干燥管是一種合適的干燥方法。變色硅膠干燥劑的主要成分為SiO2，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對CH4既沒有吸附作用也不與CH4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但對水汽的吸附能力強，能夠吸收重達自身質(zhì)量40%的水汽。在實際的光譜處理中，通過判斷在H2O吸收峰處的擬合殘差判斷干燥效果，即在6 046.79 cm-1和6 047.78 cm-1附近的擬合殘差沒有明顯變大，則認為干燥效果滿足測量要求。

圖1 甲烷吸收譜線與干擾氣體譜線仿真Fig.1 Simulation of CH4 absorption feature and interference absorption of H2O vapor and CO2

2.3 光譜處理

吸收光譜技術(shù)中，2.1節(jié)式(1)中吸收系數(shù)αυ與氣體濃度X、氣體壓力P、分子吸收線強S以及氣體吸收譜線線型φ之間的關(guān)系由式(6)確定。在0.4×105～0.7×105Pa的氣壓內(nèi)，式(6)中的吸收線型函數(shù)φ為歸一化的Vogit函數(shù)，Vogit函數(shù)由中心位置υ0，洛倫茲線寬ΔυL和高斯線寬ΔυG確定，PXS值一般稱為吸收系數(shù)曲線積分面積，用A表示。吸收光譜的實際應(yīng)用中，一般通過非線性最小二乘算法擬合光譜吸收系數(shù)曲線α(υ)得到4個光譜參數(shù)A，υ0，ΔυL，ΔυG：

α(υ)=PXSφ(υ，υ0，ΔυL，ΔυG).

(6)

擬合吸收系數(shù)曲線得到積分面積A后，濃度X由式(7)計算得到：

(7)

式中的氣體壓力P通過壓力計測量，線強S是溫度T的函數(shù)。S與T的關(guān)系為：

(8)

式中：Q(T)是溫度T時對應(yīng)的配分函數(shù)，不同溫度對應(yīng)的配分函數(shù)值可以通過HITRAN數(shù)據(jù)庫查詢得到，S(T0)與Q(T0)分別是T0為296 K時的線強和配分函數(shù)，E″是以cm-1為單位的躍遷低態(tài)能級，kB是玻爾茲曼常數(shù)[16]。

儀器搭載在氣球吊艙內(nèi)，外面的氣體通過氣泵抽取進入測量光腔內(nèi)，雖然吊艙內(nèi)的溫度在(22±5) ℃內(nèi)，但吊艙外面的環(huán)境溫度變化較大。溫度的變化不僅會導(dǎo)致線強改變，影響濃度計算的準(zhǔn)確性，還會加劇腔內(nèi)氣體溫度的不均勻性。這里通過兩種措施降低外部溫度變化的影響，第一，加長進氣管道和控制進氣流速，使得氣泵抽取的氣體先被艙溫預(yù)熱再進入光腔；第二，測量腔內(nèi)氣體溫度，并根據(jù)式(8)主動補償溫度引起的線強變化。式(8)中計算不同溫度的線強需要已知不同溫度下的配分函數(shù)Q(T)值，本文根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫給出了離散溫度的Q(T)值，利用多項式擬合253～303 K(-20～30 ℃)內(nèi)溫度T與配分函數(shù)Q(T)之間的關(guān)系，得到：

Q(T)=-97.752+1.909T+
2.956×10-4T2+3.751×10-6T3.

(9)

得到配分函數(shù)Q(T)后再根據(jù)式(8)計算線強S(T)。

A，υ0，ΔυL，ΔυG可以由式(6)中的α(υ)擬合確定，但高斯線寬ΔυG也可由溫度計算確定，即：

(10)

其中：M為相對分子質(zhì)量，υ0為吸收譜線的中心位置，高斯線寬可以由溫度計算得到，使得實際只有3個光譜參數(shù)需要α(υ)擬合確定。為了比較4個參數(shù)擬合與3個參數(shù)擬合結(jié)果的區(qū)別，即通過溫度計算固定高斯線寬擬合A，υ0，ΔυL和不固定高斯線寬擬合A，υ0，ΔυL，ΔυG結(jié)果的區(qū)別，本文仿真了不同噪聲水平下兩種方法的濃度計算結(jié)果，并且通過仿真評估了溫度偏移計算的高斯線寬對固定高斯線寬擬合結(jié)果計算的濃度值的影響。

