基于TDLAS技術(shù)的機(jī)載水汽密度測(cè)量?jī)x

郝曉輝，楊 飛，賈少龍，郝 奎，張志遠(yuǎn)

(1.航空工業(yè)太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006；2.山西工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)械電子工程系，山西 太原 030009)

水汽在大氣中所占的比例很小，僅0.1%～3%，卻是大氣中最活躍的成分[1]，對(duì)于空氣中水汽密度的研究具有重要價(jià)值。傳統(tǒng)的濕度測(cè)量方法有濕度計(jì)法、電學(xué)法、化學(xué)法等[2]，這些測(cè)量方法在機(jī)載環(huán)境下較難實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用最廣泛的濕敏電容式濕度傳感器和冷鏡式露點(diǎn)儀均存在響應(yīng)時(shí)間慢的問題[3]，無(wú)法滿足機(jī)載環(huán)境下實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。

國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者在應(yīng)用可調(diào)諧激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技術(shù)測(cè)量高空水汽密度方面進(jìn)行了很多的研究，并取得了一系列的研究成果。2007年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)將基于TDLAS技術(shù)的低溫露點(diǎn)濕度計(jì)應(yīng)用在球載水汽測(cè)量裝置[4]中。2013年，哈佛大學(xué)研制了近紅外TDLAS濕度計(jì)，搭載到NASA的WB-57飛機(jī)上進(jìn)行濕度測(cè)量，用于對(duì)中緯度卷云特性進(jìn)行研究[5]。2013年，德國(guó)的Buchholz等[6]研制了基于TDLAS技術(shù)的機(jī)載濕度測(cè)量系統(tǒng)。美國(guó)的航空公司已經(jīng)將SpectraSensor公司的WVSS-Ⅱ水蒸氣傳感器安裝在航空飛機(jī)上進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)。

國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)和作者在應(yīng)用TDLAS技術(shù)測(cè)量水汽密度方面也進(jìn)行了很多的研究。2016年，山東大學(xué)研制了基于TDLAS技術(shù)的濕度測(cè)量?jī)x[7]。2019年，聶偉[8]采用TDLAS技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室開展了大動(dòng)態(tài)范圍露點(diǎn)/霜點(diǎn)溫度精確測(cè)量方法研究、露點(diǎn)/霜點(diǎn)溫度測(cè)量結(jié)果溯源研究以及極低溫度環(huán)境下露點(diǎn)/霜點(diǎn)測(cè)量的環(huán)境適應(yīng)性研究，通過與標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)比，全范圍測(cè)量結(jié)果小于1 ℃。國(guó)內(nèi)雖在應(yīng)用TDLAS技術(shù)測(cè)量濕度有了突破性進(jìn)展，但尚未將該技術(shù)在機(jī)載環(huán)境下應(yīng)用。

航空工業(yè)太原航空儀表有限公司于2018年研制了機(jī)載大氣總含水量測(cè)量裝置[9]，目前已安裝在人工影響天氣飛機(jī)上，用于測(cè)量總水含量(固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài))。在該測(cè)量裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種滿足機(jī)載環(huán)境的體積小、響應(yīng)時(shí)間快、測(cè)量精度高的水汽密度測(cè)量?jī)x。

采用TDLAS技術(shù)、激光波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，通過控制激光器溫度，調(diào)制激光器工作電流使激光器輸出的波長(zhǎng)在1368.6 nm的吸收譜線附近進(jìn)行掃描，光電探測(cè)器將經(jīng)過水汽吸收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，采用二次諧波檢測(cè)技術(shù)測(cè)得二次諧波的幅值，計(jì)算得出原始水含量。通過露點(diǎn)發(fā)生器產(chǎn)生不同濃度的水汽，分別通過水汽密度測(cè)量?jī)x與高精度冷鏡式露點(diǎn)儀，以高精度冷鏡式露點(diǎn)儀為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水汽密度測(cè)量?jī)x進(jìn)行全量程標(biāo)定，得出擬合曲線。之后對(duì)標(biāo)定后的水汽密度測(cè)量?jī)x進(jìn)行了精度和響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。為了驗(yàn)證水汽密度測(cè)量?jī)x在機(jī)載環(huán)境下測(cè)量的可行性，將該儀器安裝在山西省人影辦的運(yùn)12人工影響天氣飛機(jī)上，進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。