在固定高斯線寬與不固定高斯線寬擬合比較的仿真中，設(shè)置甲烷濃度為2×10-6，溫度為296 K，氣壓為1.01×105Pa，產(chǎn)生4組幅值分別為0.002，0.006，0.01，0.014的隨機噪聲，每組200個，光譜信號與4組(每組200個)隨機噪聲分別相加構(gòu)成4組(每組200個)含隨機噪聲的光譜信號。采用固定與不固定高斯線寬兩種擬合方法計算每組的濃度值，圖2是4組計算的濃度結(jié)果(彩圖見期刊電子版)，其中紅色曲線是固定高斯線寬的計算結(jié)果，黑色曲線是不固定高斯線寬的計算結(jié)果，圖中還分別給出了兩種方法每組計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差σ。4組不同噪聲水平下固定高斯線寬ΔυG的計算結(jié)果都明顯優(yōu)于不固定高斯線寬ΔυG的計算結(jié)果。

圖2 不同噪聲水平固定與不固定高斯線寬擬合算法的計算濃度結(jié)果比較Fig.2 Comparison of fitting algorithm between fix and unfix Gaussian linewidths in various noise levels

溫度測量可能存在偏差，使得計算的ΔυG偏離真實值，為了評估ΔυG的偏差對擬合結(jié)果的影響，分別以10 ℃(283 K)，15 ℃(288 K)，20 ℃(293 K)，25 ℃(298 K)，30 ℃(303 K)，35 ℃(308 K)對應(yīng)的ΔυG擬合200個疊加了幅值為0.01的隨機噪聲，23 ℃(296 K)、1.01×105Pa、2×10-6的吸收光譜曲線，表2分別給出6個溫度下濃度計算結(jié)果的均方值(RMS)和標(biāo)準(zhǔn)差σ。從RMS可以看出，當(dāng)擬合設(shè)定溫度小于實際溫度時，計算的濃度RMS小于真實值，當(dāng)擬合設(shè)定溫度大于實際溫度時，計算的濃度RMS大于真實值，但是計算結(jié)果對溫度的偏差并不敏感，10 ℃(283 K)與35 ℃(308 K)計算的ΔυG擬合23 ℃(296 K)的光譜吸收曲線，濃度RMS偏差約0.9×10-9，因此普通的溫度傳感器測量精度完全滿足ΔυG的計算要求，甚至在溫度變化范圍不大的場合，可以用環(huán)境平均溫度固定高斯線寬擬合計算。在實際應(yīng)用中，儀器通過測量的腔內(nèi)氣體溫度T計算高斯線寬ΔυG，再用非線性最小二乘算法擬合其他3個光譜譜線參數(shù)。

表2 不同溫度對應(yīng)的高斯展寬ΔυG計算296 K，2×10-6甲烷濃度仿真結(jié)果

3 測量方案設(shè)計

CRDS甲烷濃度測量系統(tǒng)搭載在系留球吊艙內(nèi)，吊艙是一個密閉空間，外殼由保溫材料制作，腔內(nèi)溫度通過風(fēng)扇和艙內(nèi)輔熱裝置調(diào)節(jié)，艙內(nèi)溫度保持在(22±5) ℃。通過2.3節(jié)中提到的第一個措施能夠保證光腔內(nèi)氣體的溫度與艙內(nèi)溫度接近，通過第二個措施可以補償溫度的小范圍變化帶來的測量誤差。系留球平臺為儀器提供蓄電池供電和無線數(shù)據(jù)傳輸，測量數(shù)據(jù)通過無線傳輸裝置實時傳回地面接收站，基于平臺條件和測量需求，設(shè)計了圖3所示的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 球載CRDS測量系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

氣泵抽取艙外新鮮氣體經(jīng)過硅膠干燥劑去除水汽后經(jīng)過過濾器去除灰塵與雜質(zhì)再進入測量光腔內(nèi)，進氣流速由進氣口與出氣口針閥控制。CRDS系統(tǒng)由光腔、主控電路、半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)(Thorlabs，BOA1082P)及其驅(qū)動電路、光纖光隔離器(FOPTO)和光電探測器(GPD，GAP1000FC)構(gòu)成。光腔的長度為700 mm，縱模間隔為214.3 MHz，主控電路基于TI的DSP TMS320C6748設(shè)計，集成了DFB激光器(NEL，NLK1U5EAAA)及其TEC控制器和電流驅(qū)動器電路、衰蕩信號形成電路、衰蕩信號采集電路、SD卡、RS232等功能模塊。CRDS技術(shù)中的光開關(guān)使用SOA實現(xiàn)，SOA與DFB半導(dǎo)體激光器類似，需要TEC控制器和電流驅(qū)動器電路，電流驅(qū)動器注入SOA 0 mA電流，SOA切斷光路，注入500 mA電流，SOA閉合光路。光纖光隔離器是為了防止光腔的高反鏡(LAYERTEC，110278)的反射光進入激光器引起激光器跳模。光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電流通過信號線連接到主控電路，由主控電路集成的跨導(dǎo)放大電路(TIA)和微弱信號調(diào)理電路進一步處理。主控電路掃描完每組光譜數(shù)據(jù)后，溫度傳感器(PT100)和壓力傳感器(ATM.1ST)采集腔內(nèi)氣體的溫度與壓力，然后進行光譜擬合和濃度計算，完成后將時間、壓力、溫度、濃度以及光譜原始數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，同時通過RS232模塊發(fā)送時間、壓力、溫度和濃度數(shù)據(jù)。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊可以將RS232發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)并發(fā)送出去，地面通過無線接收設(shè)備實時接收儀器采集到的壓力、溫度和濃度等信息。圖4是設(shè)計完成的測量樣機，由12～24 V直流供電，功耗約為12 W，單次濃度測量時間約為12 s。

圖4 CRDS測量樣機實物圖Fig.4 Photograph of assembled CRDS instrument

圖5 CRDS系統(tǒng)測量程序流程Fig.5 Flow chart of measurement program of CRDS system

圖5是主控芯片TMS320C6748的程序運行流程。儀器上電后，程序先初始化系統(tǒng)外設(shè)接口與電路參數(shù)，然后控制DAC微調(diào)激光器的輸入偏置電流使得激光波長與光腔縱模發(fā)生共振，共振發(fā)生后立刻停止電流調(diào)節(jié)，此時與光腔縱模共振的激光波長對應(yīng)的偏置電流被鎖定，這個過程稱為激光波長鎖定。激光波長鎖定后立刻使能SOA切斷輸入光并采集計算光腔的透射光強信號——衰蕩信號，得到衰蕩時間。重復(fù)激光的波長鎖定與衰蕩信號的采集與計算過程，依次完成待掃描光譜范圍內(nèi)所有光腔縱模的衰蕩信號的采集與計算，這個過程稱為光譜掃描。光譜掃描完成后采集腔內(nèi)氣體的溫度與壓力，計算高斯線寬并擬合衰蕩時間計算的光譜吸收系數(shù)曲線，根據(jù)擬合得到光譜吸收系數(shù)曲線的積分面積A，并計算濃度值。最后存儲與發(fā)送相關(guān)的測量與計算結(jié)果。

4 性能分析

儀器通過激光波長掃描實現(xiàn)與光腔縱模的共振。為了提高測量精度，每個縱模處鎖定后，連續(xù)采集40次衰蕩信號，將40個衰蕩信號計算的40個衰蕩時間的平均值作為該縱模處的衰蕩時間。圖6分別是儀器采集的單個衰蕩信號和計算的光譜吸收曲線及兩者的擬合曲線和殘差。圖6(a)中衰蕩時間τRD為79.4 μs，擬合殘差的RMS為1.470 mV，標(biāo)準(zhǔn)差σ為1.473 mV，信噪比達62 dB；圖6(b)中的紅色曲線是衰蕩時間計算的光譜吸收曲線，根據(jù) 2.3節(jié)介紹的方法擬合光譜吸收曲線，藍色曲線為擬合結(jié)果，擬合殘差的標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.002，并呈 “W”形狀分布。 擬合殘差的“W”形狀是由于Vogit線型本身存在的誤差導(dǎo)致[17]。