該項(xiàng)研究填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)機(jī)載水汽測(cè)量裝置的空白，為飛機(jī)飛行過程的水汽密度的測(cè)量提供了一種可靠的裝置。

1 TDLAS測(cè)量的基本原理

根據(jù)Beer-Lambert定律[10-12]，一束單色激光穿越氣體介質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度變化可以用式(1)來表示。

(1)

式中：It為穿越氣體介質(zhì)時(shí)經(jīng)過氣體吸收后的激光強(qiáng)度；Io為無(wú)氣體吸收時(shí)的參考激光強(qiáng)度；P為氣體介質(zhì)的總壓；S(T)為該氣體特征譜線的線強(qiáng)度，它表示該譜線的吸收強(qiáng)度，只與溫度有關(guān)；φ(υ)為線型函數(shù)，它表示了被測(cè)吸收譜線的形狀，與溫度、總壓力和氣體中的各成分含量有關(guān);X為氣體的體積濃度；L為激光在氣體中傳播的距離；α(υ)為測(cè)量中得到的光譜吸收率信號(hào)。

φ(υ)線型函數(shù)的譜線形狀是以分子躍遷點(diǎn)頻率為中心的呈現(xiàn)出的一種分布狀態(tài)，反映了光譜吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的相對(duì)變化情況，線型函數(shù)在吸收線的中心有最大值。

在利用TDLAS技術(shù)檢測(cè)氣體濃度時(shí)，最開始采用的是直接吸收光譜技術(shù)，該方法簡(jiǎn)單，不用標(biāo)定就可以測(cè)得氣體的濃度。直接吸收的檢測(cè)方法是通過對(duì)比激光的原始光強(qiáng)信號(hào)和以頻率或波長(zhǎng)為函數(shù)采集得到的經(jīng)過待測(cè)氣體的吸收光強(qiáng)信號(hào)，再根據(jù)測(cè)量得到的吸收線的強(qiáng)度和形狀計(jì)算得出待測(cè)氣體的濃度值[13]。

但是直接吸收光譜技術(shù)的檢測(cè)靈敏度低，容易受到檢測(cè)系統(tǒng)中各種背景噪聲(主要是激光器、光電探測(cè)器與電路中所產(chǎn)生的各種噪聲)的影響。直接吸收光譜技術(shù)主要是通過控制激光器的波長(zhǎng)在氣體分子中心波長(zhǎng)附近掃描，從而得到氣體分子的光譜吸收線。但是由于待測(cè)氣體分子吸收光譜窄，而且不能長(zhǎng)時(shí)間地將激光輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定在同一范圍內(nèi)，所以利用直接吸收光譜技術(shù)在檢測(cè)氣體濃度時(shí)的準(zhǔn)確度不能保證。

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光的調(diào)制技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，為了提高氣體檢測(cè)靈敏度，在直接吸收存在檢測(cè)誤差并且檢測(cè)靈敏度低的情況下，又出現(xiàn)了波長(zhǎng)調(diào)制光譜(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技術(shù)[14]以及頻率調(diào)制光譜(Frequency Modulation Spectroscopy,FMS)技術(shù)[15]。通過對(duì)激光器的直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行交流調(diào)制可以在一定程度上消除由系統(tǒng)背景噪聲引起的低頻頻譜。筆者采用了激光的波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)作為研究的技術(shù)手段。

使用的光源為可調(diào)諧激光二極管，可調(diào)諧激光二極管是一種具有窄線寬、波長(zhǎng)由溫度和電流進(jìn)行控制的激光器。將頻率為ω、調(diào)制幅度為α的高頻正弦波疊加到頻率為υc的鋸齒波對(duì)激光器進(jìn)行光調(diào)制，激光器輸出的光頻率可以用式(2)表示。

υ=υc+αcosωt

(2)