(a)衰蕩信號及其擬合波形和擬合殘差

(b)光譜吸收曲線及其擬合波形和擬合殘差

光腔長度、氣體溫度和氣體壓力等測量存在偏差，因此實際測量結(jié)果需要標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定。本文使用濃度分別為1.5×10-6，2.3×10-6，2.7×10-6，3.0×10-6、精度為5%的標(biāo)準(zhǔn)氣體對儀器測量結(jié)果進行標(biāo)定，圖7(a)是4組標(biāo)準(zhǔn)氣體的測量結(jié)果，圖中表格分別給出了4組測量值的RMS和方差，方差最大為2.2×10-9。圖7(b)中給出了標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)稱值與測量值RMS之間的線性關(guān)系，校正可決系數(shù)為0.998 7，擬合系數(shù)在圖7(b)中表格給出，實際濃度由測量濃度和擬合系數(shù)確定。

圖7 標(biāo)氣測量結(jié)果及標(biāo)稱值與測量值的線性分析

5 試驗與結(jié)果

儀器參加了2019年4月28日至29日在西藏魯朗地區(qū)進行的第二次青藏高原綜合科考系留球試驗，儀器性能得到了實際測試與驗證。魯朗地區(qū)地面海拔約為3 340 m，氣球在北京時間4月28日23：47開始上升，4月29日03：36上升到最高點——海拔6 000 m，4月29日06：31回到地面。圖8是試驗現(xiàn)場照片，儀器搭載在氣球吊艙內(nèi)。

儀器在氣球上升前30 min上電，上電后儀器自動運行。儀器掃描一組光譜數(shù)據(jù)需要約12 s，每掃描一組光譜信號采集一次腔內(nèi)氣體溫度與壓力，計算出濃度值后將光譜原始數(shù)據(jù)、時間、溫度、壓力以及濃度值在SD卡中存儲，另外發(fā)送時間、溫度、壓力和濃度數(shù)據(jù)到地面接收站。

圖8 第二次青藏高原綜合科考魯朗系留球試驗

光譜線型Vogit函數(shù)是洛倫茲線型函數(shù)和高斯線型函數(shù)的卷積，Vogit線型函數(shù)中的洛倫茲成分是由分子之間的碰撞展寬引起的，是壓力的函數(shù)。洛倫茲函數(shù)的線寬與壓力的關(guān)系為：

ΔυL=2P[XCH4γself+(1-XCH4)γenv]，

(11)

其中：P為總壓，XCH4為甲烷濃度，γself與γenv分別為自碰撞加寬系數(shù)與環(huán)境碰撞加寬系數(shù)，由表1給出。大氣中的甲烷濃度很低，式(11)中右邊括號中的第一項遠小于第二項，式(11)可以簡化為：

ΔυL≈2Pγenv.

(12)

所以，氣壓越低，光譜線寬越小。

儀器在氣球上升與下降過程中一直正常工作，圖9展示了存儲在SD卡中的典型高度的幾組光譜數(shù)據(jù)樣本，因為采集的是離散的光譜數(shù)據(jù)，為了更方便地比較不同海拔高度光譜線寬的變化，將存儲在SD卡中的原始光譜數(shù)據(jù)進行了樣條插值處理。圖9(a)是上升過程中不同高度的5組光譜數(shù)據(jù)，隨著高度的上升，光譜線寬減??；圖9(b)是下降過程中不同高度的5組光譜數(shù)據(jù)，隨著高度的下降，光譜線寬增大。其中最低點海拔3 340 m時，光譜的洛倫茲線寬為0.074 cm-1，最高點海拔6 000 m光譜的洛倫茲線寬為0.056 cm-1。

(a)氣球上升過程不同高度的光譜數(shù)據(jù)

(b)氣球下降過程不同高度的光譜數(shù)據(jù)

在上述上升與下降過程的各5組光譜原始數(shù)據(jù)分別選取了一組進行了擬合分析，分析結(jié)果如圖10所示。圖10(a)是氣球上升到海拔5 250 m的光譜原始數(shù)據(jù)，此時腔內(nèi)氣壓為0.46×105Pa，溫度為22.4 ℃，計算的濃度值為1.919×10-6；圖10(b)是氣球下降到海拔5 600 m處的光譜原始數(shù)據(jù)，此時腔內(nèi)壓力為0.44×105Pa，溫度為20.6 ℃，計算的濃度值為1.884×10-6。