經(jīng)過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的裝有被測(cè)氣體的吸收池后，其透射光強(qiáng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式[16-17]如式(3)所示。

I(υ)=Io(υ)exp[-k(υ)LC]

(3)

根據(jù)指數(shù)ex的性質(zhì)，當(dāng)指數(shù)∣x∣<<1時(shí)，ex≈1+x。

當(dāng)吸收光譜應(yīng)用于氣體檢測(cè)時(shí)，由于濃度C非常小，因此k(υ)LC<<1，可以將I(υ)表示為式(4)。

I(υ)=Io(υ)[1-k(υ)LC]

(4)

吸光度A(υ)與頻率υ的關(guān)系為

A(υ)=k(υ)LC

(5)

將吸光度利用余弦傅里葉級(jí)數(shù)展開為各次諧波分量，如式(6)所示。

(6)

式中：調(diào)制頻率角θ=ωt，將式(2)代入式(6)，并利用傅里葉級(jí)數(shù)展開，將得到吸光度的各諧波分量，見式(7)。

(7)

在調(diào)制幅度遠(yuǎn)小于吸收線時(shí)，對(duì)上式進(jìn)行泰勒技術(shù)展開得到式(8)。

(8)

由式(8)可知，第n次諧波分量大小與吸收系數(shù)k(υ)的n階導(dǎo)數(shù)、光程長(zhǎng)度L以及被測(cè)氣體的濃度C成正比關(guān)系[18]。選擇中心對(duì)稱且諧波信號(hào)最強(qiáng)的二次諧波分量進(jìn)行檢測(cè)。

HITRAN(High-Resolution Transmission Molecular Absorption Database)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)包含各種氣體分子光譜參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，具有很高的權(quán)威性，根據(jù)查詢，HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)中H2O分子的吸收譜線圖在波長(zhǎng)1368.6 nm時(shí)，H2O分子的吸收線強(qiáng)最大。因此選擇波長(zhǎng)1368.6 nm作為H2O分子濃度測(cè)量的中心波長(zhǎng)。

2 系統(tǒng)概述

水汽密度測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由氣體采集器、進(jìn)氣管路、出氣管路、吸收池組件、電源板、信號(hào)處理板6部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電源板的作用是將機(jī)上+28 V直流電源轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品內(nèi)部需要的各種電壓，并且在進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換前，為了應(yīng)對(duì)機(jī)載環(huán)境下的復(fù)雜電磁環(huán)境，設(shè)計(jì)了電源防反接功能、濾除機(jī)上電源干擾功能、防機(jī)上電源浪涌電壓沖擊功能、防雷功能等，同時(shí)在電源板上設(shè)計(jì)有驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣管路和吸收池加熱的驅(qū)動(dòng)電路。

氣體采集器是用于采集目標(biāo)氣體的結(jié)構(gòu)裝置，它安裝于飛機(jī)側(cè)下方的蒙皮處，利用特殊的水氣分離結(jié)構(gòu)，將飛機(jī)飛行過程中的水滴、冰晶、雜質(zhì)等直接通過氣道流出，只將部分目標(biāo)氣體通過氣體采集器的進(jìn)氣接頭進(jìn)入進(jìn)氣管路中。

水汽遇冷會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象，為了防止水汽進(jìn)入吸收池內(nèi)發(fā)生液化變?yōu)橐簯B(tài)水使得測(cè)量到的水汽密度不準(zhǔn)確，本系統(tǒng)在進(jìn)氣管路和吸收池部分設(shè)計(jì)了加溫與加溫控制功能。在進(jìn)氣管路中設(shè)計(jì)加熱絲對(duì)管路進(jìn)行加熱，并在出口處設(shè)計(jì)PT100鉑電阻溫度傳感器對(duì)進(jìn)入吸收池內(nèi)的氣體溫度監(jiān)控，通過PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)制方式將進(jìn)氣管路的溫度控制在35 ℃±5 ℃。在吸收池殼體外部設(shè)計(jì)加熱膜對(duì)吸收池殼體進(jìn)行加熱，并在吸收池內(nèi)部設(shè)計(jì)溫壓模塊對(duì)吸收池內(nèi)的氣體溫度進(jìn)行監(jiān)控，通過PWM調(diào)制方式將吸收池內(nèi)的溫度控制在40 ℃±2 ℃。該設(shè)計(jì)保證了水汽密度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

目標(biāo)氣體通過吸收池進(jìn)氣接口進(jìn)入吸收池內(nèi)，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直器后發(fā)射出去，激光通過吸收池內(nèi)氣體吸收后，經(jīng)過吸收后的調(diào)制光被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳輸?shù)叫盘?hào)處理板上進(jìn)行信號(hào)處理。

信號(hào)處理板在本系統(tǒng)中的主要作用是驅(qū)動(dòng)激光器工作，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算。CPLD(Complex Programming Logic Device)在本系統(tǒng)的作用是通過編程產(chǎn)生各種波形。CPLD產(chǎn)生9.5 Hz的鋸齒波、9.8 kHz的基頻正弦波，將鋸齒波和基頻正弦波疊加后生成的12位數(shù)字信號(hào)送至LTC7541數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，再經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)放大電路驅(qū)動(dòng)激光器工作。激光器的溫度由MAX1968控制，MAX1968可雙象限工作。通過采集激光器熱敏電阻的溫度，控制激光器的加溫或制冷，保持激光器溫度基本穩(wěn)定。光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)與激光器的背光探測(cè)器電流經(jīng)過電流自平衡探測(cè)電路后去除掉直流分量，再經(jīng)過I/V變換和放大后得到各次諧波信號(hào)。CPLD產(chǎn)生19.6 kHz的正余弦信號(hào)作為參考信號(hào)，與各次諧波信號(hào)通過雙路正交鎖相解調(diào)電路相乘得到2次諧波信號(hào)的幅值和相位，經(jīng)低通濾波后由CPU進(jìn)行A/D采集計(jì)算得出原始水含量。為了減小在低量程的誤差，將激光器維持在直流狀態(tài)，CPU通過不斷調(diào)整2路D/A信號(hào)將雙路正交鎖相解調(diào)電路的輸出值校準(zhǔn)到零位，達(dá)到減小低量程誤差的目的。

本系統(tǒng)需要對(duì)原始水含量進(jìn)行全量程標(biāo)定，選用瑞士MBW公司的973型高精度冷鏡式露點(diǎn)儀作為標(biāo)定參考，選用湖州唯立儀表廠的WLS-Ⅰ型低溫露點(diǎn)發(fā)生器作為露點(diǎn)發(fā)生裝置。由露點(diǎn)發(fā)生器產(chǎn)生不同濕度的氣體，采用并聯(lián)的方式通過本系統(tǒng)和冷鏡式露點(diǎn)儀，對(duì)本系統(tǒng)的原始水含量與冷鏡式露點(diǎn)儀測(cè)得的水汽密度值進(jìn)行曲線擬合，最終得出擬合曲線。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件由綜合處理軟件和信號(hào)驅(qū)動(dòng)軟件組成。綜合處理軟件是基于ATXMEGA128A3的嵌入式軟件，主要功能包括系統(tǒng)初始化、自檢測(cè)(包括上電自檢測(cè)、周期自檢測(cè))、靜溫和靜壓數(shù)據(jù)信號(hào)接收、激光器溫度和功率信號(hào)采集、進(jìn)氣管溫度信號(hào)采集、吸收池溫度壓力信號(hào)采集、進(jìn)氣管溫控、吸收池溫控、激光器溫控、模擬量信號(hào)采集、原始水含量、水汽密度的計(jì)算、數(shù)據(jù)組合、數(shù)據(jù)發(fā)送。圖2為綜合處理軟件流程圖。

圖2 綜合處理軟件流程圖

信號(hào)驅(qū)動(dòng)軟件是基于EPM240T100的嵌入式軟件，主要功能包括分頻計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)、正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)、余弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)、復(fù)合驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)、解調(diào)輸出信號(hào)設(shè)計(jì)。圖3為信號(hào)驅(qū)動(dòng)軟件流程圖。

圖3 信號(hào)驅(qū)動(dòng)軟件流程圖

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 精度檢測(cè)