(a)上升過程中海拔5 250 m處的光譜原始數(shù)據(jù)

(b)下降過程中海拔5 600 m處的光譜原始數(shù)據(jù)

此次試驗測量了魯朗地區(qū)近地表面約2 700 m垂直高度的大氣甲烷濃度。圖11(a)與圖11(b)分別對應(yīng)氣球上升和下降過程不同高度的甲烷濃度測量值，整個測量過程中濃度在1.88×10-6～1.96×10-6內(nèi)，最大變化約為80×10-9，兩次測量中不同高度甲烷濃度也不具有明顯的一致性。近地表面的大氣對流復(fù)雜多變，在氣球上升與下降過程中，大氣的溫度、風(fēng)向以及濕度都已發(fā)生較大變化，風(fēng)向的轉(zhuǎn)變使得測量點的甲烷來源可能發(fā)生變化，不同高度大氣之間的頻繁對流則減小了不同高度的甲烷濃度差異。

(a)氣球上升過程甲烷測量數(shù)據(jù)

(b)氣球下降過程甲烷測量數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

本文利用基于DSP TMS320C6748設(shè)計的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)球載高靈敏度甲烷測量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。測量系統(tǒng)基于高靈敏度的吸收光譜技術(shù)CRDS設(shè)計，選擇甲烷位于6 046.95 cm-1處的吸收譜線作為目標(biāo)測量譜線。針對不同海拔高度溫度和壓力的大范圍變化，系統(tǒng)集成了腔內(nèi)氣體溫度和壓力的測量裝置，并且通過測量溫度計算高斯線寬使得濃度計算結(jié)果得到明顯優(yōu)化。集成后系統(tǒng)采集到的衰蕩信號信噪比達62 dB，測量的光譜擬合殘差RMS為0.002。在實驗室通過4種濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體對系統(tǒng)測量結(jié)果進行了分析，測量值RMS與標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)稱值校正可決系數(shù)為0.998 7，4種濃度測量值的標(biāo)準(zhǔn)差最大為2.2×10-9，即系統(tǒng)的1σ檢測線為2.2×10-9。集成后的測量系統(tǒng)功耗為12 W，光譜掃描時間即單個濃度的測量時間約為12 s。

測量系統(tǒng)搭載在系留球平臺成功參加了第二次青藏高原綜合科考西藏魯朗系留球試驗，實驗中，儀器成功測量了從地面海拔3 340 m到海拔6 000 m氣球上升和下降過程中大氣的甲烷濃度，并完整記錄了整個過程的光譜數(shù)據(jù)。光譜的吸收線強與溫度有關(guān)，由于不同海拔處溫度的大范圍變化，本文通過加長進氣管道和減小進氣流速使得具有保溫功能的氣球吊艙加熱進入測量腔室的待測空氣，同時測量進入腔內(nèi)氣體的溫度，測量結(jié)果表明進到測量腔內(nèi)的氣體溫度已經(jīng)接近艙溫。但是由于進氣流速較慢，導(dǎo)致儀器對濃度變化的響應(yīng)時間增大，另外測量腔內(nèi)氣體溫度的不均勻性會導(dǎo)致儀器測量精度的降低。因此，為了進一步提高儀器的響應(yīng)時間和檢測精度需要增加預(yù)熱裝置預(yù)熱進氣溫度和對腔體控溫[18-20]。

該儀器通過改變激光波長匹配光腔的縱模實現(xiàn)共振，低壓時光譜展寬較小，為了在光譜吸收范圍內(nèi)采集足夠的點數(shù)完成光譜線型擬合，需要減小腔的縱模間隔進而導(dǎo)致光腔腔長變長，而因此使儀器體積成倍增加，腔內(nèi)體積的增加也會增長對濃度變化的響應(yīng)時間。因此，為了擴展儀器的使用范圍和提高儀器性能，下一步需要改變激光與腔的共振實現(xiàn)方式，即改變光腔腔長度匹配激光波長實現(xiàn)共振。