利用露點(diǎn)發(fā)生器產(chǎn)生不同濕度的氣體用于系統(tǒng)精度檢測(cè)。采用冷鏡式露點(diǎn)儀作為測(cè)量參考。由露點(diǎn)發(fā)生器產(chǎn)生的不同濕度氣體，分別通過本系統(tǒng)和冷鏡式露點(diǎn)儀，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果 單位：g/m3

從表1可以得出，在0～10 g/m3的測(cè)量范圍內(nèi)誤差小于3%。隨著濃度的增加，絕對(duì)誤差變大，在較大濃度的情況下，激光器調(diào)諧非線性以及光的散射和反射導(dǎo)致信噪比降低，從而引起測(cè)量誤差增大。

4.2 響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是衡量靈敏度的重要指標(biāo)，測(cè)量值達(dá)到穩(wěn)定值的90%即可認(rèn)為是有效響應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)開機(jī)預(yù)熱，當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，給定不同濕度氣體，每0.5 s記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)最終達(dá)到給定值90%時(shí)所用時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

由圖4可知，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為3 s左右。系統(tǒng)檢測(cè)周期為0.1 s，響應(yīng)時(shí)間主要與氣體的流速和吸收池氣體濃度穩(wěn)定時(shí)間有關(guān)。要進(jìn)一步提高響應(yīng)速度，需要對(duì)吸收池進(jìn)行改進(jìn)，加大進(jìn)氣管路的直徑或在吸收池內(nèi)設(shè)計(jì)氣流循環(huán)裝置。

4.3 飛行驗(yàn)證

目前本系統(tǒng)已安裝在人工影響天氣飛機(jī)上，隨飛機(jī)進(jìn)行了多次探測(cè)任務(wù)。選取2021年1月20日的飛行數(shù)據(jù)(見圖5)進(jìn)行分析。

圖5 2021年1月20日飛行數(shù)據(jù)

飛行作業(yè)高度約為4300 m，氣溫約-16 ℃，氣壓605 hPa，飛機(jī)作業(yè)區(qū)域?yàn)樵浦?，相?duì)濕度為100%時(shí)，對(duì)應(yīng)絕對(duì)水含量1.49 g/m3。從圖5中可以看出，系統(tǒng)測(cè)量的絕對(duì)水含量與當(dāng)時(shí)氣象條件相符。在多次飛行中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，表明設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了基于TDLAS技術(shù)、激光波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)、二次諧波檢測(cè)技術(shù)的機(jī)載水汽密度測(cè)量?jī)x。首先對(duì)TDLAS測(cè)量的基本原理進(jìn)行了研究，然后對(duì)本裝置的系統(tǒng)和軟件進(jìn)行了概述，簡(jiǎn)要說明了本裝置的主要組成、工作原理以及在研究過程中的考慮和解決方法。設(shè)計(jì)了滿足機(jī)載復(fù)雜環(huán)境的體積小、精度高、響應(yīng)時(shí)間快的水汽密度測(cè)量裝置，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了能夠?qū)⑺畾夥蛛x的裝置，使得測(cè)量到的水汽密度不受水滴、冰晶的影響?？紤]到在飛行中不斷變換的高度可能導(dǎo)致的吸收池結(jié)露，影響測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了進(jìn)氣管路、吸收池智能溫控。為了減小在低量程時(shí)的誤差，在系統(tǒng)工作過程中不斷進(jìn)行失調(diào)訂正。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了精度測(cè)試和響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，在0～10 g/m3的測(cè)量范圍內(nèi)誤差小于3%，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為3 s左右。之后又進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，測(cè)得的水汽密度與當(dāng)時(shí)的氣象條件相符。

機(jī)載水汽密度測(cè)量?jī)x有較好的發(fā)展前景，通過分析不同航路的數(shù)據(jù)，不僅有助于更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)雷暴、大霧、降雪天氣，還可以替代探空氣球，使得氣象探測(cè)變得實(shí)時(shí)、廉價(jià)，還可以裝在特定的飛機(jī)上以滿足特定區(qū)域的氣象探測(cè)。